Меню

Черная полая сфера применяется при измерении



Абсолютно черное тело (АЧТ). Виды и значение. Применение

Абсолютно черное тело (АЧТ) – это понятие, относящееся к теории теплового излучения. Оно обозначает тело, имеющее свойство полностью поглощать любое попадающее на его поверхность электромагнитное излучение вне зависимости от длины волны и температуры собственной поверхности. Поглощающий коэффициент такого тела равен 1. Коэффициент отображает отношение поглощаемой энергии к энергии падающего потока. Для него характерно наличие собственного электромагнитного излучения любой частоты. Спектры его излучения способны определятся только в температурном выражении.

Абсолютно черное тело в природе

Стоит отметить, что понятие абсолютного черного тела является абстрактным, поскольку не существует ни одного предмета или явления, способного поглощать электромагнитное излучение, имея при этом коэффициент равный 1. Находящиеся в космосе черные дыры не принимаются во внимание, поскольку невозможно проконтролировать их температуру, чтобы высчитать уровень излучения и фактический коэффициент, если он вообще имеется.

Коэффициент поглощения на уровне 1 это идеал, которого не существует. Тем не менее, есть вещества, которые очень близки к данному результату. В первую очередь к ним относится сажа и платиновая чернь. Поверхность сажи способна поглощать до 99% падающего излучения. Такой показатель достигается только при работе с видимыми волнами. При попадании инфракрасных волн излучение осуществляется значительно лучше, поэтому сажа теряет свою приближенность к абсолютному черному телу.

Из космических тел солнечной системы практически свойствами АЧТ обладает Солнце. Дело в том, что его излучение происходит с длиной волны 450 нм, при фактической температуре наружных слоев в 6000 К. Это фактически имеет близкий результат к коэффициенту 1.

Абсолютно черное тело — это одна из главных причина появления такого понятия, а в последующем и дисциплины как квантовая механика. Также абсолютно черное тело актуально в термодинамике, астрономии и теории теплового излучения.

Макет АЧТ

Чтобы визуально продемонстрировать принцип работы абсолютного черного тела применяется несложная в изготовлении модель. Ее можно сделать даже самостоятельно используя недорогое подручное оборудование. Для этого необходимо взять непрозрачный ящик. В качестве него может использоваться картонная коробка от обуви или различных продуктов питания. Одну из ее боковых стенок необходимо покрасить в черный цвет или наклеить плотную черную бумагу. Чем она темнее, тем лучше. В центре оклеенной стенки делается сквозное отверстие. Теперь, если смотреть на данную коробку, когда она находится в закрытом состоянии, можно увидеть, что проделанное отверстие намного чернее, чем черная бумага оклеенная вокруг него.

Поскольку отверстие в коробке небольшое, то тонкий пучок света, попадающий в ее полость, многократно отображается от стенок. Как следствие волна медленно затухает. Если она и сможет отобразиться таким образом, чтобы выйти обратно в отверстие, через которое попала, то претерпит настолько сильное изменения, что фактический не будет заметной.

В лабораторных условиях применяются более сложные макеты, сделанные из термостойкого материала. При таком макете возможно проводить его нагрев, что приведет к появлению собственного видимого излучения. Это расширяет диапазон экспериментов.

Самый черный материал в мире

По принципу абсолютного черного тела был разработан материал под названием Vantablack 2, который не поддается измерению спектрометром. Он был получен в 2014 году и является самым темным предметом известным человеку. Он состоит из миниатюрных нанотрубок. Попадающий в их отверстия свет обратно практически не возвращается. Коэффициент их отражения насколько низок, что составляет всего 0,036%.

При исследовании данного материала можно увидеть множество интересных свойств. К примеру, если навести на такое абсолютно черное тело лазерную указку, то она вообще не отображается. Лазерная точка не видна на поверхности, в результате чего создается впечатление, что указка не включена. То же самое касается и любого другого светового оборудования.

