Коэф отражения. Коэффициенты отражения и прохождения

Коэффициентом пропускания

коэффициентом отражения

и коэффициентом поглощения

Коэффициенты t, r и a зависят от свойств самого тела и длины волны падающего излучения. Спектральная зависимость, т.е. зависимость коэффициентов от длины волны, определяет цвет как прозрачных, так и непрозрачных (t= 0) тел.

Согласно закону сохранения энергии

Ф отр + Ф погл + Ф пр = . (8)

Разделив обе части равенства на , получим:

r + a +t = 1. (9)

Тело, для которого r=0, t=0, a=1 называется абсолютно чёрным .

Абсолютно черное тело при любой температуре полностью поглощает всю энергию падающего на него излучения любой длины волны. Все реальные тела не являются абсолютно черными. Однако некоторые из них в определенных интервалах длин волн близки по своим свойствам к абсолютно черному телу. Например, в области длин волн видимого света коэффициенты поглощения сажи, платиновой черни и черного бархата мало отличаются от единицы. Наиболее совершенной моделью абсолютно чёрного тела может служить малое отверстие в замкнутой полости. Очевидно, что эта модель тем ближе по характеристикам к черному телу, чем больше отношение площади поверхности полости к площади отверстия (рис. 1).

Спектральной характеристикой поглощения электромагнитных волн телом является спектральный коэффициент поглощения a l – величина, определяемая отношением поглощённого телом потока излучения в малом спектральном интервале (от l до l + d l) к потоку падающего на него излучения в том же спектральном интервале:

. (10)

Излучательная и поглощательная способности непрозрачного тела взаимосвязаны. Отношение спектральной плотности энергетической светимости равно­весного излучения тела к его спектральному коэффициенту поглощения не зависит от природы тела; для всех тел оно является универсальной функцией длины волны и температуры (законКирхгофа ):

. (11)

Для абсолютно чёрного тела a l = 1. Поэтому из закона Кирхгофа следует, что М е , l = , т.е. универсальная функция Кирхгофа представляет собой спектральную плотность энергетической светимости абсолютно чёрного тела.

Таким образом, согласно закону Кирхгофа, для всех тел отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральному коэффициенту поглощения равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно чёрного тела при тех же значениях T и l.

Из закона Кирхгофа следует, что спектральная плотность энергети­ческой светимости любого тела в любой области спектра всегда меньше спектральной плотности энергетической светимости абсолютно чёрного тела (при одних и тех же значениях длины волны и температуры). Кроме того, из этого закона вытекает, что если тело при некоторой температуре не поглощает электромагнитные волны в интервале от l до l + d l, то оно их в этом интервале длин при данной температуре и не излучает.

Аналитический вид функции для абсолютно черного тела
был установлен Планком на основе квантовых представлений о природе излучения:

(12)

Спектр излучения абсолютно черного тела имеет характерный максимум (рис. 2), который при повышении температуры сдвигается в коротковолновую часть (рис. 3). Положение максимума спектральной плотности энергетической светимости можно определить из выражения (12) обычным способом, приравняв к нулю первую производную:

. (13)

Обозначив , получим:

х – 5 ( – 1) = 0. (14)

Рис. 2 Рис. 3

Решение этого трансцендентного уравнения численным методом дает
х = 4, 965.

Следовательно,

, (15)

= = b 1 = 2, 898· м·K, (16)

Таким образом, функция достигает максимума при длине волны, обратно пропорциональной термодинамической температуре абсолютно черного тела (первый закон Вина ).

Из закона Вина следует, что при низких температурах излучаются преимущественно длинные (инфракрасные) электромагнитные волны. По мере же возрастания температуры увеличивается доля излучения, приходящаяся на видимую область спектра, и тело начинает светиться. С дальнейшим ростом температуры яркость его свечения увеличивается, а цвет изменяется. Поэтому цвет излучения может служить характеристикой температуры излучения. Примерная зависимость цвета свечения тела от его температуры приведена в табл. 1.

