Энергетическая освещенность - Семестровая работа
,
а полный лучистый поток через рассматриваемую «единичную» сферу от всего пространства определится интегрированием этого выражения в пределах полного телесного угла 4π:
.
Лучистый поток, падающий со всех сторон на сферу с экваториальным сечением, равным единице площади, и называют пространственной облученностью E0. Таким образом, пространственная облученность:
.
Если лучистость В постоянна по всему пространству, то:
.
В случае, когда излучение падает в данную точку пространства только из полусферы, обладающей постоянной лучистостью:
.
Размерность пространственной облученности одинакова с размерностью обычной облученности на плоскости: Вт/м2.
Насыщенность пространства энергией излучения может быть определена еще при помощи среднесферической облученности E4π, которая определяется выражением:
и представляет собой среднюю облученность по поверхности элементарно малой сферы с центром в данной точке пространства.
Необходимо подчеркнуть, что среднесферическая облученность представляет собой чисто расчетное понятие, тогда как облученность является физической реальностью, поддающейся непосредственному измерению. Наконец, очень важно то, что пространственная облученность – это функция точки, а облученность на плоскости – функция точки и направления.
2. Способы, датчики и приборы, используемые для измерения
энергетической освещенности и их принципы работы
Способы. Выделяют 3 основных способа измерения энергетической освещенности:
1. радиометрический способ;
Радиометрический способ основан на простом принципе: при поглощении тепловым приемником потока излучения происходит нагревание вещества. Ввиду этого измерение энергетической освещенности сводится к измерению температуры. Степень повышения температуры определяется в свою очередь путем измерения того или иного эффекта, зависящего от температуры. К ним относится тепловое расширение вещества, изменение его оптического сопротивления, испарение и т. д. Чаще всего эффекты линейно зависят от энергетической освещенности.
2. фотоэлектрический способ;
Фотоэлектрический способ основан на принципе фотоэффекта. Внешний фотоэффект наблюдается у металлов и некоторых полупроводников. При падении излучения на поверхность какая-то доля падающего потока поглощается. Энергия поглощенного фотона передается электрону внутри металла; его кинетическая энергия увеличивается. Если она превысит работу выхода, необходимую для преодоления потенциального барьера, то электрон вырывается из металла. Энергия выходящих электронов линейно зависит от частоты падающего излучения, а их число – от числа падающих квантов.
3. способ измерения энергетической освещенности через световые величины
При измерении энергетических величин приемник должен просуммировать излучения всех длин волн, испускаемые источником. Иначе говоря, он должен быть неселективным в пределах всего диапазона, излучаемого источником. Трудно обеспечить с достаточной точностью неселективность в очень широком диапазоне длин волн. Все измерения обычно производят в атмосфере, которая имеет значительное поглощение в различных участках ультрафиолетовой и инфракрасной областей. Дополнительное осложнение состоит в том, что это поглощение зависит от состояния атмосферы и, следовательно, меняется от случая к случаю. Если учесть все трудности, связанные с измерениями в широком спектральном диапазоне, в некоторых случаях может оказаться, что определение энергетических величин, в частности энергетической освещенности, через световые выгодно как с точки зрения точности, так и по соображениям трудоемкости.
Датчики. Датчиками при измерении энергетической освещенности являются приемники излучения (детекторы). До настоящего времени разработано множество типов приемников излучения. Они отличаются друг от друга механизмом действия, чувствительностью, точностью, селективностью к длине волны излучения, степенью сложности устройства. Для различных экспериментов удобны различные приемники. Широкое распространение получили тепловые приемники – приемники, в которых превращенное излучение превращается в тепло и измеряется вызванное этим изменение температуры. Они особенно удобны для измерений в инфракрасной области спектра. Тепловые приемники с некоторой оговоркой можно считать неселективным.
Виды тепловых приемников:
1. термоэлементы;
2. термостолбики;
3. болометры;
4. приемники, основанные на термическом расширении;
5. терморезисторы.
Термоэлемент представляет собой термопару, один из спаев которой нагревается падающим излучением (рис. 5). При наличии излучения спай нагревается, поэтому в цепи возникает разность потенциалов ΔV. Как правило, для термопары используются проволочки, сильно отличающиеся по своим электрическим свойствам. Для получения высокой чувствительности необходимо устранить все бесполезные потери тепла. С этой целью термопару
помещают в откаченные сосуды, окна которых прозрачны для исследуемой радиации.
Термостолбики представляют собой последовательно соединенные термопары.
Болометры в основном используются в инфракрасной области спектра. Действие их основано на изменении сопротивления тонкого проводящего или полупроводящего слоя при изменении его температуры.