Если из этого материала сделать объемную вещь, то при взгляде прямо она всегда выглядит как плоское пятно, поскольку контуры выступов совершенно не просматриваются. Существует несколько предметов искусства, сделанные современными художниками с применением материала Vantablack 2.

Для изготовления данного материала применяются нанотрубки, толщина которых составляет всего 20 нанометров. Это действительно мало, даже в сравнении с человеческим волосом. Фактически такая трубка в 3500 раз тоньше волоса. Один квадратный сантиметр поверхности такого материала состоит из миллиарда нанотрубок.

Принцип действия такого черного тела можно сравнить с лесными деревьями. Посещая лес или парк где имеются деревья высотой в 20 м можно заметить, что солнечный свет практически не достигает поверхности земли. Чтобы провести аналогию с Vantablack 2 нужно, чтобы высота таких деревьев составляла 3000 м, что и позволит достигнуть того эффекта, который создается между стенками нанотрубок.

Читайте также:  Единицы измерения потоков солнечной радиации
Перспективные направления использования АЧТ

Любое вещество, работающее как абсолютно черное тело, приобретает весьма ценные свойства. Они поглощают спектр видимого света, ультрафиолета, инфракрасного излучения и так далее. Это весьма перспективное направление развития военной техники, которая при обладании такими свойствами могла бы стать невидимой для технического обнаружения. Что касается научного применения, то абсолютно черные тела могут использоваться для калибровки оптического оборудования. Существуют установки, которые работает по принципу рассмотренному на примере коробки с отверстием. С их помощью осуществляется проверка и настройка работы бесконтактного термометра. Подобные приборы используются в качестве эталона, применяемого при измерении высоких температур с помощью пирометров.

Закон Стефана — Больцмана

Поскольку для абсолютно черного тела характерна невозможность фиксации излучения с применением технического оборудования, то для этого применяется закон Стефана-Больцмана. Это интегральный закон позволяющий определять зависимость плотности мощности излучения от температуры АЧТ. Словесная форма закона звучит следующим образом. Полная объемная плотность равновесного излучения и испускательная способность пропорциональны четвертой степени температуры абсолютно черного тела.

Свое название закон получил от имен двух ученых. Изначально он был открыт Стефаном в 1879 году. Однако его теоретическая составляющая не была закончена. Именно эту часть закона и вывел Больцман.

Приборы АЧТ

В продаже предлагается устройство абсолютно черное тело, которое является эталонным излучателем для проведения поверки пирометров. Они позволяют контролировать точность в диапазоне от +100 до +1100 градусов. Также существуют и более совершенные устройства с увеличенным диапазоном излучение, но их стоимость на порядок выше. Такие установки состоят из трубчатой печи, блока управления и эталонного преобразователя.

Источник

Шар Ульбрихта — интегрирующая сфера

Интегрирующая сфера или шаровой фотометр — это оптический прибор, позволяющий определять световой поток по одному измерению (в отличии от гониофотометра, которому требуется провести измерения фотометрического тела под разными углами во множестве плоскостей).

Интегрирующая сфера представляет собой полый шар, на внутренней поверхности которого нанесено неселективное матовое покрытие с высоким коэффициентом отражения, создающее диффузное отражение. Освещённость любой точки шара, экранированной от прямых лучей исследуемого источника, пропорциональна световому потоку этого источника (в общем случае — потоку излучения).

Одним из главных параметров сферы являемся её диаметр, который должен значительно превышать размеры фотометрируемых источников света, вследствие чего для измерения световых потоков строят сферы диаметром до 5 м. Иногда исследуемое излучение вводится в шар через небольшое по сравнению с его диаметром отверстие.

Какими нормами руководствоваться при выборе размера фотометрического шара, вы можете узнать в этой статье .

