5-3.온도방사의 파장에 대해서

히터로부터 주로 근적외선이 나올 것인가, 원적외선이 나올지는, 그 소재가 아니고 발열체의 온도로 거의 결정됩니다. 방사되는 전자파의 피크 파장λm은 발열체의 온도를 T℃로 하면

피크 파장λm=2896/ (T+273)μm 빈의 변위 법칙(Wien’s displacement law)

상기의 식보다 각온도에서의 방사 파장의 피크를 요구하면 〔그림-발열체온도와 방사 파장의 피크치 관계〕의 모양이 됩니다. 이 방사 파장을 피크로서 단파장측에도 장파장측에도 폭넓게 분포됩니다. 단파장측은 피크 파장에 1/3정도까지입니다만, 장파장측은 5배정도까지 나오고 있습니다. 물론 플랑크의 식을 보면 알게 실제로는 더 넓은 범위에서 분포되어 있습니다만, 수치가 극단적으로 작아지므로, 대부분 의미는 없습니다. 유효한 것은 피크 파장에 0.5∼3배정도이지요. →아랫 그림 참조

온도방사의 파장에 대해서1

온도방사의 파장에 대해서2

윗그림의 온도단위 [K]은 절대온도. 이제부터 273을 끌어 들이면 섭씨[℃]이 됩니다. 300 [K]의 그래프가 상온 27도이며, 인체로부터의 방사(체온)은 이것에 가깝다. 3000 [K]의 그래프가 할로겐 램프의 방사에 상당합니다.

복사는 대수눈금이므로 피크 위치보다 1눈금 내려가면 1/10이 되고, 2눈금아래에서는 1/100이 됩니다. 따라서 실질적으로 의미가 있는 방사 범위는 피크에서 1눈금아래정도까지의 범위입니다.

윗그림으로부터 아는 도록(것같이) 고온도의 발열체로부터 장파장의 방사가 없는 것이 아닙니다. 오히려 장파장의 방사도 고온 정도 많아집니다. 단지 비율이 적은 것 만큼입니다.

복사가 윗그림 그래프의 값을 넘을 수는 없습니다. 모든 파장영역에서 방사율이 100%의 때 (흑체)로 윗그림의 값이 되고, 현실의 물질은 방사율이 반드시 100%미만이므로, 윗그림 그래프보다도 모든 파장으로 낮아집니다. 또 현실의 물질은 방사율의 파장의존이 일정해서는 없으므로, 윗그림 그래프의 산 형과 완전히 상사형이라고 할 리도 없습니다만, 기본적으로는 거의 윗그림 그래프의 형이 되고, 물체의 조성 등에 의한 차이는 얼마 안됩니다.

상기 밑 「온도복사와 파장분포」는 이하로 설명하게 「플랑크의 법칙」에 의해 요구됩니다만, 계산은 상당히 번거로우므로 실용상은 상기 그래프를 이용하는 것 만이라도 좋다고 생각합니다.

흑체에 있어서의 단위면적·단위파장당의 방사에너지 밀도 W (λ, T)은

W(λ,T) = 8πhc/λ5/( exp( hc/λkT ) -1)  [w/m2]

   λ:파장 [m]
   T:흑체의 온도 [K]
   c:광속 3×108 [m /s]
   k:볼츠만 정수 1.3807×10-23 [J/K]
   h:프랑크 정수 6.626×10-34 [J·s]

위식을 C1, C2을 사용해서 면

   C1(방사 제1상수)=2πhc2=3.7427×10-16 [W ·m2]
   C2(방사 제2상수)=hc/k=0.014388 [m ·k]

   W(λ, T)=C1/λ5/ (exp(C2/λ/T)-1) [w/m2]

광자(포톤) 1개의 에너지는 pe=hν=hc/λ
   1/( exp( hc/λkT )- 1)은 평균 광자수

이하는 「온도복사와 파장분포」의 좀 더 자세히 보기 쉬운 자료입니다. 복사의 단위가 전번의 자료와는 다르고, 단위입체모서리(뿔)당의 방사 [w/cm^2/sr/μm]이 되고 있으므로, 평면에서의 총방사에 고치기 위해서는 ×2π 할 필요가 있습니다.

가시빛은 약0.4∼0.8μm의 범위입니다. 약0.4μm이하를 자외선이라고 부르고, 0.8μm이상을 적외선이라고 부르고 있습니다. 약4μm이상을 원적외선, 그것이하를 근적외선과 분류할 경우가 있습니다만, 이 분류에 그다지 대단한 의미는 없습니다. 빛이 열로 변하는 메커니즘도 같습니다. 적외선에는 열로 변하는 것이외의 활동은 완전히 없습니다.

온도방사의 파장에 대해서3

온도방사의 파장에 대해서4

※할로겐 램프의 방사 특성(계산 예상 값)그래프의 적선은 2600K의 흑체 방사합니다. 온도 1은 3200K의 할로겐 램프(수명200시간)의 물건입니다.

 온도 2은 2900K (수명2000시간)의 물건입니다. 온도 3은 2600K (수명5000시간이상)의 물건입니다. 이것들은 흑체 방사에 텅스텐의 방사율 특성과 석영 글라스 밸브의 투과 특성을 반영시킨 것입니다. 주로 텅스텐(발광체재료)의 방사율 특성에 의해 동온도의 흑체 방사보다도 총방사로 1/3이하가 됩니다.

 또 장파장 정도 방사율이 떨어진다고 하는 텅스텐의 특성과, 약4μm이상의 파장을 솎지 않는다라고 하는 석영 유리의 특성에 의해, 4μm이상의 파장은 거의 제로가 되고 있습니다.

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석영 유리에는 표면반사가 7% 있어, 투과율은 93%입니다. 석영 유리는 가시빛영역에서의 흡수는 대부분 없습니다. 다른 재료도 7%정도는 표면반사가 있으므로, 흡수율은 그것을 빼서 생각할 필요가 있습니다. 순수한 석영은 통신용 광섬유로서 사용되고 있습니다. 이것은 몇십km도 신호를 보낼 수 있을 만큼 완전히 가까운 투명체입니다.

아랫 그림은 광학재료나 실리콘, 게르마늄의 분광 투과 특성입니다.

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