4 Тақырып. Сәулелену көздері. Оптикалық сәулелену көздерінің негізгі сипаттамалары және жылулық сәулелену заңдылықтары

Қарастырылатын сұрақтар:

1. Жарық көздерінің пайдалану салалары мен даму беталысы.

2. Жылулық сәулелену заңдары: Планк, Вин, Стефан-Больцман, Кирхгоф.

3. Қара дене сәулеленуінің п.ә.к. Вольфрамның сәулеленуі.

Дәрістің қысқаша жазбасы:

Оптикалық сәулелену көзі деп оптикалық сәулеленуді генерациялайтын табиғи немесе жасанды пайда болған кез келген материалдық жүйені айтуға болады. Қазіргі жасанды көздерінде оптикалық сәулелену электр энергиясын түрлендіру арқылы алынады. Электр энергиясын түрлендіру тәсіліне байланысты оптикалық сәулелену көздері жылулық және газ-разрядтық болып бөлінеді. Жылулық сөулелену көздерінде өз бойымен өтетін электр тогымен жоғары температурада қызатын дене (вольфрам сым) сәуле шығарғыш болады. Газ-разрядтық сәулелену көздерінің жұмысы газдағы немесе металл буларындағы электрлік разрядпен бірге өтетін құбылыстарға негізделген.

Жылулық сәулелену - дене атомдары мен молекулаларының жылулық қозғалысы энергиясын оптикалық сәулелену энергиясына түрлендіру нәтижесі. Сәулеленетін дененің температурасы сәулелену ағынының мәнін де және оның спектрлік құрамын да анықтайды.

Жылулық сәулеленудің негізгі заңдары абсолют қара денеге тұжырымдалған.

Абсолют қара дене - өзіне түскен сәулеленуді түсу бұрышына, спектрлік құрамына және полярлануына қарамастан, түгел жұтатын оптикалық сәулеленуді қабылдағыш.

Кирхгофф заңы дененің сәулелерді шығару және жұту қабілеттерінің арасындағы байланысты айқындайды: температурасы бірдей денелердің сәулелену тығыздықтарының қатынасы олардың жұту коэффициенттерінің қатынасына тең:

Кирхгофф заңын басқаша жазузға болады:

(4.1)

мұндағы R_T - сол температурадағы абсолют кара дене сәулеленуінің тығыздығы, Вт/м².

Басқаша айтқанда, температурасы бірдей болатын барлық денелерге сәулелену тығыздығының жұту коэффициентіне қатынасы - сол температурадағы абсолют қара дене сәулеленуінің тығыздығына тең, тұрақты шама.

Стефан - Больцман заңы дененің сәулелену тығыздығымен оның температурасының арасындағы байланысты тағайындайды. Стефан мен Больцман абсолют қара дененің сәулелену тығыздығы тек оның температурасына тәуелді және абсолют температураның төртінші дәрежесіне пропорционал екендігін анықтайды:

, (4.2)

Мұндағы R_т - абсолют қара дененің сәулелену тығыздығы, Вт/м²; G=5,672·10^-8 Вт/м²·К, тұрақты шама; Т-абсолют температура, К.

Абсолют қара дененің жылулық сәулелену спектріндегі энергияның таралуы Планк заңымен айқындалады:

, (4.3.)

Мұндағы R_Т -абсолют қара дене сәулелену ағынының спектрлік тығыздығы, Вт/м²·мкм; С₁=3,74·10⁸ Вт/м²·мкм, тұрақтылық; С₂=1,43·10⁴ мкм·град, тұрақтылық; е - натуральды логарифмнің негізі.

Виннің ығысу заңы: сәулеленетін дене температурасы оның сәулелену ағынының спектрлік тығыздығы қисығының максимумы қысқа толқындар аймағына ығысады (4.1 сурет):

_max·Т= 2896 мкм·град (4.4.)

мұндағы _max - сәулелену ағынының спектрлік тығыздығы кисығының максимумына сәйкес келетін толқын ұзындығы, мкм.

Стефан - Больцман заңы мен ығысу заңын пайдаланып, Вин абсолют кара дененің сәулелену ағыны спектрлік тығыздыгының максимал мәні дене температурасының бесінші дәрежесіне пропорционал өсетінін анықтады:

, (4.5)

мұндағы С₃ = 1,041·10^-11 Вт/м² мкм^-1·град^-5

4.1 сурет - Абсолют қара денені әр түрлі температураға дейін қыздырғандағы оның сәулеленуінің спектрлік тығыздығы

Жылулық сәулеленудің негізгі зандары мынадай қорытындылар жасауға мүмкіншілік береді:

1. Абсолют қара дененің сәулелену ағыны қызу температурасының төртінші дәрежесіне пропорционал.

2. Абсолют қара дененің сәулелену ағыны спектрлік тығыздығының максимумы қызу температурасының бесінші дәрежесіне пропорционал.

3. Абсолют қара дененің қызу температурасы жоғарылаған сайын оның сәулелену ағынының спектрлік тығыздығы қисығының максимумы қысқа толқындар аймағына ығысады.

Көрінерлік сәуле көзі ретінде пайдаланылатын жылулық сәулеленгіштің сәулелену ағыны тиімді бергіштігінің (жарық П.Ә.К.-нің) қыздыру температурасына тәуелді ең маңызды көрсеткіштердің бірі болады (4.2 сурет):

, (4.6.)

Сәулеленгіштің температурасы жоғарылағанда жарық П.Ә.К-і өседі. Бұл сәулелену ағынының спектрлік тығыздығы қисығының максимумының көрінерлік сәулелену аймағына ығысумен түсінікті болады. Абсолют қара дененің температурасы 6500 К шамасында болғанда жарық П.Ә.К-і (14,5%) ең жоғары мәніне жетеді. Сәулеленудің спектрлік тығыздығы қисығының максимумы спектрдің көрінерлік бөлігінде болады. Сәулеленгіштің температурасы мұнан әрі жоғарылағанда φ(λ) қисығының максимумы спектрдің қысқа толқынды бөлігіне ығысады. Жарық П.Ә.К-нің мәні төмендей бастайды.

Жарық - техникалық есептеуде пайдаланылатын денелер абсолют қара дененің қасиеттеріне толык ие бола алмайды. Дегенмен арнайы өтпелі шамаларды енгізу арқылы абсолют қара дененің жылулық сәулелену заңдарын нақтылы денелерге колдануға болады.

4.2 сурет – Жарық П.Ә.К-нің абсолют қара дененің температурасына тәуелділігі

Бақылау сұрақтары:

1. Кирхгофф заңы.

2. Стефан - Больцман заңы.

3. Планк заңы.

4. Виннің ығысу заңы.

5. Абсолют қара дене деген не?

Ұсынылатын әдебиеттер:

1. Өтешев Ө.Ө, Сейітов І. А. Электрлік жарықтандыру - Алматы.: Казмемагру, 2000.

2. Жилинский Ю.М., Кумин В.Д. Электрическое освещение и облучение. - М.: Колос,1982.-272 с.

3. Живописцев Е.Н., Косицын О.А. Электротехнология и электрическое освещение. М.: Агропромиздат,1990.-246 с.

4. Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение. - М.: Агропромиздат, 1991.-239 с.

5. Справочная книга по светотехнике / Под редакцией Ю.Б. Айзенберга. -М.: Энергоатомиздат,1995.-472 с.