Применение

Впервые разработанный Р. Ульбрихтом в 1894 году фотометрический шар применялся как инструмент для измерения мощности излучения вновь созданных электрических лампочек. Сегодня интегрирующие сферы широко используются при световых и цветовых измерениях, в частности для измерения световых потоков, цветовой температуры, координат цвета, цветопередачи (CRI) ламп и светильников, коэффициентов отражения и пропускания материалов. Они также нашли применение как источники однородного излучения с исключительно равномерным распределением яркости на всей плоскости выходного порта, что идеально подходит для тестирования и калибровки систем визуализации, фотометров и ПЗС-камер, детекторных массивов и инструментов дистанционного зондирования.

Все интегрирующие сферы конструктивно представляют собой металлическую оболочку со светоотражающим покрытием. Тем не менее, каждый производитель предоставляет множество конфигураций и дополнительных функций. В зависимости от размера сферы могут иметь 0-2 внутренних держателей для ламп и/или 1-2 оптических ввода на поверхности, а также интерфейс для подключения питания и измерительных приборов для образца, размещенного внутри шара.

Источник

Черная полая сфера применяется при измерении

В основе принципа микроскопических исследований (в прикладном понимании, конечно) лежит ответ на вопрос: как взаимодействует видимый свет с поверхностью исследуемого материала? Как использовать это взаимодействие, как его зарегистрировать и как истолковать?
Структуру образца можно различить лишь тогда, когда различные его участки по-разному отражают, преломляют или пропускают свет. Эти свойства обусловливают разницу амплитуд и фаз световых волн, отразившихся от различных участков поверхности, от чего, в свою очередь, зависит контрастность изображения. Поэтому методы наблюдения в микроскопии выбираются (и обеспечиваются конструктивно) в зависимости от характера и свойств изучаемых объектов. Объекты исследования в металлографии зачастую являются настолько сложными в структурном отношении, что бывает трудно заранее определить, какая методика анализа (способ освещения) является оптимальной. Даже квалифицированный исследователь зачастую вынужден пробовать различные способы освещения и фильтры для получения наилучшего изображения структуры. Поэтому важно показать видоизменение изображения структуры материала при использовании светлого поля, темного поля, поляризованного света, и т.д. чтобы продемонстрировать возможности анализа.
Исходя из нашего опыта применения различных методик, наиболее информативными в исследовании материалов являются темное и светлое поле. Методы анализа на основе поляризованного света применяются несколько реже, но и им находится достойное место.

Читайте также:  Принцип измерения постоянного тока токовыми клещами

В настоящее время в сети Интернет содержится довольно много информации о темнопольной микроскопии. Основная масса информации посвящена вопросам биологического направления – например рассматривается применение темнопольного освещения для исследования препаратов крови (гемосканирование). Приводится многочисленная реклама темнопольных микроскопов. Но практически нет информации о применении темного поля для металлографических исследований; в особенности трудно найти иллюстрации возможностей метода, выполненные на современном оборудовании. Вероятно, в силу того, что метод темнопольной микроскопии в металлографии известен давно и к нему успели привыкнуть, а потом и забыть.

Методы светлого и темного поля

Метод светлого поля является основным в металлографии и применяется для наблюдения непрозрачных объектов, отражающих свет. При освещении по методу светлого поля объект освещается конусом лучей, прошедших через объектив микроскопа. При этом в формировании изображения участвует весь конус света. Превалирующими являются центральные лучи конуса, параллельные оси объектива, которые, в сущности, и определяют характер освещения объекта.
При наблюдении по методу тёмного поля в отражённом свете поверхность освещают через специальную кольцевую систему, расположенную вокруг объектива и называемую эпи-конденсором. Фактически, принцип темного поля заключается в блокировке центрального пучка лучей. Образец освещается полым конусом света, и в формировании изображения участвуют только лучи, ориентированные наклонно к поверхности образца. Темнопольное освещение позволяет расширить возможности металлографического микроскопа в исследовании неплоскостных объектов.

Рисунок 1. Схема освещения объекта при использовании светлого (а) и темного (б) поля.

