Закон вина смещения

Выше было показано (при выводе закона Кирхгофа), что для определения излучательной способности любого тела необходимо знать две величины: поглощательную способность данного тела и способность к излучению у абсолютно черного тела.

Экспериментальное получение спектров черного излучения основано на излучении полости равномерно нагретых тел. Если сделать в стенке полости малое отверстие, то через него будет происходить излучение, тождественное излучению абсолютно черного тела.

Если заменить в уже известном нам уравнении Кирхгофа спектральную поверхностную яркость излучения через объемную спектральную плотность, то для неполяризованного однородного изотропного излучения уравнение будет иметь следующий вид:

где -объемная спектральная плотность излучения абсолютно черного тела, -поверхностная спектральная яркость абсолютно черного тела, с — скорость света.

Объемная интегральная плотность излучения для сплошного спектра, охватывающего все частоты от до связана со спектральной объемной плотностью излучения соотношением:

Экспериментальное изучение спектров абсолютно черного тела показало, что объемная спектральная плотность излучения является функцией температуры и частоты. Если отложить по оси ординат объемную спектральную плотность, а по оси абсцисс — частоту, то для разных температур спектры черного

излучения графически расположатся, как показано на рисунке 31, где энергетический максимум спектра с повышением температуры смещается в сторону больших частот.

Первые теоретические работы по раскрытию вида функции принадлежат Михельсону и Вину. Последний при этом воспользовался, кроме термодинамики, электромагнитной теорией света. Работы Вина показали, что без гипотезы о молекулярном механизме излучения и поглощения, пользуясь только законами термодинамики и электромагнитной теорией света, невозможно раскрыть вид функций

Вину удалось свести функцию объемной спектральной плотности черного излучения к следующему виду:

где частота, абсолютная температура.

Таким образом, он свел функцию двух переменных к функции одной переменной Несмотря на то, что в формуле Вина присутствует неявная функция с ее помощью можно получить ряд количественных соотношений.

I. Из формулы выводится закон Стефана — Больцмана. Так, подставив в (33,3а) объемную спектральную плотность из формулы Вина, получаем:

Если ввести новую переменную то найдем, что

Наконец, обозначив величину, получающуюся при вычислении определенного интеграла, через а, мы получим закон Стефана — Больцмана:

II. Формула Вина позволяет получить закон, называемый «законом смещения Вина», который описывает смещение

энергетических максимумов в спектре черного излучения с изменением температуры. Условие максимума на основании формулы Вина запишется так:

Если сократить в этом уравнении то будем иметь:

Вводя новую переменную получим:

Решая это уравнение, получим для какое-то постоянное значение тогда:

Уравнение и выражает собой закон смещения Вина, по которому отношение частоты, на которую приходится энергетический максимум в спектре черного излучения, к абсолютной температуре является величиной постоянной. Однако этот закон обычно записывают в другом виде, заменяя частоту в (33,3 б) из соотношения Получим:

где постоянная величина.

Таким образом, закон смещения Вина гласит, что длина волны, отвечающая максимальной энергии в спектре черного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре.

III. Формула Вина позволяет но заданной кривой распределения энергии для какой-нибудь одной температуры вычислить кривую для любой другой температуры.

Пусть дана кривая для температуры Требуется вычислить кривую для температуры Используя условие, по формуле Вина вычисляем:

Следовательно, чтобы получить кривую по заданной кривой, необходимо умножить ординату каждой точки кривой на отношение

Раскрытие вида функции черного излучения, удовлетворяющей экспериментальным данным, принадлежит Планку. При выводе этой формулы Планку пришлось предположить, что энергия микроскопической системы может принимать только определенные дискретные значения. Следовательно, для объяснения механизма излучения и поглощения света оказалось необходимым ввести квантовые представления.

А так как они выходят за рамки термодинамических представлений, вывод формулы Планка мы в настоящей книге рассматривать не будем.

Закон вина смещения

В 1893 году немецкий ученый Вильгельм Вин рассмотрел задачу об адиабатическом сжатии излучения в цилиндрическом сосуде с зеркальными стенками и подвижным зеркальным поршнем. При движении поршня энергия излучения единицы объема (плотность энергии) будет возрастать по двум причинам:

  • за счёт уменьшения объема (общая величина энергии постоянна);
  • за счёт работы, совершаемой поршнем против давления излучения.

