что переносит энергию излучение
Излучение
Излучение – передача тепла при помощи электромагнитной энергии.
Задача обучения
Основные пункты
Скорость передачи тепла при излучении вычисляется законом излучения Стефана-Больцмана:
Термины
Излучение
Если вы находитесь возле огня или стоите под Солнцем, то можете ощутить теплопередачу. Однако, само пространство между нашей планетой и звездой пустое, а значит лишено конвекции или проводимости. Здесь тепло передается через излучение.
Горячее тело создает электромагнитные волны, поглощаемые нашей кожей. Для такого «контакта» не нужна среда. В зависимости от длины мы называем их радиоволнами, микроволнами, инфракрасными лучами, видимым светом, ультрафиолетовыми лучами, рентгеновскими и гамма.
Крупная передача тепла осуществляется через инфракрасные лучи. Видимый свет передает лишь небольшую часть тепловой энергии. Конвекция принимает участие по мере подъема горячего воздуха, а проводимость наоборот практически незначительна. Кожа чувствительна и быстро реагирует на инфракрасное излучение, поэтому можно ощущать огонь, не прикасаясь к пламени
Энергия электромагнитного излучения основывается на длине волны, и меняется в широком диапазоне: меньшая длина соответствует более высокой энергии. Это выглядит как:
E = HF = hc/λ (E – энергия, f – частота, λ – длина волны, h – постоянная).
При более высоких температурах излучается больший объем тепла. Например, электрический элемент может менять цвет от красного к оранжевому. В основном вы ощущаете инфракрасное излучение, которое по показателям ниже температуры.
Излучаемая энергия зависит от интенсивности, представленной высотой распределения.
(а) – График спектров электромагнитных волн, создаваемых идеальным источником при трех температурных показателях. Интенсивность (скорость излучения) увеличивается вместе с температурой, а спектр смещается в сторону видимой (заштрихованная) и ультрафиолетовой частей спектра. Переход к ультрафиолету приводит к тому, что видимый свет с красного становится белым и синим. (b) – Перемены цвета соответствуют изменению температуры
Теплопередача
Все тела впитывают или воспроизводят электромагнитные лучи. Скорость определяется по цвету объекта. Максимальная эффективность принадлежит черному, а минимальная – белому. Вы могли заметить, что в жару люди стараются избегать темной одежды.
Идеальный источник излучения именуют черным телом. Оно впитывает все поступающие лучи. На противоположном конце спектра – белый (отражает лучи как зеркало).
Есть связь между температурой темного тела и длиной волны. Это закон смещения Вина:
У серых тел однородная способность поглощать все части электромагнитного спектра. Цветные объекты ведут себя похоже, но процесс выглядит намного сложнее. Можно вспомнить о поглощении кожей инфракрасных лучей.
Хорошие и плохие источники излучения
Темное тело – отлично поглощает и излучает, а вот белый – плох в обоих случаях. Скорость теплоотдачи вычисляется по закону Стефана-Больцмана:
Скорость излучения выступает прямо пропорциональной четвертой степени абсолютной температуры. Кроме того, излучаемое тепло пропорционально площади поверхности тела. Если расшевелите горящие угли, то пламя вспыхнет с новой силой, потому что вы повлияли на площадь.
Чистая скорость теплопередачи
Чистая скорость теплопередачи основывается на температуре тела и его окружающей среды. Допустим, что объект с температурой Т1 окружен средой с однородной Т2. Тогда чистая скорость:
, где е – излучаемая способность объекта
То есть, неважно какого цвета будет окружающая среда, потому что баланс излучения зависит на способности самого тела. Когда T2 > T1, величина Qnet/t – положительна. То есть, чистый перенос тепла происходит от более горячих объектов к более холодным.
Излучение
Содержание
В прошлых уроках вы познакомились с такими видами теплопередачи, как тепловодность и конвекция. И в одном, и во втором случае перенос энергии происходил за счет движения частиц или их групп. Значит, если нет вещества, то эти виды теплопередачи невозможны.
Изучение – вот ответ на наш вопрос. В данном уроке мы познакомимся с процессом излучения на опыте, узнаем его свойства и применение.
Выявление процесса излучения
Рассмотрим следующий опыт (рисунок 1). У нас есть жидкостный манометр и теплоприемник. Соединим их резиновой трубкой между собой.