Таблица 1

Первый закон Вина называют так же законом смещения , подчёркивая тем самым, что с ростом температуры максимум спектральной плотности энергетической светимости сдвигается в сторону меньших длин волн.

Подставив формулу (17) в выражение (12), нетрудно показать, что максимальное значение функции пропорционально пятой степени термодинами­ческой температуры тела (второй закон Вина ):

Энергетическую светимость абсолютно черного тела можно найти из выражения (12) простым интегрированием по длине волны

(18)

где – приведенная постоянная Планка,

Энергетическая светимость абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени его термодинамической температуры. Это положение носит название закона Стефана – Больцмана , а коэффициент пропор­циональности s = 5,67×10 -8 – постоянной Стефана – Больцмана.

Абсолютно чёрное тело является идеализацией реальных тел. Реальные тела испускают излучение, спектр которого не описывается формулой Планка. Их энергетическая светимость, кроме температуры, зависит от природы тела и состояния его поверхности. Эти факторы можно учесть, если в формулу (19) ввести коэффициент , показывающий, во сколько раз энергетическая свети­мость абсолютно чёрного тела при данной температуре больше энер­гетической светимости реального тела при той же температуре

откуда , или (21)

Для всех реальных тел <1 и зависит как от природы тела и состояния его поверхности, так и от температуры. В частности, для вольфрамовых нитей электроламп накаливания зависимость от Т имеет вид, представленный на рис. 4.

Измерение энергии излучения и температуры электропечи основано на эффекте Зеебека, заключающемся в возникновении электродвижущей силы в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты которых имеют различную температуру.

Два разнородных проводника образуют термопару , а последовательно соединенные термопары – термостолбик. Если контакты (обычно спаи) проводников находятся при различных температурах, то в замкнутой цепи, включающей термопары, возникает термоЭДС, величина которой однозначно определяется разностью температур горячих и холодных контактов, количеством последовательно соединенных термопар и природой материалов проводников.

Величина термоЭДС, возникающей в цепи за счет энергии падающего на спаи термостолбика излучения, измеряется милливольтметром, размещенным на передней панели измерительного устройства. Шкала этого прибора проградуирована в милливольтах.

Температура абсолютно черного тела (печи) измеряется с помощью термоэлектрического термометра, состоящего из одной термопары. Её ЭДС измеряется милливольтметром, также расположенным на передней панели измерительного устройства и проградуированным в °С.

Примечание. Милливольтметр фиксирует разность температур горячего и холодного спаев термопары, поэтому для получения температуры печи необходимо к показанию прибора прибавить значение температуры в помещении.

В данной работе проводят измерение термоЭДС термостолбика, величина которой пропорциональна энергии, затраченной на нагревание одного из контактов каждой термопары столбика, и, следовательно, энергетической светимости (при равных интервалах времени между измерениями и неизменной площади излучателя):

где b – коэффициент пропорциональности.

Приравнивая правые части равенств (19) и (22), получаем:

s×Т 4 =b ×e,

где с – постоянная величина.

Одновременно с измерением термоЭДС термостолбика измеряют разность температур Δt горячего и холодного спаев термопары, помещенной в электропечь, и определяют температуру печи.

Используя экспериментально полученные значения температуры абсолютно черного тела (печи) и соответствующие им значения термоЭДС термостолбика, определяют значение коэффициента пропорционально-
сти с , которое во всех опытах должно быть одинаковым. Затем строят график зависимости с= f(Т), который должен иметь вид прямой, параллельной оси температур.

Таким образом, в лабораторной работе устанавливаетсяхарактер зависимости энергетической светимости абсолютно черного тела от его температуры, т.е. проверяется закон Стефана–Больцмана.

От неоднородности в среде распространения. Примерами неоднородности могут быть нагрузка в линии передачи или граница раздела двух однородных сред с различными значениями электрофизических параметров.

- отношение комплексной амплитуды напряжения отраженной волны к комплексной амплитуде напряжения падающей волны в заданном сечении линии передачи .

Коэффициент отражения по току - отношение комплексной амплитуды тока отраженной волны к комплексной амплитуде тока падающей волны в заданном сечении линии передачи .