Однако, в силу эффекта Доплера (увеличение частоты излучения, отраженного от движущегося поршня) движение поршня приводит к изменению частоты излучения. Окончательно Вин получил:

где и – постоянные, которые Вин не расшифровал.

Эта формула дает хорошее согласие с опытом в коротковолновой части спектра и не годится для длинноволновой (рис.1.4).

Выражение (1.4.1) имеет сейчас лишь историческую ценность. Но Вин нашел зависимость ( частота соответствующая максимальному значению абсолютно черного тела). Найдем максимум функции (1.4.1), то есть производную по ν и приравняем к нулю.

(6)

где b — постоянная Вина , max — длина волны, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости

(7)

Закон Вина можно сформулировать следующим образом: длина волны, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его температуре.

2.3.3. Закон Рэлея-Джинса

Для больших длин волн, когда показатель экспоненты в формуле Планка (5) значительно меньше единицы, экспоненту можно разложить в ряд и ограничиться двумя членами разложения:

(8)

Теперь, если подставить (8) в (5), получим:

(9)

Эта формула, получившая название формулы Рэлея-Джинса, хорошо описывает тепловое излучение абсолютно черного тела на длинах волн, удовлетворяющих условию:

(10)

Рэлей и Джинс получили эту формулу до открытия Планка, основываясь на представлении о непрерывном характере испускания электромагнитных волн и на законе о равномерном распределении энергии по степеням свободы.

Формула Рэлея-Джинса верна для длинных волн и совершенно не применима для коротких.

2.3.4. Закон Стефана – Больцмана

В 1879 г. Стефан из анализа экспериментальных результатов, а в 1884г. Больцман из термодинамических представлений получили зависимость энергетической светимости абсолютно черного тела от температуры:

где постоянная σ=5.67 10 -8 Вт/(м 2 К 4 ) — постоянная Стефана-Больцмана.

Из выражения (11) можно сформулировать закон Стефана-Больцмана: Энергетическая светимость абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени его термодинамической температуры.

Формулу (11) можно получить, используя формулу Планка (5). Для этого необходимо в формулу (1) подставить выражение (5) и провести интегрирование по всем длинам волн (от нуля до бесконечности):

(12)

Введем новую переменную:

(13)

Подставив (13) в (12), получим:

(14)

Если учесть, что значение несобственного интеграла в (14) равно π 4 /15, получим:

(15)

Из сравнения (11) с (15) следует, что постоянная Стефана-Больцмана равна:

(16)

3. Оптическая пирометрия

Оптической пирометрией называется совокупность методов измерения температуры тел, основанных на законах теплового излучения. Приборы, применяемые для этого, называются пирометрами.

Эти методы очень удобны для измерения температур различных объектов, где сложно или вообще невозможно применить традиционные контактные датчики. Это относится в первую очередь к измерению высоких температур.

В оптической пирометрии различают следующие температуры тела: радиационную, цветовую, яркостную.

ВИНА ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ

Большой Энциклопедический словарь . 2000 .

ВИНА ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ — закон, утверждающий, что длина волны l,макс, на к рую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абс. темп ре T излучающего тела: lмаксT=b (b постоянная Вина). В. з. с. является следствием формулы Вина… … Физическая энциклопедия

Вина закон смещения — закон, утверждающий, что длина волны λмакс, на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре Т излучающего тела: λмакс·Т = b, где b постоянная, равная 0,2897 см·К. В.… … Большая советская энциклопедия

ВИНА ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ — [по имени нем. физика В. Вина (W. Wien; 1864 1928)] закон теплового излучения, согласно к рому длина волны Лmах, соответствующая максимуму кривой распределения энергии по длинам волн в спектре теплового излучения абсолютно чёрного тела, обратно… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Вина закон излучения — закон распределения энергии в спектре равновесного излучения (излучения абсолютно чёрного тела) в зависимости от температуры. Этот закон теоретически выведен В. Вином (1893). Согласно В. з. и., плотность энергии излучения uv,… … Большая советская энциклопедия

закон смещения Вина — [Wien s displacement law] длина волны (λмах), на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорционально абсолютной температуре, излучающего тела: λмах • Т = b, где b постоянная Вина. Впервые получен немецким … Энциклопедический словарь по металлургии

Зако́н смеще́ния Ви́на даёт зависимость длины волны, на которой поток излучения энергии чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела.