Нагреем до высокой температуры небольшой кусок металла. С помощью пинцета аккуратно поднесем его к темной стороне теплоприемника (рисунок 1, а).
Уровень жидкости в колене, соединенном с теплоприемником, снизился. Это значит, что воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился.
Мы не воздействовали на теплоприемник никаким другим образом. Очевидно, что ему была передана энергия от нагретого куска металла.
Теплопроводность? Нет. Ведь мы не докасались куском металла до теплоприемника. Конвекция? Тоже нет. Нагретое тело находилось рядом с теплоприемником, но не под ним. Передача энергии в данном случае осуществлялась путем излучения.
Излучение – это вид теплопередачи, при котором перенос энергии происходит преимущественно без переноса вещества.
Свойства излучения
Излучение может осуществляться в полном вакууме.
Чем выше температура тела, тем больше энергии оно передаёт путем излучения.
Вернемся к нашему опыту (рисунок ). Сначала мы повернули теплоприемник к куску металла темной стороной. Теперь повернем его светлой стороной (рисунок 1, б). Теперь столбик жидкости в колене манометра повысился.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела со светлой поверхностью.
Тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью.
Например, в белом чайнике горячая вода дольше сохранит высокую температуру, чем в черном.
Применение
Солнечное излучение используют для того, чтобы добыть использовать солнечную энергию. Солнечные батареи (рисунок 3) позволяют аккумулировать солнечную энергию, преобразовывать ее для дальнейшего использования человеком.
Крылья самолетов, поверхности воздушных метеозондов красят серебристой краской (рисунок 4). Так используют способность тел по-разному поглощать энергию. Делают это для того, чтобы уменьшить нагрев.
Излучение применяют для сушки и нагрева материалов, в приборах ночного видения, в медицине. Далее во время обучения вы более подробно рассмотрите природу этого явления.
Способы передачи тепловой энергии
Передачу тепловой энергии называют теплопередачей. Есть три способа (рис. 1) передачи тепловой энергии:
С помощью теплопередачи можно изменять внутреннюю энергию тел.
Что такое теплопроводность
Теплопроводность — это передача (внутренней) тепловой энергии от одной части тела к другой его части.
Примечание: С помощью теплопроводности можно передавать тепловую энергию от одного тела к другому, если плотно прижать тела друг к другу.
При теплопроводности передается только энергия, а вещество не переносится.
Теплопроводности различных веществ отличаются. Металлы в твердом и жидком состоянии очень хорошо проводят тепло, то есть, обладают высокой теплопроводностью.
Примечание: Медь и серебро – это металлы с очень высокой теплопроводностью.
Но у остальных жидкостей теплопроводность меньше, чему твердых тел.
А у газов, например, у воздуха, теплопроводность очень мала. Поэтому пористые тела, содержащие большое количество газа, хорошо изолируют тепло.
Дом, построенный из пенобетона может иметь более тонкие стены, чем кирпичный дом.
В твердых телах тепло передается только с помощью теплопроводности.
Что такое конвекция и как она происходит
В жидкостях и газах тепло передается только с помощью конвекции. Конвекцио (лат.) – перенос.
Слои жидкости, или газа, имеющие различную температуру, могут самостоятельно перемешиваться. Этот процесс называется конвекцией.
Примечание: Конвекция — это самостоятельное перемешивание слоев жидкости, или газа, имеющих различную температуру.
Располагая руку в нескольких сантиметрах над горящей свечой, из-за конвекции мы можем ощущать тепло.
Как происходит конвекция: Более горячие слои жидкости, или газа, имеют маленькую плотность, поэтому поднимаются вверх, а их место занимают более холодные слои.
Примечание: Чтобы конвекция происходила хорошо, нужно нагревать жидкости и газы снизу.
— в чайнике нагревается вся вода, а не только находящаяся в нижней части чайника;
— воздух в помещении от пола до потолка прогревается батареями отопления, расположенными в нижней части помещения;
— дуют ветры, днем – с моря (дневной бриз), а по ночам – с суши на море (ночной бриз).
Что такое излучение
Излучение – это перенос тепловой энергии без помощи вещества. Поэтому в вакууме тепловая энергия переносится излучением.
Вакуум – это отсутствие молекул вещества в пространстве (глубокий вакуум в космосе), или, наличие небольшого количества молекул газа.
Например, в современных лабораториях можно из-под колокола откачать воздух до состояния, когда в одном кубометре пространства под колоколом будет содержаться всего несколько молекул воздуха.
