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grundlagen:waermestrahlung

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grundlagen:waermestrahlung [2024/04/29 12:37] – [Tabelle mit typischen Absorptionsgraden (=Emissionsgraden)] wfeistgrundlagen:waermestrahlung [2024/12/18 15:43] (aktuell) – [Strahlungsgrößen] wfeist
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 Da ist zunächst die gesamte Strahlungsleistung $\dot{Q}$ eines Körpers: Das ist die abgestrahlte Energie pro Sekunde in der Einheit: Watt W. Da ist zunächst die gesamte Strahlungsleistung $\dot{Q}$ eines Körpers: Das ist die abgestrahlte Energie pro Sekunde in der Einheit: Watt W.
 Die spezifische Ausstrahlung $\dot{q}$ ist Strahlungsleistung pro Flächeneinheit der abstrahlenden Oberfläche. Der Beitrag eines Flächenelementes d$A$ zur Gesamtstrahlung ist gegeben durch   d$\dot{Q}$ = $\dot{q}$ d$A,$   die Maßeinheit ist [$\dot{q}$] = W/m². Die spezifische Ausstrahlung $\dot{q}$ ist Strahlungsleistung pro Flächeneinheit der abstrahlenden Oberfläche. Der Beitrag eines Flächenelementes d$A$ zur Gesamtstrahlung ist gegeben durch   d$\dot{Q}$ = $\dot{q}$ d$A,$   die Maßeinheit ist [$\dot{q}$] = W/m².
-Die Strahlungsenergie kann sich auf einen ganzen Bereich von Wellenlängen verteilen. Die auf eine Wellenlänge konzentrierte  Strahlung wird beschrieben durch die spektrale spezifische Ausstrahlung $\dot{q}_f$ . Diese Größe gibt an, wieviel Energie pro Flächeneinheit im Frequenzintervall zwischen $f$ und $f$ + d$f$ ausgestrahlt wird. Die spezifische Ausstrahlung ergibt sich als Summe (Integral) der spektralen spezifischen Ausstrahlung über alle Frequenzen.+Die Strahlungsenergie kann sich auf einen ganzen Bereich von Wellenlängen verteilen. Die auf eine Wellenlänge konzentrierte  Strahlung wird beschrieben durch die spektrale spezifische Ausstrahlung $\dot{q}_f$ . Diese Größe gibt an, wieviel Energie pro Flächeneinheit in einem kleinen Frequenzintervall((zwischen $f$ und $f$ + d$f$)) ausgestrahlt wird. Die spezifische Ausstrahlung ergibt sich als Summe (Integral) der spektralen spezifischen Ausstrahlung über alle Frequenzen.
  
-Das Verhalten einer Oberfläche bzgl. Strahlung wird durch die Größen Reflexionsgrad (zurückgeworfene Strahlung), Absorptionsgrad (vom Körper aufgenommene((Wie nimmt ein Körper Strahlungsenergie "auf"? Die EM-Welle rüttelt an den geladen Teilchen, z.B. Elektronen im Material - diese nehmen dadurch eine höhere Geschwindigkeit an; es erhöht sich auf diesem Weg die thermische Energie im Körper. Anschaulich: Infrarot-Strahler, aber auch: wenn Sie lange mit dem Mobiltelephon am Ohr telefonieren, können Sie spüren, dass die Haut sich erwärmt)) Energie) und Transmissionsgrad (durchgelassene Strahlung, z.B. durch eine Fensterscheibe) sowie Emissionsgrad (von der Oberfläche selbst erzeugte Strahlung: 'Selbststrahler') beschrieben. Bezeichnet man die Strahlungsenergie pro Zeit und Flächeneinheit mit $\dot{q}$ so kann man folgende Größen definieren: +Das Verhalten einer Oberfläche bzgl. Strahlung wird durch die Größen Reflexionsgrad (zurückgeworfene Strahlung), Absorptionsgrad (vom Körper aufgenommene((Wie nimmt ein Körper Strahlungsenergie "auf"? Die EM-Welle rüttelt an den geladen Teilchen, z.B. Elektronen im Material - diese nehmen dadurch eine höhere Geschwindigkeit an; es erhöht sich auf diesem Weg die thermische Energie im Körper. Anschaulich: Infrarot-Strahler, aber auch: wenn Sie lange mit dem Mobiltelephon am Ohr telefonieren, können Sie spüren, dass die Haut sich erwärmt)) Energie) und Transmissionsgrad (durchgelassene Strahlung, z.B. durch eine Fensterscheibe) sowie Emissionsgrad (von der Oberfläche selbst erzeugte Strahlung: 'Selbststrahler'; gerade im thermischen Bereich sind die meisten Oberflächen bei 'normalen' Temperaturen Selbststrahler, etwas Analoges zu einer Lichtquelle im visuellen Bereich.) beschrieben. Bezeichnet man die Strahlungsenergie pro Zeit und Flächeneinheit mit $\dot{q}$ so kann man diese Größen wie folgt definieren: 
  
