1). Promieniowanie optyczne
Jest to prawo podlegające prawom optyki geometrycznej oraz falowej. Dzielimy go na trzy zakresy ultrafiolet, światło widzialne oraz podczerwień
Promieniowanie optyczne to fala elektromagnetyczna z zakresu 1000 – 0.01 mm w próżni
Odpowiada to częstotliwościom 3 1011 – 3 1016 Hz
Zakres promieniowania optycznego: 1000 – 0.01 mm lub 106 - 10 nm lub 10-3 - 10-8 m
Promieniowanie optyczne dzieli się na:
-promieniowanie ultrafioletowe
-promieniowanie widzialne
-promieniowanie podczerwone
Promieniowanie może być rozpatrywane:
• jako fala elektromagnetyczna
• jako zbiór przemieszczających się cząsteczek – fotonów
Pojedynczy foton może być utożsamiany z pojedynczą falą lub paczką identycznych fal. Energia pojedynczego fotonu to:
Energia promienista Q - to suma energii fotonów przenikających przez wybraną powierzchnię. Jest ona mierzona w dżulach [J].
Strumień promienisty - Rozpatrując energię promieniowania Q przenikającą wybraną powierzchnię w jednostce czasu określa się wielkość zwaną strumieniem promienistym F (strumień mocy, strumień energetyczny, moc promienista), mierzoną w watach [W],
Natężenie promieniowania I - Strumień promienisty (energetyczny) F wysyłany w określonym kierunku w obrębie jednostkowego kąta bryłowego jest nazywany natężeniem promieniowania I [W/sr].
Luminancja energetyczna L (Jaskrawość) - Jeśli wielkość natężenia promieniowania I zostanie odniesiona do prostopadłej do r powierzchni S^, będącej rzutem powierzchni S, z której promieniowanie jest wysyłane uzyska się wielkość zwaną luminancją energetyczną L stosuje się też nazwy: gęstość powierzchniowa natężenia promieniowania (termokinetyka, elektrotermia) lub intensywność promieniowania (technika świetlna, grafika komputerowa) [W/m2sr].
Podstawowe prawa promieniowania
1).Prawo Plancka –1900r. (rozkład widmowy mocy)
2). Prawo Stefana – Boltzmana – 1884r. (moc całkowita)
3). Prawo Wiena –1883r. (maksimum mocy)
Prawo Plancka
Monochromatyczna gęstość emitancji promienistej (strumienia promieniowania) ciała doskonale czarnego określa wzór:
l – długość fali promieniowania
T – temperatura w K
h – stała Plancka
k – stała Boltzmana
c – prędkość światła
Ilość wypromieniowywanej mocy jest ciągłą funkcją długości fali l : z jej wzrostem najpierw rośnie potem spada
Dla każdej długości fali ilość wypromieniowywanej mocy rośnie wraz ze wzrostem temperatury.
Ze wzrostem temperatury rośnie ilość promieniowania o krótkich długościach fali
Prawo Stefana - Boltzmana
Na poziomie makroskopowym
Emitancję promienistą (gęstość strumienia promieniowania)
ciała czarnego określa zależność:
Mcc(T) mierzone w [W/m2] to pole pod krzywą =f(,T) z poprzedniego rysunku dla zadanej temperatury
Funkcja promienista dla ciała czarnego f,T)
określa procentowy udział promieniowania z zakresu 0- dla ciała doskonale czarnego
Pole pod krzywą
mcc( l,T)
mcc(l,T)
Zadanie 1
Obliczyć procentowy udział promieniowania widzialnego w promieniowaniu słonecznym. Temperatura powierzchni Słońca T=6000K . Zakres promieniowania widzialnego: 0.380 –0.780 .
dla 1*T=0.380*6000 = 2280 f1(,T) = 0.115
dla 2*T=0.780*6000 = 4680 f2(,T) = 0.5794
f2(,T) - f1(,T) = 0.4644 = 46%
Promieniowanie widzialne stanowi pod względem energetycznym ok. 46% promieniowania słonecznego
Prawo Wiena
Długość fali odpowiadającej maksymalnej monochromatycznej gęstości strumienia promieniowania określa wzór:
Wniosek:
Długość fali odpowiadająca maksymalnej emisji zawiera informację o temperaturze emitującej powierzchni
Zadanie 2
Dla jakiej długości fali przypada maksimum promieniowania słonecznego. Temperatura powierzchni Słońca T=6000K
max = 2.898 10-3 / 6000 = 483 10-9 m = 483 nm = 0.483
2). Optyka geometryczna
Optyka geometryczna, najstarsza część optyki.
Wprowadza pojęcie:
§ promienia świetlnego jako cienkiej wiązki światła (odpowiednik prostej w geometrii).
Opisuje:
§ rozchodzenie się światła jako biegu promieni,
§ nie wnikania w naturę światła.
Według optyki geometrycznej:
§ światło rozchodzi się w ośrodkach jednorodnych po liniach prostych,
§ na granicy ośrodków ulega odbiciu,
§ przechodząc do drugiego ośrodka ulega załamaniu.
Optyka geometryczna to dział optyki zajmującej się wytłumaczeniem zjawisk optycznych przy użyciu pojęcia promieniowania świetlnego (nieskończenie wąska wiązka światła)
Główne założenia optyki geometrycznej:
- w ośrodku optycznie jednorodnym światło biegnie po linii prostej.
- ośrodek optyczny to taki, w którym rozchodzi się światło.
- ośrodek optycznie jednorodny to taki, w którym w całej swojej objętości posiada jednakowe właściwości fizyczno-chemiczne.
- linia po której rozchodzi się światło to promień świetlny.