На рисунке 1 приведены схемы освещения при использовании светлого и темного поля. При светлопольном варианте освещения на поверхности образца видно пятно света. При темнопольном освещении центр затемнен. Реальные изображения светового пятна на белой бумаге при обоих способах освещения приведены на рисунке 2. Для большей наглядности поверхность бумаги находится ниже фокуса.

а б

Рисунок 2. Освещение объекта при использовании светлого (а) и темного (б) поля.

На рисунке 3 приведена схема отражения света от поверхности металлографического шлифа при светлопольном освещении. В случае ровной полированной поверхности свет отражается и попадает в объектив (1). После травления на микроструктуру за счет формирования канавок в месте стыка соседних зерен (или фаз) отражение происходит от криволинейной поверхности и отраженный свет не попадает в объектив (2) и граница зерна видна как темная линия. Если травление отсутствует или граница не вытравилась по каким-либо причинам (3), то свет отражается поверхностью аналогично варианту 1 и граница зерна не видна.

Рисунок 3. Схема отражения света поверхностью металла при освещении по методу светлого поля: 1 – отражение от плоской поверхности; 2 – отражение от границы зерна после травления; 3 — отражение от участка с границей зерна при отсутствии травления.

Рисунок 4. Схема отражения света поверхностью металла при освещении по методу темного поля: 1 – отражение от плоской поверхности; 2 – отражение от границы зерна после травления; 3 — отражение от участка с границей зерна при отсутствии травления.

При темнопольном методе освещения формирование изображения поверхности образца будет происходить согласно схеме на рисунке 4. Ровный участок поверхности (1) окажется неосвещенным, так как отраженный свет не попадет в объектив микроскопа; тело зерна будет темным. Наклонный участок, в частности вытравившаяся граница зерна, окажется в отражающем положении и будет видна как светлая полоса на темном фоне (2). На участке (3) изображение поверхности также будет темным.

Сравнение светлопольного и темнопольного изображения зеренной структуры после металлографического травления приведено на рисунке 5. На светлопольном изображении (рис.5,а) хорошо протравленные границы зерен выглядят темными на светлом фоне (вариант 2 по рис.3). Тело зерна освещено максимально (вариант 1 по рис.3). Слабо протравившиеся границы (вариант 3 по рис.3) отмечены стрелками. Изображение, сформированное при освещении по методу темного поля (рис.5,б), в данном случае воспринимается как негативное по отношению к изображению на рис. 5,а. Тело зерна не освещено, границы «светятся» в соответствии с тем, насколько сильно они вытравились.

а б

Рисунок 5. Металлический шлиф после травления на микроструктуру: а — светлое поле, б – темное.

Царапины и различные включения в светлом поле выглядят темными на фоне освещенного тела зерна (рис.5,а). В темном поле (рис.5,б) царапины и включения освещены.

При наблюдении неровной поверхности в светлом поле ее можно практически не увидеть в связи с сильным рассеянием света. Освещение в темном поле зрения создает контрастные изображения и сохраняет натуральный вид окрашенных объектов.

Читайте также:  Свойства объектов измерений величины шкалы

На рисунке 6 приведен пример литой металлической поверхности, которая частично шлифована. Поверхность «1», сформированная при литье, имеет собственный волнообразный рельеф. Поверхность «2» — плоская, сформированная шлифовкой. В светлом поле она выглядит светлой, следы шлифовки частично рассеивают свет (рис. 6,а) и выглядят темными полосами на светлом фоне. Литая поверхность «1» в светлом поле выглядит темной. При использовании темнопольного освещения картины освещенности поверхности взаимно обратны (рис. 6,б). Следует сделать оговорку, что не всегда при использовании темного поля, в паре со светлым, изображения будут антиподами. Соотношение вида таких изображений зависит от морфологии поверхности, дисперсности структуры, особенностей фазового состава.

а б

Рисунок 6. Металлическая поверхность сложной конфигурации: а – светлопольное изображение; б – темнопольное.