 ===Reflexionsgrad:===  ===Reflexionsgrad:=== 
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 (absorbierte Strahlungsleistung (a) bezogen auf die einfallende Strahlungsleistung) (absorbierte Strahlungsleistung (a) bezogen auf die einfallende Strahlungsleistung)
  
-Der Energieerhaltungssatz gilt auch hier+Elektromagnetische Strahlung transportiert Energie. Der Energieerhaltungssatz gilt auch für diese Energieform; da die ursprünglich an die Oberfläche herantransportierte Energie irgendwo verbleiben muss, gilt für die Summe
    
 $\rho + \tau + \alpha =1 . $ $\rho + \tau + \alpha =1 . $
  
  
-Für reale Körper sind $\rho, \; \tau$ und $\alpha$ oft in hohem Maße von der Wellenlänge abhängig. Eine Glasscheibe hat z.B. einen hohen Transmissionsgrad für sichtbares Licht („kurze Wellenlängen“), hingegen einen großen Absorptionsgrad((und kaum noch Transmission)) für Infrarotstrahlung (die wir in der Bauphysik “langwellige Strahlung” nennen).+Für reale Körper sind $\rho, \; \tau$ und $\alpha$ oft in stark von der Wellenlänge abhängig. Eine Glasscheibe hat z.B. einen hohen Transmissionsgrad für sichtbares Licht („kurze Wellenlängen“), hingegen einen großen Absorptionsgrad((und kaum noch Transmission)) für Infrarotstrahlung (die wir in der Bauphysik “langwellige Strahlung” nennen).
  
-Als Modellkörper für die Formulierung von Strahlungsgesetzen dient der sogenannte “Schwarze Körper” (("idealer Absorber", das kann tatsächlich wie eine "rabenschwarze" Farbe vorgestellt werden)). Er ist dadurch definiert, dass sein Absorptionsgrad für alle Wellenlängen gleich  eins ist. D.h. jede auftreffende Strahlung wird von ihm vollständig absorbiert. Es wird nichts reflektiert oder durchgelassen. Es stellt sich heraus (siehe später: Strahlungs-Versuche), dass die Strahlungseigenschaften eines Körpers eng mit dem Absorptionsverhalten verknüpft sind. Es stellt sich der ideale Absorber((Schwarze Körper)) zugleich als idealer Strahler heraus.+Als Modellkörper für die Formulierung von Strahlungsgesetzen dient der sogenannte “Schwarze Körper” (("idealer Absorber", das kann tatsächlich wie eine "rabenschwarze" Farbe vorgestellt werden)). Er ist dadurch definiert, dass sein Absorptionsgrad für alle Wellenlängen gleich eins ist. D.h. jede auftreffende Strahlung wird von ihm vollständig absorbiert. Es wird nichts reflektiert oder durchgelassen. Es stellt sich heraus (siehe später: Strahlungs-Versuche), dass die Strahlungseigenschaften eines Körpers eng mit dem Absorptionsverhalten verknüpft sind. Es stellt sich der ideale Absorber((Schwarze Körper)) zugleich als idealer Strahler heraus.
  
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 Vor dem Hintergrund der Bilder mit der Wärmestrahlungs-Kamera ("Thermographie") sind hier drei Bemerkungen von hoher Bedeutung - das ist uns oftmals nicht bewusst, weil diese Bilder, vor allem wenn schwarz-weiß dargestellt, Bildern visueller Fotographien ziemlich ähnlich sind: Vor dem Hintergrund der Bilder mit der Wärmestrahlungs-Kamera ("Thermographie") sind hier drei Bemerkungen von hoher Bedeutung - das ist uns oftmals nicht bewusst, weil diese Bilder, vor allem wenn schwarz-weiß dargestellt, Bildern visueller Fotographien ziemlich ähnlich sind:
  