Содержание

Общий вид закона смещения Вина

где T — температура, а λmax — длина волны с максимальной интенсивностью. Коэффициент b , называемый постоянной Вина, в системе СИ имеет значение 0,002898 м·К.

Для частоты света (в герцах) закон смещения Вина имеет вид:

Вывод закона

Для вывода можно использовать выражение закона излучения Планка для абсолютно чёрного тела, записанного для длин волн:

Чтобы найти экстремумы этой функции в зависимости от длины волны, её следует продифференцировать по и приравнять дифференциал к нулю:

Из этой формулы сразу можно определить, что производная приближается к нулю, когда или когда , что выполняется при . Однако, оба эти случая дают минимум функции Планка , которая для указанных длин волн достигает своего нуля (см. рисунок вверху). Поэтому анализ следует продолжить лишь с третьим возможным случаем, когда

Используя замену переменных , данное уравнение можно преобразовать к виду

Численное решение этого уравнения даёт: [1]

Таким образом, используя замену переменных и значения постоянных Планка, Больцмана и скорости света, можно определить длину волны, на которой интенсивность излучения абсолютно чёрного тела достигает своего максимума, как

где температура дана в кельвинах, а — в метрах.

Согласно закону смещения Вина человеческое тело с температурой 290 K (+17°C) имеет максимум теплового излучения на длине волны 10 μм, что соответствует инфракрасному диапазону спектра.

Реликтовое излучение имеет эффективную температуру 2,7 K и достигает своего максимума на длине волны 1 мм. Соответственно эта длина волны принадлежит уже радиодиапазону.

Вильгельм Вин впервые вывел этот закон в 1893 году путём применения законов термодинамики к электромагнитному излучению.

Источники и примечания

  1. Решение уравнения невозможно выразить с помощью элементарных функций. Его точное решение можно найти с помощью W-функции Ламберта, однако в данном случае достаточно воспользоваться приближённым решением.
  • B. H. Soffer and D. K. Lynch, «Some paradoxes, errors, and resolutions concerning the spectral optimization of human vision, » Am. J. Phys. 67 (11), 946—953 1999.
  • M. A. Heald, «Where is the ‘Wien peak’?», Am. J. Phys. 71 (12), 1322—1323 2003.
  • Wikimedia Foundation . 2010 .

    Смотреть что такое «Закон смещения Вина» в других словарях:

    закон смещения Вина — Vyno poslinkio dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Wien’s displacement law vok. Wiensches Verschiebungssatz, m rus. закон смещения Вина, m pranc. loi de déplacement de Wien, f … Fizikos terminų žodynas

    закон излучения Вина — [Wien s radiation law] распределения энергии в спектре равновесного излучения в зависимости от абсолютной температуры (T). Открыт немецким физиком В. Вином, который в 1883 г. вывел формулу для общего вида распределения энергии в спектре… … Энциклопедический словарь по металлургии

    ВИНА ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ — ВИНА ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ: длина волны, на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре излучающего тела. Выведен в 1893 В. Вином … Энциклопедический словарь

    ВИНА ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ — длина волны, на к рую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абс. темп ре излучающего тела. Выведен в 1893 В. Вином … Естествознание. Энциклопедический словарь

    Все формулы

    Все формулы по физике и математике

    Темы по физике

  • Механика (56)
    • Кинематика (19)
    • Динамика и статика (32)
    • Гидростатика (5)
    • Молекулярная физика (25)
      • Уравнение состояния (3)
      • Термодинамика (15)
      • Броуновское движение (6)
      • Прочие формулы по молекулярной физике (1)
      • Колебания и волны (22)
      • Оптика (9)
        • Геометрическая оптика (3)
        • Физическая оптика (5)
        • Волновая оптика (1)
        • Электричество (39)
        • Атомная физика (15)
        • Ядерная физика (3)
        • Темы по математике

          • Квадратный корень, рациональные переходы (1)
          • Квадратный трехчлен (1)
          • Координатный метод в стереометрии (1)
          • Логарифмы (1)
          • Логарифмы, рациональные переходы (1)
          • Модуль (1)
          • Модуль, рациональные переходы (1)
          • Планиметрия (1)
          • Прогрессии (1)
          • Производная функции (1)
          • Степени и корни (1)
          • Стереометрия (1)
          • Тригонометрия (1)
          • Формулы сокращенного умножения (1)
          • Закон смещения Вина

            Закон смещения Вина — длина волны — на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре излучающего тела

            Смещение длины волны в зависимости от температуры хорошо иллюстрируется экспериментальными кривыми, изображенными на рисунке.