Все тела могут излучать энергию. Сильно нагретые тела излучают больше энергии, чем более холодные.
Солнце – это большой раскаленный газовый шар, то есть, звезда. Солнце излучает тепло, это тепло через вакуум с помощью излучения переносится на Землю и нагревает ее поверхность и все тела, находящиеся на ней.
Известно, что черные предметы на солнце нагреваются очень быстро, а белые, почти не нагреваются.
По причине излучения более темные тела охлаждаются быстрее, чем белые.
В наши дни широкое распространение получили бытовые инфракрасные обогреватели. Эти обогреватели нагревают окружающие предметы с помощью теплового (инфракрасного) излучения.
Примечание: Теплопроводность и конвекция происходят в веществе. А излучение может переносить тепловую энергию без помощи вещества.
Излучение
Конспект по физике для 8 класса «Излучение». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое излучение. ВСПОМНИТЕ: Что такое теплопроводность? Что такое конвекция?
Излучение
Основным источником тепла на нашей планете является Солнце, которое находится на расстоянии 150 млн. км от Земли. Как же осуществляется теплопередача от Солнца?
ИЗЛУЧЕНИЕ
За пределами земной атмосферы пространство между Землёй и Солнцем содержит очень разреженное вещество. В вакууме перенос энергии путём теплопроводности практически невозможен. Нельзя здесь говорить и о конвекции. Говоря о переносе энергии от Солнца к Земле, мы сталкиваемся с новым видом теплопередачи, который называется излучением. Испускание и поглощение излучения играют огромную роль в нашей жизни. Это излучение называется электромагнитным излучением или электромагнитными волнами и будет изучаться в курсе физики 9 класса. Сейчас же надо отметить, что электромагнитные волны являются одним из видов материи, о котором мы ещё не говорили.
Хорошо нам знакомый солнечный свет также является электромагнитным излучением. Существуют различные технические устройства, которые являются источниками электромагнитного излучения, например микроволновые печи.
При изучении природы излучения были сделаны важные открытия. Одно из них — давление света, т. е. давление, производимое светом на тела, впервые было экспериментально открыто и измерено выдающимся российским физиком П. Н. Лебедевым. Величина этого давления даже для самых сильных источников света ничтожно мала в земных условиях. Для обнаружения давления света Лебедев изготовил специальные приборы и проделал опыты, представляющие замечательный пример искусства эксперимента.
Излучение — третий вид теплопередачи (кроме теплопроводности и конвекции), при котором энергия передаётся не только при наличии вещества, но и в вакууме. Именно излучение является причиной того, что рядом с горящей электрической лампочкой тепло ощущается даже снизу, хотя из-за конвекции потоки тёплого воздуха устремляются вверх.
ТЕРМОСКОП
Рассмотрим работу простого прибора, который называют термоскопом. Он состоит из небольшой колбы, одна сторона которой блестящая, а другая — чёрная или матовая. Если прибор делать самостоятельно, то одну сторону колбы можно просто закоптить. В колбу через пробку вставлена изогнутая трубка, в которую введена небольшая капля подкрашенной жидкости. К трубке прикреплена шкала, позволяющая обнаружить любое нагревание воздуха в колбе, даже если оно мало.
Поднесём к закопчённой поверхности термоскопа нагретое до высокой температуры тело. При этом столбик подкрашенной жидкости переместится на несколько делений вправо. Это означает, что воздух в колбе нагрелся и расширился. Причиной нагревания воздуха в термоскопе может быть только передача ему энергии от нагретого тела.
Энергия в описанном опыте передавалась не в результате теплопроводности, так как между нагретым телом и термоскопом находится воздух — плохой проводник тепла. Конвекция здесь тоже не происходила, так как термоскоп находится рядом с нагретым телом, а не над ним. В данном случае энергия передавалась путём излучения.
ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРА ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Все тела окружающего нас мира излучают энергию независимо от их температуры. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передаёт оно путём излучения.
Пока температура тела невысока, оно излучает энергию, но не светится, т. е. испускает только тепловые волны, невидимые для глаза. При повышении температуры оно начинает светиться сначала красным, затем оранжевым, жёлтым и т. д. цветом. Например, при температуре 6000 °С больше всего излучается жёлтых лучей. Именно по этому признаку определили температуру поверхности Солнца.
ОТРАЖЕНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, часть его отражается, а часть поглощается.
При поглощении энергия излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.
Светлые и тёмные поверхности тел поглощают излучение по-разному. Этот факт легко проверить с помощью термоскопа.
Повторим описанный выше опыт, но в этот раз поднесём нагретое тело к светлой стороне колбы. Столбик жидкости в этом случае переместится на гораздо меньшее расстояние.
Таким образом, тела со светлой поверхностью хуже нагреваются при теплопередаче путём излучения, чем тела с тёмной поверхностью. Происходит это вследствие того, что тёмные тела лучше поглощают энергию, а тела, имеющие светлую или блестящую поверхность, лучше отражают.
Способность тел по-разному поглощать и отражать энергию излучения часто используется в быту и технике. Самолёты красят серебристой краской для того, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами.
Если используют солнечную энергию для нагревания, то соответствующие части приборов окрашивают в тёмный цвет. Это касается таких приборов, как солнечные батареи и ёмкость для воды в летнем душе.
Излучение тел даже с низкой температурой может быть зарегистрировано специальными приборами, называемыми тепловизорами. Эти приборы также называются приборами ночного видения и широко применяются для навигации, в медицине и в военном деле.
В быту часто используется термос. Он применяется для сохранения пищевых продуктов при определённой температуре.
Термос состоит из сосуда с двойными стенками, поверхность которых покрыта блестящим металлическим слоем. Из пространства между стенками выкачан воздух, что предотвращает и конвекцию, и теплопроводность. Металлический слой, отражая излучение, препятствует передаче энергии.
Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Излучение».
Электромагнитные волны
теория по физике 🧲 колебания и волны
Вспомним, что волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве. Механическая волна представляет собой колебания, распространяющиеся в вещественной среде. Тогда электромагнитная волна — это электромагнитные колебания, которые распространяются в электромагнитном поле.
Как появляются и распространяются электромагнитные волны
Представьте себе неподвижный точечный заряд. Пусть его окружают еще много таких зарядов. Тогда он будет действовать на них с некоторой кулоновской силой (и они на него). А теперь представьте, что заряд сместился. Это приведет к изменению расстояния по отношению к другим зарядам, а, следовательно, и к изменению сил, действующих на них. В результате они тоже сместятся, но с некоторым запаздыванием. При этом начнут смещаться и другие заряды, которые взаимодействовали с ними. Так распространяется электромагнитные взаимодействия.
Теперь представьте, что заряд не просто сместился, а он начал быстро колебаться вдоль одной прямой. Тогда по характеру движения он будет напоминать шарик, подвешенный к пружине. Разница будет только в том, что колебания заряженных частиц происходят с очень высокой частотой.
Вокруг колеблющегося заряда начнет периодически изменяться электрическое поле. Очевидно, что период изменений этого поля, будет равен периоду колебаний заряда. Периодически меняющееся электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле. Это магнитное поле, в свою очередь, будет создавать переменное электрическое поле, но уже на большем расстояние от заряда, и т.д. В результате появления взаимно порождаемых полей в пространстве, окружающем заряд, возникает система взаимно перпендикулярных, периодически меняющихся электрических и магнитных полей. Так образуется электромагнитная волна, которая распространяется от колеблющегося заряда во все стороны.
Электромагнитная волна не похожа на те возмущения вещественной среды, которые вызывают механические волны. Посмотрите на рисунок. На нем изображены векторы напряженности → E и магнитной индукции → B в различных точках пространства, лежащих на оси Oz, в фиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды при этом не появляется.
В каждой точке пространства электрические и магнитные пол меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее ее достигнут колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами. Колебания векторов → E и → B в любой точке совпадают по фазе.
Длина электромагнитной волны — расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах.
Длина электромагнитной волны обозначается как λ. Единица измерения — м (метр).
Обратите внимание на рисунок выше. Векторы магнитной индукции и напряженности поля, являющиеся периодически изменяющимися величинами, в любой момент времени перпендикулярны направлению распространения волны. Следовательно, электромагнитная волна — поперечная волна.
Условия возникновения электромагнитных волн
Электромагнитные волны излучаются только колеблющимися заряженными частицами. При этом важно, чтобы скорость их движения постоянно менялась, т.е. чтобы они двигались с ускорением.
Наличие ускорения — главное условие возникновения электромагнитных волн.