-  * Was wir mit der Thermographie-Kamera (empfindlich bei ca. 5 bis 17 µm) sehen, ist die Wärmestrahlung, die von den beobachteten Objekten erzeugt wird - es handelt sich((überwiegend)) um Eigenstrahler. So wie z.B. im visuellen die Sonnenscheibe oder eine Glühlampe. Bei der Wärmestrahlung im mittleren Infrarot sind alle Objekte sozusagen 'Licht'-quellen, aber nicht für sichtbares Licht, sondern für das Infrarot-Licht. Die Unterschiede zwischen den genannten Strahlern liegen allein in deren Temperatur und damit in dem Frequenzbereich, in welchem der Hauptteil der elektromagnetischen Wellen erzeugt wird. Im "normalen Licht" sehen wir dagegen überwiegend (außer bei der direkt von den  Licht"quellen") Strahlung, welche von den vom Licht getroffenen Oberflächen //reflektiert// wird.  Die thermische Strahlung lässt sich daher auch nicht einfach "abschalten"; mit einer Infrarotkamera sieht der Jäger in der Nacht das Wild auf Grund von dessen Eigenstrahlung! Fahrzeuge (heiße Motoren) und Personen (warme Körperoberflächen) sind daher im mittleren Infrarot immer((mit einer "dicken Wärmedämmung" lässt sich die Strahlung auf eine größere Oberfläche verteilen und der Gegenstand wird dann etwas schwerer erkennbar - ganz weg bekommt man den Wärmestrahlungsstrom allerdings nicht.)) erkennbar.+  * Was wir mit der Thermographie-Kamera (empfindlich bei ca. 5 bis 17 µm) sehen, ist die Wärmestrahlung, die von den beobachteten Objekten erzeugt wird - es handelt sich((überwiegend)) um Eigenstrahler. So wie z.B. im visuellen die Sonnenscheibe oder eine Glühlampe. Bei der Wärmestrahlung im mittleren Infrarot sind alle Objekte sozusagen 'Licht'-quellen((genauer: Quellen elektromagnetischer Strahlung im der Temperatur entsprechenden Wellenlängenbereich)), aber nicht für sichtbares Licht, sondern für das Infrarot-Licht. Die Unterschiede zwischen den genannten Strahlern liegen allein in deren Temperatur und damit in dem Frequenzbereich, in welchem der Hauptteil der elektromagnetischen Wellen erzeugt wird. Im "normalen Licht" sehen wir dagegen überwiegend (außer bei der direkt von den  Licht"quellen") Strahlung, welche von den vom Licht getroffenen Oberflächen //reflektiert// wird.  Die thermische Strahlung lässt sich daher auch nicht einfach "abschalten"; mit einer Infrarotkamera sieht der Jäger in der Nacht das Wild auf Grund von dessen Eigenstrahlung! Fahrzeuge (heiße Motoren) und Personen (warme Körperoberflächen) sind daher im mittleren Infrarot immer((mit einer "dicken Wärmedämmung" lässt sich die Strahlung auf eine größere Oberfläche verteilen und der Gegenstand wird dann etwas schwerer erkennbar - ganz weg bekommt man den Wärmestrahlungsstrom allerdings nicht.)) erkennbar.
   * Die spezifische Ausstrahlung der uns umgebenden Gegenstände ist auch keinesfalls "klein" im Vergleich zu anderen Energieströmen((Wir werden die genaue Quantifizierung in einem der nächsten Kapitel behandeln.)). Wir stellen hier schon einmal fest, dass bei den normalen Temperaturen unserer Umgebung die flächenspezifische Abstrahlung zwischen um 350 und 550 W/m² liegt. Im Raum um uns herum wimmelt es geradezu von Wärmestrahlung; wir spüren diese Strahlung mit den Wärmesensoren unserer Haut - sind uns aber gar nicht bewusst, dass es Wärmestrahlung ist, was wir da spüren. Vor diesem Hintergrund können sich sicher einige von uns an einen spätabendlichen Spaziergang im Sommer erinnern, bei dem wir an einer schweren gemauerten, dunkel gefärbten Wand vorbeikamen: Die strahlte uns nämlich, trotz frischer Brise, deutlich spürbar sehr warm an. Auch die Glut eines Lagerfeuers((die natürlich mit noch viel höherer Temperatur)) macht die Strahlung spürbar.    * Die spezifische Ausstrahlung der uns umgebenden Gegenstände ist auch keinesfalls "klein" im Vergleich zu anderen Energieströmen((Wir werden die genaue Quantifizierung in einem der nächsten Kapitel behandeln.)). Wir stellen hier schon einmal fest, dass bei den normalen Temperaturen unserer Umgebung die flächenspezifische Abstrahlung zwischen um 350 und 550 W/m² liegt. Im Raum um uns herum wimmelt es geradezu von Wärmestrahlung; wir spüren diese Strahlung mit den Wärmesensoren unserer Haut - sind uns aber gar nicht bewusst, dass es Wärmestrahlung ist, was wir da spüren. Vor diesem Hintergrund können sich sicher einige von uns an einen spätabendlichen Spaziergang im Sommer erinnern, bei dem wir an einer schweren gemauerten, dunkel gefärbten Wand vorbeikamen: Die strahlte uns nämlich, trotz frischer Brise, deutlich spürbar sehr warm an. Auch die Glut eines Lagerfeuers((die natürlich mit noch viel höherer Temperatur)) macht die Strahlung spürbar. 
-  * Und natürlich wird auch thermische Strahlung an den Oberflächen der uns umgebenden Körper reflektiert: In aller Regel diffus, weil die Oberflächen rau sind, das ist wieder ganz ähnlich wie für das Licht im visuellen Spektralbereich; Glasscheiben sind "glatt wie poliert" und daher können auf diesen regelmäßig auch Reflexionen von anderen thermisch strahlenden Körpern gesehen werden. Einen Unterschied zur Umgebung im sichtbaren Licht gibt es hier aber dennoch noch: Die Reflexionsgrade der Oberflächen für das mittlere und ferne IR sind in aller Regel sehr gering((und entsprechend hoch sind die Absorptionsgrade)), in einem Bereich von 2% bis 15%, die einzige Ausnahme bilden hier metallische Oberflächen, die wie gewohnt auch für die thermische Strahlung als Spiegel wirken. Während also auf den ersten Blick im Infraroten (weitgehend) alles doch so ähnlich wie im visuellen auszusehen scheint, ergeben sich bei genauer Betrachtung doch bedeutende Unterschiede.+  * Natürlich wird auch thermische Strahlung an den Oberflächen der uns umgebenden Körper reflektiert: In aller Regel diffus, weil die Oberflächen rau sind, das ist wieder ganz ähnlich wie für das Licht im visuellen Spektralbereich; Glasscheiben sind "glatt wie poliert" und daher können auf diesen regelmäßig auch Reflexionen von anderen thermisch strahlenden Körpern gesehen werden. Einen Unterschied zur Umgebung im sichtbaren Licht gibt es hier aber dennoch noch: Die Reflexionsgrade der Oberflächen für das mittlere und ferne IR sind in aller Regel gering((und entsprechend hoch sind die Absorptionsgrade)), in einem Bereich von 2% bis 15%, die einzige Ausnahme bilden hier metallische Oberflächen, die wie gewohnt auch für die thermische Strahlung als gute Spiegel wirken. Während somit auf den ersten Blick im Infraroten (weitgehend) alles doch so ähnlich wie im visuellen auszusehen scheint, ergeben sich bei genauer Betrachtung doch bedeutende Unterschiede.
  
