Zwarte Lichaam Straling: Definitie Kenmerken en Toepassingen

Een zwarte straler wordt gedefinieerd als een idealiseerd object dat alle elektromagnetische straling die erop valt absorbeert en straling uitstraalt met een continu spectrum dat alleen afhankelijk is van de temperatuur. Zwartestraling is de thermische straling die door een zwarte straler wordt uitgestraald in thermodynamisch evenwicht met de omgeving. Zwartestraling heeft veel toepassingen in de natuurkunde, astronomie, techniek en andere vakgebieden.

Wat is een Zwarte Straler?

Een zwarte straler is een theoretisch concept dat een ideale absorbeerder en uitstraler van straling vertegenwoordigt.

Geen echt object is een perfecte zwarte straler, maar sommige objecten kunnen dit benaderen onder bepaalde omstandigheden. Bijvoorbeeld, een holte met een klein gat kan als een zwarte straler fungeren, omdat elke straling die het gat binnenkomt gevangen wordt en vele malen wordt weerspiegeld totdat ze door de wanden van de holte wordt geabsorbeerd. De straling die door het gat wordt uitgestraald, is dan kenmerkend voor een zwarte straler.

Een zwarte straler reflecteert of transmiteert geen straling; hij absorbeert en straalt alleen straling uit. Daarom lijkt een zwarte straler zwart wanneer hij koud is en geen zichtbaar licht uitstraalt. Naarmate de temperatuur van een zwarte straler stijgt, straalt hij meer straling uit en verschuift zijn spectrum naar kortere golflengten. Bij hoge temperaturen kan een zwarte straler zichtbaar licht uitstralen en rood, oranje, geel, wit of blauw lijken, afhankelijk van de temperatuur.

Eigenschappen van Zwartestraling

Het spectrum van zwartestraling is continu en hangt alleen af van de temperatuur van de zwarte straler. Het spectrum kan worden beschreven met twee belangrijke wetten: Wien's verplaatsingswet en Stefan-Boltzmann's wet.

Wien's Verplaatsingswet

Wien's verplaatsingswet stelt dat de golflengte waarbij de intensiteit van zwartestraling maximaal is, omgekeerd evenredig is met de temperatuur van de zwarte straler. Wiskundig kan dit worden uitgedrukt als:

waarbij λmax de piekgolflengte is, T de absolute temperatuur van de zwarte straler, en b een constante is, bekend als Wien's verplaatsingsconstante, die een waarde heeft van 2,898×10−3 m K.

Wien's verplaatsingswet verklaart waarom de kleur van een zwarte straler verandert met de temperatuur.

Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de piekgolflengte af, en verschuift het spectrum naar kortere golflengten. Bij kamertemperatuur (ongeveer 300 K) straalt een zwarte straler voornamelijk infraroodstraling uit met een piekgolflengte van ongeveer 10 μm. Bij 1000 K straalt een zwarte straler voornamelijk rood licht uit met een piekgolflengte van ongeveer 3 μm. Bij 6000 K straalt een zwarte straler voornamelijk wit licht uit met een piekgolflengte van ongeveer 0,5 μm.

Stefan-Boltzmann Wet

De wet van Stefan-Boltzmann stelt dat de totale uitgestraalde vermogen per oppervlakte-eenheid door een zwarte straler evenredig is met de vierde macht van de absolute temperatuur.

Wiskundig kan dit worden uitgedrukt als:

waarbij Me het totale vermogen per oppervlakte-eenheid (ook bekend als emissieve kracht of stralende uitgang) is, T de absolute temperatuur van de zwarte straler, en σ een constante is, bekend als de constante van Stefan-Boltzmann, die een waarde heeft van 5,670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.

De wet van Stefan-Boltzmann verklaart waarom een zwarte straler meer straling uitstraalt naarmate de temperatuur stijgt. Bijvoorbeeld, als de temperatuur van een zwarte straler verdubbelt, neemt de emissieve kracht toe met 16 keer.

Toepassingen van Zwartestraling

Zwartestraling heeft veel toepassingen in verschillende gebieden van wetenschap en technologie. Enkele voorbeelden zijn:

• In de astronomie kunnen sterren worden benaderd als zwarte stralers, en hun temperaturen kunnen worden geschat op basis van hun spectra met behulp van Wien's verplaatsingswet.

   

• De zon, bijvoorbeeld, heeft een effectieve oppervlaktemperatuur van ongeveer 5800 K en straalt voornamelijk zichtbaar licht uit met een piekgolflengte van ongeveer 0,5 μm.

• In de techniek gebruiken thermografische apparaten infraroodcamera's om de hitte die door objecten wordt uitgestraald te detecteren op basis van hun temperaturen, gebruikmakend van de wet van Stefan-Boltzmann.

   

• Thermografie kan worden gebruikt voor beveiliging, surveillance, brandbestrijding, medische diagnose en andere doeleinden.

• In de natuurkunde was zwartestraling een van de fenomenen die leidden tot de ontwikkeling van de kwantumtheorie aan het begin van de 20e eeuw.

   

• De klassieke natuurkunde kon niet verklaren waarom het spectrum van zwartestraling afweek van de Rayleigh-Jeans wet bij hoge frequenties en een oneindige energie produceerde, bekend als de ultraviolette catastrofe. Max Planck stelde voor dat energie gekwantiseerd was en werd uitgestraald in discrete eenheden genaamd quanta of fotonen om dit probleem op te lossen. Planck's wet beschrijft het spectrum van zwartestraling met behulp van de kwantumtheorie.

Samenvatting

• Een zwarte straler is een idealiseerd object dat alle incidentele straling absorbeert en straling uitstraalt met een continu spectrum dat alleen afhankelijk is van de temperatuur.

• Zwartestraling is de thermische straling die door een zwarte straler wordt uitgestraald in thermodynamisch evenwicht met de omgeving.

• Wien's verplaatsingswet stelt dat de piekgolflengte van zwartestraling omgekeerd evenredig is met de temperatuur.

• De wet van Stefan-Boltzmann stelt dat het totale uitgestraalde vermogen per oppervlakte-eenheid door een zwarte straler evenredig is met de vierde macht van de temperatuur.

• Zwartestraling heeft veel toepassingen in de natuurkunde, astronomie, techniek en andere vakgebieden.

Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen zijn de moede gedeeld, als er een schending van rechten is, neem dan contact op