赤外線カメラ:黒体とは何ですか?

黒体は、サーモグラフィで非常に役立つ物理学の概念の1つです。実際、それは赤外線画像の基礎です。物体の黒体放射を監視することで、赤外線イメージングが想像をはるかに超える高さにまで拡大しました。

たとえば、黒体放射を基準として保持することにより、天文学者は星の誕生と宇宙でのブラックホールの形成を決定できます。確かに、それは日常の概念ではありません。しかし、時間をかけて黒体の核心に頭を巻き付けると、赤外線カメラの検出の過程で限界を押し上げるのに役立ちます。

熱画像に関してより広く使用されている用語は放射率です。簡単に言えば、放射率は、赤外線を放射するオブジェクトの能力の尺度にすぎません。荒れ狂う火山の最も熱い内部から北極圏の最も冷たい氷の塊まで、地球上のすべての物体の放射率は0から1の範囲であり、1が完全な放射率です。多くの人が知らないのは、放射率が黒体放射の関数であるということです。

 

黒体、マックスプランク、アルバートアインシュタイン

簡単に言えば、オブジェクトは、入射する放射エネルギー(つまり、光)のすべてのインスタンスを吸収し、そのエネルギーを反射せずにオブジェクトに当たる場合、黒体と見なされます。この用語は、入射光が小さな方法で反射されるのではなく、完全に吸収されるときに発生します。したがって、そのような表面は黒く見えます。ただし、技術的には、完全な黒体は本質的に理論上のものです。

黒体の概念は、電磁エネルギーの放射の研究に役立ちました。これの何よりも プランクの量子論 これは、吸収された後、さまざまな波長(つまり、電磁スペクトル)にわたるエネルギーがどのように再放出されるかを説明しています。

 

Electromagnetic Spectrum

図。 1:電磁スペクトル

したがって、デモンストレーションとして、実用的な黒体は、内部が黒くなったボックスの小さな穴です。その穴に入る光は決して逃げないので、それは光が完全な黒体によってどのように吸収されるかを示しています。黒くなった内部は光を閉じ込めるのに役立ちます。実際には、ランプブラックまたは煤で覆われた固体表面は、すべての光の約97%を吸収し、ほぼ完全な黒体になります。

スペクトルの反対側では、磨かれた金属はそれに当たる光の約94%を反射します。それは光の6%を吸収するので、そのような金属は貧弱な黒体です。繰り返しになりますが、完全な黒体は主に架空のものであることに注意する必要があります。そのため、光エネルギーを完全に吸収するだけでなく、そのようなエネルギーを完全に放出することもできます。地球上のほとんどの物体は灰色の物体と見なされ、それらに降り注ぐ放射エネルギーのすべてを吸収することはできません。

黒体と黒体放射のアイデアは何世紀にもわたって存在していましたが、科学者たちはその性質について困惑していました。具体的には Gustav Kirchoff (1824-1887)1860年に黒体という言葉を概念化して造語しました。しかし、1つは、ドイツの物理学者自身が、黒体から放出される電磁放射の強度が黒体の温度と放射の周波数にどのように依存するかについて混乱していました。

多くの科学者は、黒体と黒体放射の間に明確な関係を確立しようとしましたが、失敗しました。多くの実験が検討されましたが、達成された実験値を説明できる単一の理論はありませんでした。ワインの理論 Wilhelm Wein (1864-1928)、別のドイツの物理学者は、高周波での放射線の振る舞いを正しく予測しましたが、より低い周波数での振る舞いを説明することができませんでした。

少なくともまでは Max Planck (1858-1947)、ベルリンの物理学教授は、争いに指を浸した。彼の前任者を研究して、おそらく歴史上最初の真の青い理論物理学者であるドイツの理論物理学者は、1899年の世紀の変わり目に量子エネルギーを世界に導入しました。エネルギーの不可分な量子単位の概念は彼に物理学の高貴な賞を獲得しました1918年に。そしていくつか。

エネルギーの量子論は黒体放射の性質を説明しただけでなく、物理学にも革命をもたらしました。そんなに、量子物理学はアルバートの基礎になりました 1905年のアインシュタインの特殊相対性理論 それが今度は科学の基礎を根底から揺さぶった。

