Schwarzer Strahler
Ein Schwarzer Strahler ist ein idealisierter Körper, der auftreffende elektromagnetische Strahlung jeder Wellenlänge vollständig absorbiert. Auf ihm findet weder Reflexion noch Transmission statt.
Ein schwarzer strahler strahlt bei jeder Wellenlänge die maximal mögliche Energie für alle möglichen Emitter ab. Die Strahlungsdichte ist hier unabhängig vom Winkel. Der schwarze strahler bildet die Grundlage für das Verständnis der physikalischen Grundlagen der berührungslosen Temperaturmesstechnik und für die Kalibrierung von Absorbergeräten.
Strahlungsgesetze des schwarzen Strahlers
Das Plancksche Strahlungsgesetz beschreibt die spektrale spezifische Strahlung Mλs des schwarzen Körpers in den Halbraum als Funktion seiner Temperatur T und der beobachteten Wellenlänge λ. Es stellt somit den grundlegendsten Zusammenhang für die berührungslose Temperaturmessung dar.
Das Maximum der spektralen spezifischen Strahlung verschiebt sich mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen. Es lassen sich vielfältige weitere Zusammenhänge ableiten, von denen im Folgenden zwei kurz genannt werden.
Durch die Integration der spektralen Strahlungsintensität über alle Wellenlängen von Null bis Unendlich erhält man den Wert für die gesamte vom Körper abgegebene 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 strahler im gesamten Wellenlängenbereich steigt proportional zur vierten Potenz seiner absoluten Temperatur.
Aus der grafischen Darstellung des Planckschen Strahlungsgesetzes ist ersichtlich, dass sich die Wellenlänge, bei der die emittierte Strahlung eines schwarzen strahler das Maximum emittiert, mit der Temperaturänderung verschiebt. → Das Wiener Verschiebungsgesetz beschreibt diesen Zusammenhang und lässt sich durch Differenzierung aus der Planckschen Gleichung ableiten. Die Wellenlänge, bei der das Maximum der Strahlung liegt, verschiebt sich mit steigender Temperatur in den kurzwelligen Bereich.
λmax · T = 2898 µm · K
Aufbau des Schwarzen Strahlers
Der Aufbau eines schwarzen strahler ist im Prinzip sehr einfach. Ein beheizbarer Hohlkörper hat an einem Ende ein kleines Loch. Wird dieser Körper auf eine bestimmte Temperatur gebracht, befindet sich dieser Hohlraum im Temperaturgleichgewicht. Aus dem Loch tritt nun die ideale schwarze Strahlung der eingestellten Temperatur aus. Die Struktur solcher Schwarzkörper hängt je nach Temperaturbereich und Verwendungszweck sowohl vom Material als auch von der geometrischen Struktur ab. Wenn beispielsweise das Loch in der Wand im Vergleich zur gesamten Oberfläche sehr klein ist, kann die Störung des Idealzustands als gering angesehen werden. Betrachtet man dieses Loch nur mit einem Sensor, kann man die austretende Temperaturstrahlung als schwarzen Körper betrachten und das Messgerät damit kalibrieren.
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