Temperaturstrahlung
Jeder Körper, dessen Temperatur oberhalb des
absoluten Nullpunktes liegt, d.h. -273°C oder auch 0°K, strahlt
Energie in Form elektromagnetischer Strahlung ab. Diese Tatsache
geht bis auf die Quantentheorie zurück, d.h. durch die
magnetische Wechselwirkung der inneren Ladungsenergien zwischen
Atomkern und Elektronen werden Eigenschwingungen im Raumgitter
erzeugt, die als elektromagnetische Strahlung emittiert werden.
Bei -273°C tritt keinerlei elektromagnetische Strahlung mehr auf
und dieser Punkt wird deshalb als absoluter Nullpunkt definiert.
Die Infrarotstrahlung ist ein Teil des gesamten
elektromagnetischen Spektrums. Da nach Planck die Intensität der
Strahlung speziell im IR-Bereich als ein verbindliches Maß für
die absolute Temperatur des strahlenden Objektes gilt, wird für
die berührungslose Temperaturmessung nur dieser Bereich genutzt.
Strahlungsgesetze
Kirchhoffsches Gesetz
Das Kirchhoffsche Gesetz stellt den
Zusammenhang zwischen einem schwarzen Strahler und einem realen
Strahler her. Es wird die Strahlleistung eines beliebigen
Strahlers mit der eines schwarzen Strahlers, gleicher Fläche, im
gleichen Raumwinkel und für den gleichen Wellenlängenbereich
verglichen. Der Emissionsgrad ist das Verhältnis vom realen zum
schwarzen Strahler. Dabei ist M(sk) die spezifische
Ausstrahlung des schwarzen Körpers bei einer absoluten
Temperatur T.
Für alle Körper gilt, daß in Abhängigkeit von
der Temperatur T und Wellenlänge l
der Emissiongrad e gleich dem
Absorptionsgrad a ist.
Stefan-Boltzmann Gesetz
Die von einem Körper auf Grund seiner
Temperatur ausgehende Strahlung besitzt eine Leistung P
(einen Strahlungsfluß F ), die der
Größe der strahlenden Fläche A und der 4. Potenz der
Körpertemperatur T proportional ist. Den
Proportionalitätsfaktor bezeichnet man als
Stefan-Boltzmann-Konstante.
Es gilt dann also:
Strahlungsgesetz von Planck
Es beschreibt die Strahlungsleistung eines
schwarzen Strahlers als Funktion der Temperatur T und der
Wellenlänge l .
Es gilt:
wobei
dPl die
abgestrahlte Leistung im Wellenlängenbereich
l bis l +dl
ist.
h Plancksches Wirkungsquantum (=
6,626x10-34 Js)
cO Lichtgeschwindigkeit (=
2,998x108 m/s)
l
Wellenlänge der Strahlung
dl
Intervallbreite
k Boltzmann-Konstante (= 1,381x10-23
J/K)
T Temperatur des Strahlers
A Fläche des Strahlers
ist.
Wie aus obiger Darstellung ersichtlich, verschiebt sich das
Maximum der spezifischen Ausstrahlung mit steigender Temperatur
zu kürzeren Wellenlängen hin.
Wiensches Verschiebungsgesetz
Das Wiensche Verschiebungsgesetz lässt sich
durch Differenzieren des Planckschen Strahlungsgesetzes
herleiten. Demnach hat die ausgesandte Strahlungsleistung eines
schwarzen Körpers als Funktion der Wellenlänge ein Maximum,
dessen Lage von der Temperatur des Strahlers abhängt. Mit
steigender Temperatur erhöht sich die Energie der Ausstrahlung
und das Maximum der Ausstrahlung verschiebt sich zu kürzeren
Wellenlängen hin. Zwischen der Temperatur und der Wellenlänge
des Strahlungsmaximums besteht folgende Beziehung:
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