Поглощательная способность: определение, значение показателей
Поглощательная способность - важная характеристика тел, от которой зависит их взаимодействие с электромагнитным излучением. Чем выше эта способность, тем больше энергии тело может поглотить из падающего на него светового потока. А значит, быстрее нагреется или охладится. Давайте разберемся, как определяется поглощательная способность, от чего зависит и где находит применение на практике.
Определение поглощательной способности
Поглощательная способность показывает, какая часть энергии падающего на тело электромагнитного излучения поглощается этим телом. Она выражается отношением поглощенной энергии к падающей энергии для заданной частоты или длины волны излучения:
Поглощательная способность = Поглощенная энергия / Падающая энергия
Иначе говоря, это доля падающей на тело энергии излучения, которая поглощается им. Поглощательная способность измеряется в относительных единицах и принимает значения от 0 до 1. Чем ближе ее значение к единице, тем лучше тело поглощает излучение данной частоты.
Сравнение с другими характеристиками
Поглощательную способность часто путают с коэффициентом поглощения. Но между ними есть важное отличие:
- Коэффициент поглощения показывает, какая доля излучения поглощается внутри тела при прохождении через него.
- Поглощательная способность относится только к поверхности тела и характеризует поглощение именно там.
Кроме того, в отличие от поглощательной способности, коэффициент поглощения не зависит от угла падения лучей на поверхность.
Факторы, влияющие на поглощательную способность
На величину поглощательной способности тела влияют следующие факторы:
- Материал и структура тела. Черные металлы, например, хорошо поглощают излучение в видимом и инфракрасном диапазонах. Пластмассы и полимеры пропускают бо́льшую часть видимого света.
- Температура. С ростом температуры поглощательная способность возрастает для большинства материалов.
- Длина волны и частота излучения. Материалы избирательно поглощают излучение разных частот.
- Угол падения. С увеличением угла падения лучей поглощательная способность растет.
Кроме того, на поглощательную способность может влиять шероховатость и обработка поверхности, а также геометрическая форма тела.
Поглощательная способность различных материалов
| Материал | Поглощательная способность |
| Алюминий | 0,04-0,07 |
| Медь | 0,02-0,06 |
| Сталь | 0,20-0,40 |
| Чугун | 0,60-0,70 |
| Кирпич | 0,85 |
Как видно из таблицы, поглощательная способность сильно зависит от материала. Металлы обладают невысокой способностью к поглощению излучения, зато такие материалы как кирпич, чугун или асфальт могут поглощать до 80-90% падающей на них энергии.
Это свойство используется, к примеру, при разработке различных теплоизоляционных материалов и покрытий. Высокая поглощательная способность помогает быстро нагревать поверхность тела.
Связь поглощательной и излучательной способностей
Между поглощательной и излучательной способностями тела существует определенная связь. Эту связь выражает закон Кирхгофа:
Отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при одинаковой температуре и не зависит от их свойств.
Иными словами, это отношение является универсальной функцией только температуры и длины волны.
Применимость закона Кирхгофа
В точном виде закон Кирхгофа выполняется для тел в состоянии термодинамического равновесия с окружающим излучением. Но на практике его часто используют и для тел, не находящихся в равновесии.
Исключения из закона
Существуют ситуации, когда соотношение между поглощательной и излучательной способностями по закону Кирхгофа не выполняется:
- Лазерное или когерентное излучение
- Флуоресценция и фосфоресценция
- Явление просветления в полупроводниках
В этих случаях излучение тела происходит не за счет тепловой энергии, а обусловлено другими процессами.
Измерение поглощательной способности
Для измерения поглощательной способности используют специальные оптические установки. В общем виде схема измерения выглядит так:
спектральная поглощательная способность серого тела
У серых тел поглощательная способность не зависит от длины волны или частоты падающего излучения. Поэтому их спектральная поглощательная способность постоянна.
В отличие от серых тел, у других материалов поглощательная способность сильно меняется в зависимости от частоты. Например, металлы имеют высокую спектральную поглощательную способность в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.
Приборы для измерения поглощательной способности
Для измерения поглощательной способности применяют следующие приборы и установки:
- Спектрофотометры
- ИК-фурье спектрометры
- Спектрорадиометры
- Установки для измерения интегральной поглощательной способности
Наиболее распространены спектрофотометры, позволяющие автоматически измерять спектральную зависимость коэффициента отражения или пропускания образца, а затем рассчитать поглощательную способность.
Порядок измерений
Измерение поглощательной способности включает следующие этапы:
- Подготовка образца
- Калибровка прибора
- Размещение образца в измерительной камере
- Регистрация спектра пропускания или отражения
- Расчет поглощательной способности
Перед измерением образец тщательно очищают и полируют. Затем проводят калибровку прибора по эталонам.
Обработка результатов
Полученные данные о пропускании или отражении обрабатываются в соответствии с формулами для расчета поглощательной способности. Строятся спектральные кривые.
Для повышения точности измерения проводят многократно, варьируя условия. Затем усредняют результаты и анализируют погрешности.
Точность измерений поглощательной способности
На точность измерения поглощательной способности влияют следующие факторы:
- Неоднородность и нестабильность образца
- Погрешности расчетов и калибровки прибора
- Внешние условия (температура, влажность)
- Собственное излучение испытательного оборудования и помещения
Для уменьшения погрешностей измерений необходимо:
- Тщательно подготавливать и контролировать свойства образцов
- Регулярно калибровать приборы эталонными источниками излучения
- Поддерживать постоянную температуру в рабочей зоне
- Устранять паразитные излучения с помощью экранов и фильтров
При строгих методиках и использовании высококачественного оборудования можно добиться погрешностей измерения поглощательной способности в пределах 1-2%.
Источники погрешностей
Основные источники погрешностей измерения поглощательной способности:
- Неоднородность образца по составу и структуре
- Изменение параметров образца со временем
- Неточности юстировки оптической схемы
- Помехи от фона и паразитного излучения
Для снижения неопределенности результатов необходим тщательный выбор методик и испытательного оборудования.