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Schwarzer Strahler

Ein schwarzer Strahler (engl. Black Body) ist ein idealisierter Körper, der auftreffende elektromagnetische Strahlung jeglicher Wellenlänge vollständig absorbiert. An ihm treten weder Reflexion noch Transmission auf.

Ein schwarzer Strahler strahlt bei jeder Wellenlänge die für alle möglichen Strahler maximal mögliche Energie ab. Die Strahlungsdichte ist dabei winkelunabhängig. Der schwarze Strahler bildet die Grundlage für das Verständnis der physikalischen Grundlagen der berührungslosen Temperaturmesstechnik und für das Kalibrieren von Infrarot-Messgeräten.

Strahlungsgesetze des schwarzen Strahlers

Das →Planck‘sche Strahlungsgesetz beschreibt die spektrale spezifische Ausstrahlung Mλs des schwarzen Strahlers in den Halbraum in Ab-hängigkeit von seiner Temperatur T und der betrachteten Wellenlänge λ. Und stellt somit den grundlegendsten Zusammenhang für die berüh-rungslose Temperaturmessung dar.


Das Maximum der spektralen spezifischen Ausstrahlung verschiebt sich mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen. Es lassen sich eine Vielzahl weiterer Zusammenhänge ableiten, von denen zwei nach-folgend kurz benannt werden.
Durch Integration der spektralen Strahlungsintensität über alle Wellen-längen von null bis unendlich erhält man den Wert für die gesamte vom Körper ausgesandte Strahlung. Dieser Zusammenhang wird als →Stefan-Boltzmann-Gesetz bezeichnet.

MλS = σ · T4 [W · m-2] mit σ = 5,67 · 10-8 [Wm-2T-4]

Die gesamte emittierte Strahlung eines schwarzen Strahlers im gesam-ten Wellenlängenbereich steigt proportional zur vierten Potenz seiner absoluten Temperatur.
Aus der grafischen Darstellung des Planck‘schen Strahlungsgesetzes wird ersichtlich, dass die Wellenlänge, bei der die ausgesandte Strahlung eines schwarzen Strahlers das Maximum aufweist, sich bei Veränderung der Temperatur verschiebt. Das sogenannte →Wien‘sche Ver-schiebungsgesetz beschreibt diesen Zusammenhang und lässt sich durch Differentiation aus der Planck‘schen Gleichung ableiten. Die Wel-lenlänge, bei der das Maximum der Strahlung liegt, verschiebt sich mit zunehmender Temperatur zum kurzwelligen Bereich.

λmax · T = 2898 µm · K

Aufbau des Schwarzen Strahlers

Der Aufbau eines schwarzen Strahlers ist im Prinzip sehr einfach. Ein beheizbarer Hohlkörper hat an einem Ende ein kleines Loch. Bringt man diesen Körper auf eine bestimmte Temperatur, so befindet sich dieser Hohlraum im Temperaturgleichgewicht. Aus dem Loch tritt nun ideale schwarze Strahlung der eingestellten Temperatur aus. Je nach Tempe-raturbereich und Verwendungszweck ist der Aufbau derartiger schwarzer Strahler sowohl vom Material als auch vom geometrischen Aufbau abhängig. Ist beispielsweise das Loch in der Wand sehr klein gegenüber der gesamten Oberfläche, so kann die Störung des Idealzustands als gering angesehen werden. Blickt man nun mit einem Messfühler nur auf dieses Loch, so kann die austretende Temperaturstrahlung als schwarze Strahlung betrachtet und das Messgerät damit kalibriert werden.


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