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红外热像仪的基石:什么是黑体?

2022-01-12 09:26:07

红外热像仪的基石:什么是黑体?

黑体是物理学中在热成像中非常有用的概念之一。事实上,它是红外热像仪的基石。密切关注物体的黑体辐射已经将红外成像扩展到更高的高度,远远超出我们的想象。 

例如,通过将黑体辐射作为参考,天文学家可以确定恒星的诞生和太空中黑洞的形成。事实上,这不是一个日常概念。但是,花点时间了解一下黑体的本质,可以帮助您在热像仪检测之旅中突破极限。 

在热成像方面,一个更广泛使用的术语是发射率。简单地说,发射率只是物体发射红外辐射能力的量度。地球上从火山最热的内部到北极圈最冷的冰块的每个物体的发射率都在 0 到 1 之间,其中 1 是完美的发射率。许多人不知道的是,发射率是黑体辐射的函数。 

黑体、马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦

简单地说,如果一个物体吸收了所有入射辐射能(即光)撞击它而不反射任何所述能量,则它被视为黑体。该术语的出现是因为入射光被完全吸收而不是以任何微小的方式反射。因此,这样的表面将显示为黑色。然而,从技术上讲,完美的黑体本质上是理论上的。 

黑体的概念在电磁能辐射的研究中发挥了重要作用。其中最重要的是普朗克的量子理论 ,它解释了广泛波长(即电磁光谱)上的能量在被吸收后如何重新发射。 

电磁频谱

如图1:电磁频谱 

因此,通过演示,一个实用的黑体是一个盒子里的一个小洞,盒子的内部已经被熏黑了。由于进入那个洞的光永远不会逃逸,它显示了光是如何被完美的黑体吸收的。变黑的内部有助于保持光线。实际上,覆盖着油烟或烟灰的固体表面必然会吸收大约 97% 的光线,使其成为近乎完美的黑体。 

在光谱的另一端,抛光金属反射大约 94% 的光线。由于它只吸收 6% 的光,因此这种金属是一种很差的黑体。同样,必须注意,完美的黑体在很大程度上是假设的。因此,它不仅可以完美地吸收光能,还可以完美地发射这种能量。地球上的大多数物体都被认为是灰色物体,无法吸收落在它们身上的所有辐射能量。 

黑体和黑体辐射的想法已经存在了几个世纪,但科学家们对其性质感到困惑。具体来说,是古斯塔夫·基尔霍夫 (Gustav Kirchoff,1824 - 1887 年)在 1860 年概念化并创造了黑体这个词。但一方面,这位德国物理学家本人对黑体发出的电磁辐射强度如何取决于黑体的温度和辐射频率感到困惑。 

许多科学家尝试但未能在黑体和黑体辐射之间建立明确的关系。尽管进行了许多实验,但没有一个单一的理论能够解释所获得的实验值。 另一位德国物理学家威廉·韦恩( Wilhelm Wein , 1864 - 1928) 的韦恩理论正确地预测了高频辐射行为,但未能解释低频行为。 

至少直到 柏林物理学教授马克斯·普朗克(Max Planck,1858 - 1947 年)将他的手指伸进了这场争论中。研究他的前辈,德国理论物理学家,也许是历史上第一位真正的蓝色理论物理学家,于 1899 年在世纪之交向世界介绍了量子能量。不可分割的量子能量单位的概念为他赢得了诺贝尔物理学奖1918 年。然后是一些。 

能量的量子理论不仅解释了黑体辐射的性质,而且还彻底改变了物理学。因此,量子物理学在 1905 年成为爱因斯坦狭义相对论的基石, 这反过来又彻底动摇了科学的基础。 

爱因斯坦和普朗克是好朋友。阿尔伯特经常会去马克斯的家演奏音乐。两人都弹钢琴。需要注意的是,这里提到的所有德国科学家都是在他们之前的科学家的基础上做出贡献的。所有人都获得了至少一项诺贝尔科学奖。 

黑体辐射和发射率

黑体辐射是物体在特定温度下发出的热辐射。由于这种辐射来自质量块,因此可以检测研究对象的温度。当然,辐射成为热成像的基础,以产生图像并指定热特征。 

但是有一个必须考虑的因素才能使热成像被认为是准确的。要启动,必须考虑发射率。正如定义的那样,发射率是材料表面通过辐射散发热量的相对能力。在这方面,完美的黑体具有完美的发射率。它以辐射的形式散发吸收的热量的能力是完全的。因此,必须将每个物体与黑体的发射率进行比较,以了解它在发射热辐射方面的有效性。以等式形式: 

发射率 ( ౯ ) = 物体的辐射能量 / 黑体的辐射能量 

必须注意的是,黑体和物体必须处于相同的温度才能获得该特定物体的准确发射率。而且由于黑体的辐射能量是全部的,所以物体的辐射能量应该比黑体的辐射能量小得多。因此,物体的发射率在 0 到 1 之间。 

黑体的发射率为 1。另一方面,完美的能量反射器的发射率为 0。地球上的大多数物体都是“灰体”。这意味着,它们只能发射其总黑体辐射的一小部分。 

因此,水的发射率接近完美或接近 1。大多数植被也是如此。但是,金属和矿物的发射率低于 1。为了让您了解一下,以下是一些最常见的日常物品的发射率: 

材料 

发射率

0.97

0.95

土壤(饱和)

0.95

土壤(干)

0.92

具体的

0.92

玻璃 

0.92

0.9

0.8

铝(阳极氧化) 

0.77

铝(抛光) 

0.05

您可能会对为什么铝有两种发射率感到惊讶。请注意,任何材料的发射率也取决于其表面的性质。抛光的铝金属比氧化但粗糙的金属表面具有更差的发射率。 

因此,重要的是我们要考虑发射率。两个物体绝对有可能在热像仪的输出中具有相同的温度但不同的温度读数,因为它们的发射率不同。 

物体的发射率越低,您的热读数对物体温度的准确度就越低。因此,较低的发射率意味着物体分辨其真实温度的能力较低。您将不得不想办法调整所述物体的发射率,以便更好地找到它的温度。 

好消息是大多数维护检查工作本质上是比较和定性的。这意味着无需知道相关物体的准确温度测量值。一个好的经验法则是观察发射率为 0.6 或更低的物体将无法为您提供高度可靠的结果。通常,闪亮的金属表现出如此差的范围。 

到星星,穿过黑体

事实上,黑体辐射不仅在地球的半球内是必不可少的,而且在天体或天文学的研究中也是左右和中心。请注意,行星和恒星并不是完美的黑体。此外,它们与周围环境不处于热平衡状态。但是黑体辐射有助于测量天体发出的能量。 

黑洞是最接近黑体的天体现象。把黑洞想象成一个星系的超级磁铁。这是一个重力如此强大以至于没有什么能逃脱它的地方。如果有一张宇宙奥秘的清单,那么黑洞的来龙去脉就必须出现在清单的顶部。 

是的,爱因斯坦的广义相对论已经成功地预测了黑洞的行为。这告诉你黑体是多么的关键。 

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