Коэффициент отражения радиоволны - отношение указанной составляющей напряженности электрического поля в отраженной радиоволне к той же самой составляющей в падающей радиоволне .

Коэффициент отражения по напряжению

Коэффициент отражения по напряжению (в методе комплексных амплитуд) - комплексная величина, равная отношению комплексных амплитуд отражённой и падающей волн:

K U = U отр / U пад = |K U |e jφ где |K U | - модуль коэффициента отражения, φ - фаза коэффициента отражения, определяющая запаздывание отражённой волны относительно падающей.

Коэффициент отражения по напряжению в линии передачи однозначно связан с её волновым сопротивлением ρ и импедансом Z нагр нагрузки:

K U = (Z нагр - ρ) / (Z нагр + ρ) .

Коэффициент отражения по мощности - величина, равная отношению мощности (потока мощности, плотности потока мощности), переносимой отраженной волной, мощности, переносимой падающей волной:

K P = P отр / P пад = |K U | 2

Другие величины, характеризующие отражение в линии передачи

• Коэффициент стоячей волны - K св = (1 + |K U |) / (1 - |K U |)
• Коэффициент бегущей волны - K бв = (1 - |K U |) / (1 + |K U |)

Метрологические аспекты

Измерения

• Для измерения коэффициента отражения применяются измерительные линии , измерители полных сопротивлений , панорамные измерители КСВ (ими измеряется только модуль, без фазы), а также векторные анализаторы цепей (могут измерять как модуль так и фазу).
• Мерами отражения являются различные измерительные нагрузки - активные, реактивные с изменяемой фазой и др.

Эталоны

• Государственный эталон единицы волнового сопротивления в коаксиальных волноводах ГЭТ 75-2011 (недоступная ссылка) - находится в СНИИМ (Новосибирск)
• Установка высшей точности для воспроизведения единицы комплексного коэффициента отражения электромагнитных волн в волноводных трактах прямоугольного сечения в диапазоне частот 2,59...37,5 ГГц УВТ 33-В-91 - находится в СНИИМ (Новосибирск)
• Установка высшей точности для воспроизведения единицы комплексного коэффициента отражения (коэффициента стоячей волны напряжения и фазы) электромагнитных волн в волноводных трактах прямоугольного сечения в диапазоне частот 2,14 … 37,5 ГГц УВТ 33-А-89 - находится во

Более гигиеничной считается система общего освещения, но так как она требует значительных энергетических затрат на эксплуатацию, сферу ее использования ограничивают. Систему общего освещения разрешают применять в основном в помещениях общественных зданий, в помещениях с большой плотностью размещения рабочих мест и при отсутствии оборудования, создающего тени. Эту систему используют при работах, не требующих большого напряжения зрения (V–VII разряды) и при выполнении однотипных работ.

Система комбинированного освещения с позиции экономии электроэнергии почти всегда рациональна:

· при выполнении точных зрительных работ (I–IV разряды);

· в помещениях, в которых эксплуатируется оборудование, создающее глубокие и резкие тени, и при необходимости регулирования направления светового потока;

· при освещении вертикальных и наклонных поверхностей.

В результате экономичности комбинированной системы освещения действующие нормативы разрешают создавать освещенность в 1,5–2 раза выше, чем при общей системе.

1.4. Нормы минимальной освещенности рабочей поверхности, наряду с перечисленными показателями, зависят также от типа источника света.

Для освещения помещений используются в основном газоразрядные лампы или лампы накаливания. Каждый из этих видов источников света имеет свои достоинства и недостатки, что и определяет условия их применения. Газоразрядные лампы по сравнению с лампами накаливания обладают более высокой световой отдачей при одной и той же установочной мощности, что приводит к экономии эксплуатационных затрат. Спектр светового потока этих ламп в большинстве случаев более близок к естественному и обеспечивает правильную цветопередачу. Кроме того, газоразрядные лампы характеризуются более продолжительным периодом службы по сравнению с лампами накаливания. Эти лампы рекомендуется использовать в помещениях, где работа связана с большим и длительным напряжением зрения, например, в системе общего освещения, при выполнении работ I–V разрядов. Эти же лампы применяют в помещениях, где производятся работы, требующие различения цветов. В помещениях без естественного света также предпочтительнее люминесцентные лампы.