Приведем пример использования темнопольного освещения для сугубо практических целей.
Выявление причин, приводящих к снижению трещиностойкости и, как следствие, разрушению газонефтепроводных труб, работающих в условиях высоких давлений и отрицательных температур, является актуальной задачей. Основной характеристикой материала труб, определяющей его склонность к хрупкому разрушению, является ударная вязкость. Как известно, этот показатель механических свойств стали является структурно чувствительным фактором.
Исследовались два фрагмента бывших в эксплуатации труб магистрального газопровода, изготовленных из низколегированной марганецевокремниевой стали перлитного класса марки 17Г1С. Основной металл одной из этих труб (далее труба 1) имел ударную вязкость при температуре испытания минус 40 0 С (KCU -40 ) в пределах нормативных значений, а температура его вязко-хрупкого перехода Т50 находилась в области низких температур (минус 30 0 С). Для второй трубы 2 показатель KCU -40 не превышал нижний предел нормативных значений для магистральных газонефтепроводных труб, а температура Т50 лежала в области положительных температур (20 0 С). Приведенные данные свидетельствуют о том, что основной металл трубы 2 в области температур эксплуатации находится в хрупком состоянии. Разрушение такой трубы может произойти спонтанно, при штатных эксплуатационных давлениях и температурах, поскольку хрупкое разрушение является низкоэнергетическим и происходит при напряжениях ниже напряжений текучести металла.
Металлографические исследования металла двух труб должны выявить определенные структурные факторы, влияющие на склонность трубы 2 к хрупкому разрушению. На светлопольном изображении при увеличениях до 400 х существенной разницы в структуре образцов труб не наблюдалось (рис. 7). Обе структуры представляют собой феррито-перлитную смесь со строчечным расположением фазовых составляющих. Размер зерна полигонального феррита оценивается 8 баллом. В структуре присутствуют участки видманштетта, занимающие

15 % площади шлифа. Перлит имеет пластинчатое строение, его среднее количество составляет

а б

Рисунок 7. Микроструктура основного металла трубы 1 (а) и трубы 2 (б)

Видимые отличия в структуре металла труб проявляются при исследовании их по методу темного поля. На рис. 8 видна четкая светимость нижних краев перлитных полос у трубы 2 (рис.8б), в то время как у трубы 1 такого эффекта не наблюдается (рис.8а). Можно заметить направленность структуры образца трубы 2.

а б

Рис. 8. Микроструктура основного металла трубы 1 (а) и трубы 2 (б) при увеличении 400 х ; темнопольное освещение

При детальном исследовании с увеличением 2000 х обнаружено, что светящаяся окантовка перлитных и частично ферритных зерен в хрупком металле трубы 2 представлена непрерывными цепочками шириной не более 5 мкм, окаймляющими перлитные и ферритные зерна и идентифицированными как структурно свободный цементит (рис. 9). Цепочки цементита по границам перлитных и ферритных зерен в трубе 2 обозначены стрелками. Известно, что зернограничное выделение твердой и хрупкой фазы, каковой является цементит, ослабляющей прочность межзеренного сцепления, приводит к резкому падению ударной вязкости и росту критической температуры хрупкости и, следовательно, ведет к охрупчиванию стали.

а б

Рис. 9. Микроструктура основного металла трубы 2 в светлом (а) и темном (б) полях

При исследовании металла трубы 1 непрерывные цепочки цементита не обнаружены. В темном поле светятся отдельные его глобулярные включения, равномерно расположенные в небольших количествах как по границам ферритных и перлитных, так и в теле ферритных зерен (рис. 10).

а б

Рис. 10. Микроструктура основного металла трубы 1 в светлом (а) и темном (б) полях

Результаты проведенного исследования позволяют заключить, что основной причиной хрупкости основного металла газопроводной трубы, изготовленной и стали 17ГС, является структурный фактор в виде зернограничных цементитных прослоек. Данный вывод однозначно подтверждается металлографическими исследованиями в темном поле.

Полностью со статьей можно познакомиться в журнале «Литье и металлургия». 2012. — №1(64) – с.99-103.

Источник