            Длина волны, соответствующая максимуму излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре. Зная положение максимума излучения какой-либо излучающей поверхности (если она может быть принята за абсолютно черное тело) можно оценить ее температуру.

            Выражение потому называют законом смещения Вина, потому что оно показывает смещение положения максимума функции по мере возрастания’ температуры в область коротких длин волн. Закон Вина объясняет, почему при понижении температуры нагретых тел в их спектре все сильнее преобладает длинноволновое излучение (например, переход белого каления в красное при остывании металла).

            В формуле мы использовали :

            — Максимальная длина волны

            — Постоянная Вина

            — температура

            Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

            (формула Вина) -определяет общий вид распределения энергии по частотам v (или длинам волн ) в спектре излучения равновесного в зависимости от абс. темп-ры T. Впервые выведен В. Вином (W. Wien) в 1893. В.

            Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

            Смотреть что такое «ВИНА ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ» в других словарях:

            ВИНА ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ — ВИНА ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ: длина волны на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре излучающего тела. Выведен в 1893 В. Вином … Большой Энциклопедический словарь

            Закон смещения Вина — Кривые потока излучения абсолютно чёрных тел с разной температурой. Наглядно можно увидеть, что возрастании температуры максимум излучения сдвигается в ультрафиолетовую часть спектра (в область коротких длин волн). Именно эту особенность и описы … Википедия

            Смотрите еще:

            • Учебное пособие по финансам предприятия 2013 Финансы - Ковалева А. М. - Учебное пособие Год выпуска : 2005 Автор : А.М. Ковалева Жанр : Экономика/Финансы Издательство : «Финансы и статистика» Качество: eBook (изначально компьютерное) Формат : DOC Количество страниц : […]
            • Фармацевтическая экспертиза рецепта Фармацевтическая экспертиза рецепта В последние годы врачи нас не слишком балуют выпиской рецептов, и пациенты по большей части передают назначения специалистов так сказать «из уст в уста». Но, несмотря на это, закон никто не […]
            • Размер единовременного пособия опекунам Опекунские выплаты и пособия в 2018 году: размер Опекунству Российское государство всегда уделяет особое внимание. Лицам, занимающимся воспитанием чужих детей, положены различные выплаты и пособия. Как всегда, с началом нового года […]
            • Документы необходимые для получения свидетельства о праве собственности Как получить свидетельство о государственной регистрации права собственности на квартиру? В соответствии с Конституцией РФ на государство возложена функция гаранта права частной собственности. Свои полномочия в этой сфере государство […]
            • Штраф на восстановление паспорта Штраф за утерю паспорта в 2018 году в России Паспорт гражданина РФ – это главный документ, который удостоверяет личность жильцов России. В нем находятся основные данные об обладателе – имя, дата рождения, место прописки и прочее. По […]
            • Гражданство русский или россия Как писать гражданство в анкете правильно У нас несколько раз в комментариях спрашивали, как правильно указать гражданство в анкете. Хороший вопрос, ведь если ошибиться с заполнением этой графы, могут возникнуть проблемы при пересечении […]
            • Закон об усыновлении детей в россии Что нужно сегодня для усыновления ребенка в России? Усыновление в России, кроме ответственного личного решения, предполагает ряд процедур государственной проверки кандидатов. Жесткий отбор на подготовительном этапе способствует более […]
            • Накопительная часть пенсии в сбербанке как получить Когда и как получить накопительную часть пенсии в Сбербанке? Сбербанк является банком-партнером государственного пенсионного фонда. На основании этого граждане, оформившие накопительную пенсию, могли переводить в него накопительную часть […]