Наряду с достоинствами газоразрядные лампы имеют ряд недостатков, не присущих лампам накаливания. Так, они очень чувствительны к изменению температуры окружающей среды. Стабильная их работа обеспечивается только при температуре от + 5 0 С до + 50 0 С. Работа газоразрядных ламп сопровождается пульсациями, что препятствует их эксплуатации в условиях, где возможно возникновение стробоскопического эффекта, который проявляется в искажении зрительного восприятия (искажаются ощущения направления движения предметов, изображение одного предмета воспринимается как изображение нескольких и т. п.). При низких освещенностях газоразрядные лампы снижают активность деятельности работника и создают субъективные ощущения «сумеречности».

Для выполнения грубых работ, требующих по нормам низкую освещенность (менее 50 лк), рекомендуется использовать лампы накаливания. Эти же лампы допускается применять в случаях, когда нет повышенных требований к правильному различению оттенков. Кроме того, лампы накаливания целесообразно применять, когда возможно возникновение стробоскопического эффекта или взрыва.

1.5. В табл. 4 приведены значения нормируемой освещенности, которую должны создавать газоразрядные лампы на рабочих местах производственных помещений при выполнении зрительных работ различной точности с учетом системы освещения . Нормы освещенности, создаваемые лампами накаливания, определяются снижением на одну ступень указанных в таблице значений.

Существует ряд условий, при наличии которых необходимо изменять (повышать или уменьшать) нормируемую величину минимальной освещенности, несмотря на то, что выполняется зрительная работа равных разрядов и подразрядов, при одной и той же системе освещения и одинаковых источниках света.

Значения нормируемой освещенности, указанные в таблице 4, повышаются:

а) при работах I–IV разрядов, если зрительная работа занимает более половины рабочего дня;

б) при повышенной опасности травматизма на рабочих местах, где нормируемая освещенность при системе общего освещения составляет менее 150 лк;

в) при специальных повышенных санитарных требованиях к производственным помещениям, в которых нормируется освещенность менее 500 лк для системы общего освещения;

г) в помещениях, специально предназначенных для работы или обучения подростков, если нормируемая освещенность не превышает 300 лк;

д) в помещениях без естественного света, предназначенных для постоянного пребывания людей, если освещенность от системы общего освещения ниже 100 лк;

Таблица 4

Коэффицие́нт отраже́ния - безразмерная физическая величина , характеризующая способность тела отражать падающее на него излучение . В качестве буквенного обозначения используется греческая $\backslash rho$ или латинская $R$ .

Определения

Количественно коэффициент отражения равен отношению потока излучения , отраженного телом, к потоку, упавшему на тело :

$\backslash rho\; =\; \backslash frac\{\backslash Phi\}\{\backslash Phi\_0\}.$

Сумма коэффициента отражения и коэффициентов поглощения , пропускания и рассеяния равна единице. Это утверждение следует из закона сохранения энергии .

В тех случаях, когда спектр падающего излучения настолько узок, что его можно считать монохроматическим , говорят о монохроматическом коэффициенте отражения. Если спектр падающего на тело излучения широк, то соответствующий коэффициент отражения иногда называют интегральным .

В общем случае значение коэффициента отражения тела зависит как от свойств самого тела, так и от угла падения, спектрального состава и поляризации излучения. Вследствие зависимости коэффициента отражения поверхности тела от длины волны падающего на него света визуально тело воспринимается как окрашенное в тот или иной цвет.

Коэффициент зеркального отражения $\backslash rho\_r~(R\_r)$

Характеризует способность тел зеркально отражать падающее на них излучение. Количественно определяется отношением зеркально отраженного потока излучения $\backslash Phi\_r$ к падающему потоку:

$\backslash rho\_r=\backslash frac\{\backslash Phi\_r\}\{\backslash Phi\_0\}.$

Зеркальное (направленное) отражение происходит в тех случаях, когда излучение падает на поверхность, размеры неровностей которой значительно меньше, чем длина волны излучения.