アインシュタインとプランクは良い友達でした。多くの場合、アルバートはマックスの家を訪れて音楽を演奏していました。両方ともピアノを弾いた。ここで言及されているすべてのドイツの科学者は、彼らの前の科学者に基づいて貢献を築いてきました。すべてに少なくとも1つが授与されました 科学のためのノーベル賞

 

黒体放射率と放射率

黒体放射は、特定の温度で物体から放出される熱放射です。この放射は塊から放出されるため、調査対象の温度を検出できます。もちろん、放射は、画像を生成し、熱特性を指定するためのサーモグラフィの基礎になります。

ただし、サーモグラフィが正確であると見なされるには、考慮しなければならない要素があります。起動するには、放射率を考慮する必要があります。定義されているように、放射率は、放射によって熱を放出する材料の表面の相対的な能力です。この点で、完全な黒体は完全な放射率を持っています。吸収された熱を放射の形で放出するその能力は完全です。したがって、すべてのオブジェクトを黒体の放射率と比較して、熱放射の放出にどれほど効果的かを知る必要があります。方程式の形で:

 

放射率(౯)=物体の放射エネルギー/黒体の放射エネルギー

その特定のオブジェクトの正確な放射率に到達するには、黒体とオブジェクトの両方が同じ温度である必要があることに注意する必要があります。また、黒体の放射エネルギーは合計であるため、オブジェクトの放射エネルギーは黒体の放射エネルギーよりもはるかに小さいはずです。したがって、オブジェクトの放射率は0から1の範囲になります。

 

黒体の放射率は1です。一方、エネルギーの完全な反射体の放射率は0です。地球上のほとんどのオブジェクトは「灰色の物体」です。つまり、彼らは黒体放射全体のほんの一部しか放出できません。

The emissivity of a Perfect Black Body

図2.完全な黒体の放射率。

そのため、水はほぼ完全な放射率または1に近い放射率を持っています。同じことがほとんどの植生にも当てはまります。ただし、金属と鉱物の放射率は1未満です。考えてみると、以下は最も一般的な日常の放射率の一部です。

材料

放射率

0.97

0.95

土壌(飽和)

0.95

土壌(乾燥)

0.92

コンクリート

0.92

ガラス

0.92

0.9

0.8

アルミニウム(アルマイト)

0.77

アルミ(磨き)

0.05

 

アルミニウムに2つの放射率がある理由に驚かれるかもしれません。材料の放射率は、その表面の性質にも依存することに注意してください。研磨されたアルミニウム金属は、酸化されているが粗い金属表面よりも放射率が低くなります。

したがって、放射率を考慮することが重要です。放射率が異なるため、2つのオブジェクトの温度が同じでも、サーマルカメラの出力の温度測定値が異なる可能性は間違いありません。

オブジェクトの放射率が低いほど、オブジェクトの温度の熱測定値の精度が低くなります。したがって、放射率が低いということは、オブジェクトがその真の温度を伝える能力が低いことを意味します。あなたはその温度を見つけるより良い仕事をするために言われたオブジェクトの放射率を調整する方法を見つけなければならないでしょう

幸いなことに、ほとんどの保守検査作業は、本質的に比較および定性的です。これは、問題のオブジェクトの正確な温度測定値を知る必要がないことを意味します。経験則として、放射率が0.6以下のオブジェクトでは、信頼性の高い結果が得られないことに注意してください。通常、光沢のある金属はそのような貧弱な範囲を示します。

 

星へ、黒体を通して

実際、黒体放射は惑星の半球内だけでなく、天体や天文学の研究においても左、右、中央に不可欠でした。惑星や星は完全な黒体ではないことに注意してください。さらに、それらは周囲と熱平衡状態にありません。しかし、黒体放射は、天体が放出するエネルギーの測定に役立ちます。

ブラックホールは、黒体に最も近い天文現象です。ブラックホールを銀河の超磁石と考えてください。重力が非常に強いので、何も逃げられない場所です。宇宙の謎のリストがあった場合、ブラックホールのインとアウトはリストの一番上に表示される必要があります。

そしてそうです、アインシュタインの一般相対性理論はブラックホールの振る舞いを予測することに成功しています。それは、黒体がいかに重要であるかを示しています。


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