Теплонагляд - Еталонні джерела - моделі АЧТ
Поняття «абсолютно чорного тіла» було запроваджено німецьким вченим-фізиком Густавом Кірхгофом у середині ХІХ століття. Необхідність запровадження такого поняття пов'язана з розвитком теорії теплового випромінювання.
Абсолютно чорне тіло - ідеалізоване тіло, що поглинає електромагнітне випромінювання, що все падає на нього, у всіх діапазонах довжин хвиль і нічого не відображає.
Таким чином, енергія будь-якого падаючого випромінювання повністю передається АЧТ і перетворюється на його внутрішню енергію. Одночасно з поглинанням АЧТ також випромінює електромагнітне випромінювання та втрачає енергію. Причому потужність цього випромінювання та його спектральний залиш визначаються лише температурою АЧТ. Саме температура АЧТ визначає скільки випромінювання воно випромінює в інфрачервоному, видимому, ультрафіолетовому та ін діапазонах. Тому АЧТ, незважаючи на свою назву, при досить високій температурі випромінюватиме у видимому діапазоні і візуально матиме колір. Наше Сонце – ось приклад нагрітого до температури 5800 ° С об'єкта, причому близького за властивостями до АЧТ.
Світіння розжареного металу у видимому спектрі
Абсолютно чорних тіл у природі немає, у фізиці для експериментів використовується модель. Найчастіше це замкнута порожнина з невеликим вхідним отвором. Випромінювання, що потрапляє всередину через цей отвір, після багаторазових відбитків повністю поглинається стінками. Ніяка частина випромінювання, що потрапило в отвір, не відбивається від нього назад — це відповідає визначенню АЧТ (повне поглинання і відсутність відображення). При цьому порожнина має власне випромінювання, яке відповідає її температурі. Оскільки власне випромінювання внутрішніх стінок порожнини також здійснює величезну кількість нових поглинань івипромінювань, то можна сказати, що випромінювання всередині порожнини знаходиться в термодинамічній рівновазі зі стінками. Характеристики цього рівноважного випромінювання визначаються лише температурою порожнини (АЧТ): сумарна (на всіх довжинах хвиль) енергія випромінювання згідно із законом Стефана-Больцмана, а розподіл енергії випромінювання за довжинами хвиль описується формулою Планка.
Поглинання падаючого випромінювання моделі АЧТ
У природі немає абсолютно чорних тіл. Є приклади тіл, які лише найбільш наближені за своїми характеристиками до чорних. Наприклад, сажа здатна поглинути до 99 % падаючого її у світла. Очевидно, що особлива шорсткість поверхні матеріалу дозволяє звести відображення до мінімуму. Саме завдяки багаторазовому відображенню з наступним поглинанням ми бачимо чорними такі об'єкти, як чорний оксамит.
Об'єкт дуже близький до АЧТ я одного разу зустрів на виробництві лез для гоління Gillette в Санкт-Петербурзі, де мені довелося попрацювати ще до заняття теплобаченням. Класичні двосторонні леза для гоління в технологічному процесі збираються на «ножі» до 3000 лез в пачці. Бічна поверхня, що складається з безлічі щільно притиснутих один до одного заточених лез, має оксамитовий чорний колір, хоча кожне окреме сталеве лезо має блискучу гостро загострену сталеву кромку. Блок лез, залишений підвіконня в сонячну погоду, міг нагрітися до 80°С. Разом з тим, окремі леза практично не нагрівалися, оскільки відображали більшу частину випромінювання. Подібну форму поверхні мають різьблення на болтах і шпильках, їхній коефіцієнт випромінювання вищий, ніж на гладкій поверхні. Ця властивість часто використовується при тепловізійному контролі електроустаткування.
Вчені працюють над створенням матеріалів зівластивостями, наближеними до властивостей абсолютно чорних тіл. Наприклад, в оптичному довжиназоні досягнуті зазначні результати. У 2004 році в Англії був розроблений сплав з нікелю та фосфору, який був мікропористим покриттям і мав коефіцієнт відображення 0,16–0,18 %. Цей матеріал був занесений до Книги рекордів Гіннеса як найчорніший матеріал у світі. 2008 року американські вчені встановили новий рекорд — вирощена ними тонка плівка, що складається з вертикальних вуглецевих трубочок, практично повністю поглинає випромінювання, відбиваючи його на 0,045 %. Діаметр такої трубочки – від десяти нанометрів і завдовжки від десяти до кількох сотень мікрометрів. Створений матеріал має пухку, бархатисту структуру та шорстку поверхню.
Моделі АЧТ служать для калібрування та повірки пірометрів та тепловізорів
Кожен інфрачервоний прилад проходить калібрування за моделями АЧТ. Точність вимірювань температури ніколи не може бути кращою, ніж точність калібрування. Тому якість калібрування дуже важлива. При калібруванні (або повірці) за допомогою еталонних випромінювачів відтворюються температури всього діапазону вимірювання тепловізора або пірометра. У практиці використовуються еталонні теплові випромінювачі як моделі абсолютно чорного тіла наступних типів:
Порожнинні моделі АЧТ. Мають порожнину з малим вхідним отвором. Температура в порожнині визначається, підтримується і вимірюється з високою точністю. У таких випромінювачах можна відтворювати високі температури.
Протяжні або площинні моделі АЧТ. Мають майданчик, пофарбований складом з високим коефіцієнтом випромінювання (низьким коефіцієнтом відбиття). Температура майданчика задається, підтримується та вимірюється з високою точністю. У таких випромінювачах можуть бутивідтворено низькі негативні температури.
Під час пошуку інформації про імпортні моделі АЧТ використовуйте термін «black body». Також важливо розуміти різницю між перевіркою, калібруванням та повіркою тепловізора. Про ці процедури докладно написано на сайті у розділі про тепловізори.
Використані матеріали: Вікіпедія; БСЕ; Infrared Training Center (ITC); Fluke Calibration