 {{ :grundlagen:grubenorgane.jpg?200|}}Kleine Infrarot-Kameras sind heute, insbesondere als USB-Aufsteckgeräte, zu erschwinglichen Preisen erhältlich. Die haben heute noch in der Regel eine nur geringe räumliche Auflösung. Dennoch lässt sich damit unsere Umwelt in einem ganz anderen Spektralbereich erfahren. Vieles lässt sich mit diesen Kameras unmittelbar veranschaulichen. Das hat neben einer ganzen Reihe von technischen und für verschiedenste Zwecke nützlichen Anwendungen auch einen hohen pädagogischen Wert: Zeigt es uns doch, dass es neben der uns geläufigen Welt mit der Wahrnehmung durch die uns gegebenen Sinne noch gänzlich andere Wahrnehmungs-"Kanäle" gibt, auf welchen weitere Eigenarten unserer Welt erkennbar sind, die uns sonst entgehen([[/baulich/thermographie|Hier ist ein Link zu praktischen Hinweisen für die Thermographie]]).\\  {{ :grundlagen:grubenorgane.jpg?200|}}Kleine Infrarot-Kameras sind heute, insbesondere als USB-Aufsteckgeräte, zu erschwinglichen Preisen erhältlich. Die haben heute noch in der Regel eine nur geringe räumliche Auflösung. Dennoch lässt sich damit unsere Umwelt in einem ganz anderen Spektralbereich erfahren. Vieles lässt sich mit diesen Kameras unmittelbar veranschaulichen. Das hat neben einer ganzen Reihe von technischen und für verschiedenste Zwecke nützlichen Anwendungen auch einen hohen pädagogischen Wert: Zeigt es uns doch, dass es neben der uns geläufigen Welt mit der Wahrnehmung durch die uns gegebenen Sinne noch gänzlich andere Wahrnehmungs-"Kanäle" gibt, auf welchen weitere Eigenarten unserer Welt erkennbar sind, die uns sonst entgehen([[/baulich/thermographie|Hier ist ein Link zu praktischen Hinweisen für die Thermographie]]).\\ 
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