Коэффициент диффузного отражения $\backslash rho\_d~(R\_d)$

Характеризует способность тел диффузно отражать падающее на них излучение. Количественно определяется отношением диффузно отраженного потока излучения $\backslash Phi\_d$ к падающему потоку:

$\backslash rho\_d=\backslash frac\{\backslash Phi\_d\}\{\backslash Phi\_0\}.$

Если одновременно происходят и зеркальное, и диффузное отражения, то коэффициент отражения $\backslash rho$ является суммой коэффициентов зеркального $\backslash rho\_r$ и диффузного $\backslash rho\_d$ отражений:

$\backslash rho=\backslash rho\_r+\backslash rho\_d.$

См. также

Напишите отзыв о статье "Коэффициент отражения (оптика)"

Примечания

Отрывок, характеризующий Коэффициент отражения (оптика)

– Ах, Наташа! – сказала она.
– Видела? Видела? Что видела? – вскрикнула Наташа, поддерживая зеркало.
Соня ничего не видала, она только что хотела замигать глазами и встать, когда услыхала голос Наташи, сказавшей «непременно»… Ей не хотелось обмануть ни Дуняшу, ни Наташу, и тяжело было сидеть. Она сама не знала, как и вследствие чего у нее вырвался крик, когда она закрыла глаза рукою.
– Его видела? – спросила Наташа, хватая ее за руку.
– Да. Постой… я… видела его, – невольно сказала Соня, еще не зная, кого разумела Наташа под словом его: его – Николая или его – Андрея.
«Но отчего же мне не сказать, что я видела? Ведь видят же другие! И кто же может уличить меня в том, что я видела или не видала?» мелькнуло в голове Сони.
– Да, я его видела, – сказала она.
– Как же? Как же? Стоит или лежит?
– Нет, я видела… То ничего не было, вдруг вижу, что он лежит.
– Андрей лежит? Он болен? – испуганно остановившимися глазами глядя на подругу, спрашивала Наташа.
– Нет, напротив, – напротив, веселое лицо, и он обернулся ко мне, – и в ту минуту как она говорила, ей самой казалось, что она видела то, что говорила.
– Ну а потом, Соня?…
– Тут я не рассмотрела, что то синее и красное…
– Соня! когда он вернется? Когда я увижу его! Боже мой, как я боюсь за него и за себя, и за всё мне страшно… – заговорила Наташа, и не отвечая ни слова на утешения Сони, легла в постель и долго после того, как потушили свечу, с открытыми глазами, неподвижно лежала на постели и смотрела на морозный, лунный свет сквозь замерзшие окна.

Вскоре после святок Николай объявил матери о своей любви к Соне и о твердом решении жениться на ней. Графиня, давно замечавшая то, что происходило между Соней и Николаем, и ожидавшая этого объяснения, молча выслушала его слова и сказала сыну, что он может жениться на ком хочет; но что ни она, ни отец не дадут ему благословения на такой брак. В первый раз Николай почувствовал, что мать недовольна им, что несмотря на всю свою любовь к нему, она не уступит ему. Она, холодно и не глядя на сына, послала за мужем; и, когда он пришел, графиня хотела коротко и холодно в присутствии Николая сообщить ему в чем дело, но не выдержала: заплакала слезами досады и вышла из комнаты. Старый граф стал нерешительно усовещивать Николая и просить его отказаться от своего намерения. Николай отвечал, что он не может изменить своему слову, и отец, вздохнув и очевидно смущенный, весьма скоро перервал свою речь и пошел к графине. При всех столкновениях с сыном, графа не оставляло сознание своей виноватости перед ним за расстройство дел, и потому он не мог сердиться на сына за отказ жениться на богатой невесте и за выбор бесприданной Сони, – он только при этом случае живее вспоминал то, что, ежели бы дела не были расстроены, нельзя было для Николая желать лучшей жены, чем Соня; и что виновен в расстройстве дел только один он с своим Митенькой и с своими непреодолимыми привычками.