- promień skierowany prostopadle do powierzchni płaskie ulegnie odbiciu i wróci do źródła światła.
- na granicy ośrodków ulega odbiciu strumień świetlny a wchodząc do drugiego ośrodka ulega załamaniu.
Prawo odbicia
Kąt odbicia jest równy katowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni odbicia leżą w jednej płaszczyźnie. W wyniku odbicia zmienia się tylko kierunek rozchodzenia fali, nie zmienia się jej długość. Czyli to zmienna kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany (powierzchnia S może być idealnie gładka) lub rozmyty (zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła)
Załamanie: Prawo Snelliusa:
Prawo całkowitego wewnętrznego odbicia
Polega ono na tym, że promień świetlny padający na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod katem większym niż kąt graniczny nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu.
dla promienia a1>1gr
(linia przerywana) promień tylko odbija się do wewnątrz
Zadanie
Obliczyć kąt graniczny dla układu woda-powietrze; n1(woda)=1.3 n2(powietrze)=1
Światłowody
Światłowód (falowód optyczny) służy do przesyłania fal elektromagnetycznych w zakresie optycznym. W każdym światłowodzie można wyróżnić rdzeń i płaszcz. Ze względu na budowę rozróżniamy światłowody cylindryczne, płaskie czyli planome.
Podstawy działania
- promień świetlny prowadzony jest w światłowodzie dzieki zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy rdzeń-płaszcz. Zachodzi ono gdy w światłowodzie może zajść zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia warunek (n1>n2)
- promień wprowadzony do światłowodu jestpod kątem mniejszym od tzw. maksymalnego kąta akceptacji
Medium transmisyjne światłowodu stanowi szkło kwarcowe domieszkowane tlenkami metali GeO2, P2O5, B2O3 w celu kształtowania wartości współczynnika refrakcji n. Oprócz światłowodów krzemowych spotkać można światłowody polimerowe oraz ze szkła fluorkowego.
Strumień wprowadzony do światłowodu dzieli się na:
§ strumień rdzeniowy (przenoszący informację):
§ strumień płaszczowy (straty)
§ strumień wyciekający (straty lub użyteczny w technice świetlnej)
Zalety i wady
Zastosowanie
- w telekomunikacji (przesyłanie danych)
- iluminacja miejsc wymagających oświetlenia o wysokich parametrach bezpieczeństwa (światłowód nie przewodzą prądu) tj baseny, łazienki, wanny, jacuzzi, kabiny prysznicowe
- oświetlenie miejsc w których wymiana źródła światła jest uciążliwa, takich jak fontanny, oczka wodne, zieleń w ogrodach oraz oświetlenia zewnętrzne budynków.
3). Emisja promieniowania z powierzchni
Promieniowane optyczne może na powierzchni lub warstwie ośrodka podlegać:
- generacji (emisji) z powierzchni ośrodka
- odbiciu i rozpraszaniu na powierzchni
- pochłanianiu (absorcji) przez ośrodek
- przepuszczaniu przez warstwę ośrodka
Emisję idealnej powierzchni opisuje :
Prawo Plancka: (monochromatyczna gęstość strumienia promieniowania m cc,l )
Prawo Stefana Boltzmana: (gęstość strumienia promieniowania – emitancja Mcc)
Oba prawa dotyczą powierzchni ciała doskonale czarnego tzn. ciała które pochłania całą padającą na jego powierzchnię energię oraz w danej temperaturze emituje maksymalną ilość energii
Powierzchnie ciał rzeczywistych zawsze emitują mniej energii niż powierzchnia ciała doskonale czarnego pozostającego w tej samej temperaturze
m – monochromatyczna gęstość strumienia promieniowania
M - gęstość strumienia promieniowania (emitancja promienista)
eT – emisyjność półprzestrzenna całkowita
el – emisyjność półprzestrzenna monochromatyczna
Emisyjność e określa stopień w jakim właściwości promienne rzeczywistej powierzchni przybliżają się do właściwości ciała doskonale czarnego
Odbicie dyfuzyjne czyli lambertowskie(rozproszone)
Jest to odbicie spełniające równanie:
Odbicie zwierciadlane
Zwierciadlany
rozkład odbicia promieniowani promieniowania
Odbicie można opisywać przez podanie:
§ współczynnika odbicia r
§ wskaźnika odbicia R
§ funkcji rozkładu odbicia np. BRDF
Pochłanianie promieniowania
Zjawisko polega na absorpcji (pochłanianiu) energii promieniowania w ośrodku.
Zachodzi bezpośrednio w warstwie podpowierzchniowej (ośrodki nieprzeźroczyste) lub w całej objętości (ośrodki częściowo przeźroczyste)
Pochłanianie energetycznie charakteryzuje tzw. współczynnik absorpcji a:
– strumień
Pochłanianie promieniowaniaprawo Lamberta-Beera
słuszne dla promieniowania monochromatycznego
Pochłanianie jest proporcjonalne do:
§ grubości ośrodka (prawo Lamberta)
§ stężenia substancji pochłaniającej (prawo Beera)
l – grubość warstwy
Cmol – stężenie substancji pochłaniającej
k – absorpcyjność molowa
PROMIENIOWANIE SŁONECZNE
Do Ziemi dociera promieniowanie słoneczne zbliżone widmowo do promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze ok. 5800 K.
Graniczną mocą jaką można uzyskać bezpośrednio z energii słonecznej na jednym metrze kwadratowym jest tzw. stała słoneczna, która wynosi średnio 1 367 W/m2 i jest mocą promieniowania słonecznego docierającą do zewnętrznej warstwy atmosfery. Część tej energii jest odbijana ...
acabose