Электромагнитное поле может излучаться не только колеблющимся зарядом, но и заряженной частицей, перемещающейся с постоянно меняющейся скоростью. Интенсивность электромагнитного излучения тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.
Представим заряд, движущийся с постоянной скоростью. Тогда создаваемые им электрическое и магнитное поля будут сопровождать его как шлейф. Только при ускорении заряда поля «отрываются» от частицы и начинают самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.
Впервые существование электромагнитных волн предположил Максвелл, который посчитал, что они должны распространяться со скоростью света. Но экспериментально они были обнаружены лишь спустя 10 лет после смерти ученого. Их открыл Герц. Он же подтвердил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света: c = 300 000 км/с.
Плотность потока электромагнитного излучения
Излученные электромагнитные волны несут с собой энергию. Рассмотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию.
На рисунке выше прямые линии указывают направления распространения электромагнитных волн. Это лучи — линии, перпендикулярные поверхностям, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах. Такие поверхности называются волновыми поверхностями.
Плотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность волны — отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время Δt.
Плотность потока электромагнитного излучения обозначается как I. Единица измерения — Вт/м 2 (ватт на квадратный метр). Поэтому плотность потока электромагнитного излучения фактически представляет собой мощность электромагнитного излучения, проходящего через единицу площади поверхности.
Численно плотность потока электромагнитного излучения определяется формулой:
Выразим I через плотность электромагнитной энергии и скорость ее распространения с. Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей cΔt (см. рисунок ниже).
Объем цилиндра: ΔV = ScΔt. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: ΔW = w cΔtS. Вся эта энергия за время Δt пройдет через правое основание цилиндра. Поэтому получаем:
Следовательно, плотность потока электромагнитного излучения равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.
Точечный источник излучения
Источники излучения электромагнитных волн могут быть весьма разнообразными. Простейшим является точечный источник.
Точечный источник — источник излучения, размеры которого много меньше расстояния, на котором оценивается его действие.
Предполагается, что точечный источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью. В действительности таких источников не существует. Но за такие источники излучения можно принять звезды, так как расстояние между ними существенно больше размеров самих звезд.
Энергия, которую переносят электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, передаваемая через поверхность единичной площадки за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника.
Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.
Зависимость плотности потока излучения от частоты
Напряженность электрического поля и магнитная индукция электромагнитной волны пропорциональны ускорению заряда. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция также пропорциональны квадрату частоты:
Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как это можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. Поэтому плотность потока излучения I пропорциональна:
Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты. Так, при увеличении частоты колебаний зарядов в 2 раза энергия, излучаемая ими, возрастает в 16 раз. При увеличении частоты в 3 раза, энергия излучения увеличивается в 81 раз, и т.д.
Пример №3. Частота электромагнитной волны уменьшилась в 4 раза. Найти, во сколько раз изменилась плотность потока излучения.
Так как плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты, мы можем найти плотность потока излучения путем извлечения корня из числа 4 дважды:
Плотность потока излучения уменьшилась в 1,4 раза.
Свойства электромагнитных волн
Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой частотой. Принятый сигнал после детектирования подается на громкоговоритель.
| Свойство 1 — Поглощение электромагнитных волн | |
 | Если расположить рупоры друг против друга и добиться хорошей слышимости звука в громкоговорители, а затем поместить между ними диэлектрик, звук будет менее громким. |
| Свойство 2 — Отражение электромагнитных волн | |
 | Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то звук перестанет быть слышимым. Волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к большому металлическому листу. Звук исчезнет, если убрать лист или повернуть его. |
| Свойство 3 — Преломление электромагнитных волн | |
 | Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют затем призмой. Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука. |
| Свойство 4 — Поперечность электромагнитных волн | |
 | Поместим между генератором и приемником решетку из параллельных металлических стержней. Решетку расположим так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен стержням, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка начинает отражать волны, подобно сплошной металлической пластине. Когда же вектор перпендикулярен стержням, токи в них не возбуждаются и электромагнитная волна проходит через решетку. |
Шкала электромагнитных волн
Электромагнитные волны имеют большое разнообразие. Они классифицируются по длине волны λ или связанной с ней частоте ν. Шкала электромагнитных волн включает в себя:
Укажем частоты и длины указанных волн, а также их подробную классификацию в таблице.
Частоты и длины волн электромагнитного излучения видимого спектра смотрите на рисунке ниже.
