吉林大学光电子学chp1-3

1、$1-3 热辐射的一般概念一、热传递的三种方式：传导、对流和辐射。 （1）传导热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分，叫做传导。 热传导是固体中热传递的主要方式。在气体或液体中，热传导过程往往和对流同时发生。各种物质都能够传导热，但是不同物质的传热本领不同。善于传热的物质叫做热的良导体，不善于传热的物质叫做热的不良导体。各种金属都是热的良导体，其中最善于传热的是银，其次是铜和铝。瓷、纸、木头、玻璃、皮革都是热的不良导体。最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、软木和其他松软的物质。液体中，除了水银以外，都不善于传热，气体比液体更不善于传热。 （2）对流靠液体或气体的流动来传热的

2、方式叫做对流。 对流是液体和气体中热传递的主要方式，气体的对流现象比液体更明显。 （3）物体的温度在高于绝对零度时向外界发出辐射（电磁波），这种辐射称为热辐射。 用辐射方式传递热，不需要任何介质，因此，辐射可以在真空中进行。 地球上得到太阳的热，就是太阳通过辐射的方式传来的。 一般情况下，热传递的三种方式往往是同时进行的。 一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。人体表面的热辐射波长在

3、2.5-15um范围，峰值波长约在 9.3um处。温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度为300摄氏度时热辐射中最强的波长在红外区。当物体的温度在500度以上至800度时，热辐射中最强的波长成分在可见光区。关于热辐射,其重要规律有4个：基尔霍夫辐射定律，普朗克辐射分布定律，斯蒂藩-玻耳兹曼定律，维恩位移定律。+:0二、描述热辐射的物理量辐射量客观量（适用于整个波段）两套量光度量主观量（可见光段）单色量（d ）单色辐射量，单色光度量每套量全色量（） 辐射量，光度量2231111=222=ormeeeeJ mdQdtWJ S e、辐射能量密度 ：单位体积内所具有的辐射能（1-3-1）的单

4、位为：、辐射通量：单位时间内通过单位面积的辐射能量（1-3-2）的单位为或者总辐射通量辐射功率：辐射源发出的能量包括所有方向。2213()4eeeeQW mAA tdQW srdt eeee、辐射出射度M 辐出度从物体的表面单位面积上所辐射的通量，亦即：从物体的表面单位时间内、单位面积上辐射的能量。M单位：辐射出射度也称为发射本领或辐射通量密度。、辐射强度I辐射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量亦即：辐射源在单位时间内、单位立体角内辐射的能量I单位：20 020 00I, )I, )sinI, )sinIIsinI2cos4 Ieeeeddd dd dd d eeeeee一般情况下，辐射强度

5、随方向而变，是关于（ ， ）的函数在球坐标系中，通过（ ， ）方向上立体角d 的辐射通量为：(点光源发出的总辐射通量为：(对均匀发光体， 不随角度变化2215=coscoseeeLdLdAW msr e、辐射亮度面辐射源在某一方向上的单位投影面积，在单位立体角内的辐射通量I（ ）（ A）单位：面元法线与辐射方向之间的夹角。00002()=cos=06eeeLLLALdW mdA e朗伯光源 余弦辐射体 ： 与 无关朗伯光源的辐射强度可表示为：I( ) II( )为时的亮度、辐射照度单位受光面积上所接收的辐射通量单位：0780380( )( )( )( )( )( )( )=()=()( )ee

6、eeeeeeeeeeeeeeeVVMILMILdddd ee三、单色辐射量与全色辐射量的关系或辐射量（ ）积分关系单色辐射量（ ） 微分关系光度量221,(),(),()(cos ),VVVVVVVVVVdQdtlmMddAlm mddAlxIddcdLdIdAcd m 人眼对不同频率的光波有不同的响应，即使相同辐射通量的光波照射到人眼上，仍然有不同的亮暗感觉。所以引入光度量，以反映视觉的亮暗特性。、光度量及其单位光通量流明光出射度光照度勒克司发光强度坎德拉光亮度四、光度量12540 10 Hz 1/6831cd1cdlmm1lx1cdc-12光度量的所有单位都是从光强度的单位推导出来的。频率

7、为的单色辐射， 在某方向上的辐射强度为（W sr ）,则称该方向上的光强度为。若均匀点光源发出的光强度为，则称光源在单位立体角内发出的光通量为1lm。若1的光通量均匀的照射在1的面积上，则称接收面上的光照度为。若从单位面积光源上在其法线方向发出的光强度为，则光源在该方向上的光亮度为12d/m 。12( )( )lm/W( )1( )=555683()vveevmmemKKKVKKnmKlm W 、光谱光视效能同一波长下，光通量与辐射通量之比（1-3-12）单位：3、光谱光视效率(视见函数)某一波长的光谱光视效能与最大光谱光视效能之比表示人眼对不同频率光波的敏感程度。（1-3-13）当时，最大1

8、55515550nmnmV( )=不在可见光区明视觉的响应峰值在555nm，暗视觉的响应峰值在500nm左右，曲线整体向短波长方向移动。323210cd/m380780nm555nm10cd/mnmnm人眼视网膜上有锥状细胞和柱状细胞当光亮度时，锥状细胞起作用，敏感范围在范围，在上最敏感，并且可以分辨各种颜色，称为明视觉。当光亮度时，锥状细胞不敏感，主要是柱状细胞起作用。柱状细胞的敏感范围是330730，在507上最敏感，并且不能分辨各种颜色，称为暗视觉。=530=200lm=0.8612 22001=0.86683683200=0.34683 0.86200530 =588lm W0.34(

9、2)0.34 12040.86veveeeveeeWKQtJ m例：已知波长 nm，光通量，其光谱光视效率V( )。求：（ ）光谱辐射通量；（ ）分钟内辐射出的能量。K( )解：（ ）V( )=K所以（）34 3 6作业：，物体在向外辐射的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量。物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。但是，在热平衡状态下，辐射体的光谱辐射出射度（见辐射度学和光度学）r（，T）与其光谱吸收比a（，T）的比值则只是辐射波长和温度的函数，而与辐射体本身性质无关，即 上述规律称为基尔霍夫辐射定律，由德国物理学家G.R.基尔霍夫于1859年建立。式中吸收比a 的定义是：被物

10、体吸收的单位波长间隔内的辐射通量与入射到该物体的辐射通量之比。该定律表明，热辐射辐出度大的物体其吸收比也大，反之亦然。 黑体是一种特殊的辐射体，它对所有波长电磁辐射的吸收比恒为1。黑体在自然条件下并不存在，它只是一种理想化模型，但可用人工制作接近于黑体的模拟物。即在一封闭空腔壁上开一小孔，任何波长的光穿过小孔进入空腔后，在空腔内壁反复反射，重新从小孔穿出的机会极小，即使有机会从小孔穿出，由于经历了多次反射而损失了大部分能量 。对空腔外的观察者而言，小孔对任何波长电磁辐射的吸收比都接近于1，故可看作是黑体。将基尔霍夫辐射定律应用于黑体，有 可见，基尔霍夫辐射定律中的函数f(，T)即黑体的光谱辐射出射度。 人体表面的热辐射波长在2.5-15um范围，峰值波长约在 9.3um处，其中8-14um波段的辐射约占