Приймачі енергії випромінювання

Енергія випромінювання, що поширюється в просторі, поглинається різноманітними тілами, які називаються приймачами енергії випромінювання.

Приймаченергії випромінювання – це тіло, що ефективно перетворює енергію випромінювання в один із видів енергії (електричну, теплову, біологічну, хімічну та ін.).

Приймачі енергії випромінювання діляться на фізичні і біологічні. До фізичних приймачів належать фотоелементи, люмінофори, фотографічна емульсія та ін. Представниками біологічних приймачів є око, шкіра людини і тварин, зелений листок рослини, тощо.

Не вся поглинена енергія (потік випромінювання) в приймачі перетворюється в корисну енергію. Поглинений потік випромінювання, перетворений приймачем випромінювання в корисну потужність одного з видів енергії, називається ефективним потоком.

Кожен приймач енергії випромінювання характеризується інтегральною і спектральною чутливістю (ефективністю).

Інтегральна чутливістьприймача являє собою відношення ефективно перетвореної приймачем енергії до падаючої на приймач енергії і визначається виразом

де k – коефіцієнт пропорційності, що залежить від вибраних одиниць величин і ;

– ефективний потік випромінювання;

– падаючий на приймач потік випромінювання;

– поглинений приймачем потік випромінювання;

– коефіцієнт поглинання приймача;

– енергетичний вихід перетворення (відношення ефективно перетвореної приймачем енергії до поглиненої).

Спектральна чутливістьприймача визначається аналогічно з урахуванням монохроматичного випромінювання

Приймачі випромінювання, з точки зору спектральної чутливості, бувають вибірковими і не вибірковими. У вибіркових приймачів спектральна чутливість залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання, до них належать око і шкіра людини, фотоелемент, фотоемульсія та ін. Представником невибіркових приймачів є термопара.

З відомою спектральною густиною падаючого потоку випромінювання Ф(λ) і функції спектральної чутливості приймача ефективний потіквипромінювання визначається виразом

,

де λ₁ і λ₂ – межі ділянки спектра падаючого на приймач потоку випромінювання.

Вхідні величини у вищенаведених виразах дозволяють легко визначити інтегральну чутливість приймача

Для зручності проведення вимірів і розрахунків вводиться поняття відносної спектральної чутливості приймача , яка є відношенням спектральної чутливості приймача до максимального значення спектральної чутливості цього ж приймача

З відомим абсолютним значенням функції V_пр(λ) і Ф(λ) неважко визначити ефективний потік

Для людського ока максимальна спектральна чутливість має місце при для денного зору і – для нічного (рисунок 4).

Рисунок 4 – Криві функцій відносної спектральної світлової ефективності монохроматичного випромінювання для денного V(λ) і нічного V΄(λ) зору

Максимальне значення спектральної чутливості світлоадаптованого стандартного спостерігача Міжнародною комісією з освітлення (МКО) прийнято для монохроматичного випромінювання з і складає люмен на ват (лм/Вт). Люмен являє собою одиницю світлового потоку, 1 лм відповідає світловому потоку, що випромінюється в одиничному тілесному куті точковим джерелом із силою світла 1 кандела (визначення кандели буде дано нижче).

Таким чином, монохроматичний світловий потік визначається виразом:

,

де – монохроматичний потік випромінювання;

– відносна спектральна чутливість органу зору до монохроматичного випромінювання з довжиною хвилі λ.

Перехід від монохроматичного потоку випромінювання до світлового потоку з такою ж довжиною хвилі здійснюється виразом

Перехід до світлового потоку джерела з лінійчатим спектром

,

де – потік випромінювання і-тої лінії, Вт;

n – число ліній.

Перехід до світлового потоку джерела із суцільним спектром

.

Світлова система величин

Основною світловою одиницею в системі СІ є кандела (кд) – сила світла (І), випромінювана в перпендикулярному напрямку з поверхні чорного тіла площею 1/6·10^–5 м² при температурі кристалізації платини Т=2045 К і тиску 101325 Па.

Допоміжні світлові величини приведені нижче:

Φ–	світловий потік	ефективний потік випромінювання, визначається спектральною чутливістю ока, одиниця виміру – люмен (лм = кд×ср);
Μ–	світимість	густина випромінюваного (відбитого) світлового потоку з площі поверхні випромінюючого (відбиваючого) тіла, одиниця виміру – лм/м2.
Е–	освітленість	густина світлового потоку по освітлюваній поверхні, одиниця виміру – люкс (лк = лм/м2);
Q –	світлова енергія	добуток світлового потоку на час його дії, одиниця виміру – лм×с;
L –	яскравість	густина сили світла з площі проекції випромінюючого (відбиваючого) тіла в заданому напрямку, одиниця виміру – кд/м2;
Η–	світлова експозиція	світлова енергія, падаюча на одиницю площі, одиниця виміру – лк×с.

Теплові випромінювачі

Джерела, свічення яких обумовлено нагріванням, називаються тепловими випромінювачами.

Закони теплового випромінювання встановлені для чорного тіла, тіла, що поглинає все падаюче на нього випромінювання (коефіцієнт поглинання чорного тіла ). Чим краще тіло поглинає випромінювання, тим більше воно здатне віддати потік випромінювання при нагріванні. Нижче приведені основні закони теплового випромінювання.

ЗаконКірхгофа відображає залежність між випромінюваністю тіл, нагрітих до однієї температури, і їх коефіцієнтами поглинання

де – випромінюваність чорного тіла, Вт/м².

ЗаконСтефана-Больцмана виражає випромінювану здатність чорного тіла

де – стала Больцмана, Вт/(м²· К⁴);

Т – абсолютна температура, К.

Законзміщення Віна виражає зв'язок між положенням максимуму в спектрі випромінювання чорного тіла і температурою нагріву

,

де – довжина хвилі, яка відповідає максимуму спектральної густини енергетичної світимості тіла, нм;

– стала Віна, нм·Κ.

Спектри випромінювання чорного тіла при різних температурах приведенні на рисунку 5, де заштрихована частина являє собою область видимого випромінювання.

Рисунок 5 – Спектри випромінювання чорного тіла при різних температурах

Світловий ККД випромінювання виражає відношення площі видимої області спектра до площі, обмеженої кривою спектральної густини випромінювання тіла і віссю довжини хвиль. З рисунка 6 видно, що максимальний світловий ККД буде мати місце при температурі біля 6500 K і становить 14,5%. Світловий ККД деяких теплових випромінювачів в залежності від температури приведений в таблиці 1.

Рисунок 6 – Залежність світлового ККД від температури теплового випромінювача

Таблиця 1 – Світловий ККД теплових випромінювачів

Випромінювач	Температура випромінювача, Κ	Світловий ККД, %
Полум'я гасової лампи		0,04

Продовження таблиці 1

Вугільна нитка лампи		0,52
Вольфрам при плавленні		8,1
Сонце в зеніті		13,8
Чорний випромінювач		14,5

Люмінесценція

Під люмінесценцією розуміють здатність деяких речовин (люмінофорів) випромінювати енергію, накопичену в межах атома, при переході електронів з більш високих енергетичних рівнів на більш низькі.

В нормальному (незбудженому) стані електрони атома знаходяться на нижніх енергетичних рівнях, характерних для даних атомів. В такому стані атоми можуть знаходитись як завгодно довго. При поглинанні порції енергії, що надходить з-за меж атома, електрони атомів переходять на більш високі енергетичні рівні, при цьому енергетичні рівні не однакові для атомів різних речовин. При поверненні електрона в початковий стан, випромінюється квант енергії.

В залежності від джерела збудження розрізняють електролюмінісценцію, фотолюмінісценцію, радіолюмінісценцію та інші види люмінесценції.

Академік С.І. Вавилов дав визначення люмінесценції – це таке випромінювання, надлишкове над тепловим, тривалість якого дорівнює або більше .

До побічних ознак люмінесценції можемо віднести селективність випромінювання, що залежить від властивостей випромінюючої речовини, і некогерентність випромінювання.

В процесі роботи властивості люмінофорів змінюються, в них відбуваються незворотні процеси, результатом яких є зниження яскравості випромінювання, зменшення потоку випромінювання, а іноді і зміна спектрального складу випромінювання.