Физическая сущность теплового излучения и его законы

                          ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие радиоэлектроники за последние годы привело не только к усовершенствованию существовавших радиотехнических средств, но и к появлению средств совершенно нового типа. Одним из новых видов радиотехнических средств являются средства радиотеплолокации, или, как ее еще называют, пассивной тепловой радиолокации.

Радиотеплолокация во многом схожа с радиолокацией; так же, как и радиолокационные станции (РЛС), радиотеплолокационные станции (РТЛС) предназначены для обнаружения удаленных объектов и определения их координат; по устройству РТЛС также схожи с РЛС. В радиотеплолокации используются антенны и приемники сантиметрового и миллиметрового диапазона волн, аналогичные радиолокационным.

Имеется, однако, одно существенное отличие, вследствие которого радиотеплолокация выделилась в отдельную отрасль радиоэлектроники. Это отличие связано с природой используемых радиоизлучений: если в радиолокации для подсветки целей применяются специальные генераторы (магнетроны, мощные клистроны и т. п.), то в радиотеплолокации используется естественное радиоизлучение целей. Для большинства целей это естественное радиоизлучение имеет тепловое происхождение: такое излучение принято называть радиотепловым, отсюда же происходит и термин «радиотеплолокация».

Радиотепловое излучение присуще всем телам, имеющим температуру выше абсолютного нуля ; характеристики   этого   излучения - интенсивность,   спектральный состав степень поляризации - вполне определенным образом зависят от физических свойств излучающего тела. Таким образом, с помощью радиотеплолокации можно не только обнаруживать   и определять координаты большинства естественных и искусственных объектов, но и исследовать их физические свойства. Все   это   делает   радиотеплолокацию   эффективным средством дистанционного наблюдения и контроля.                            1. СУЩНОСТЬ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ. ПРИМЕРЫ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВОГО РАДИОЗЛУЧЕНИЯ

  1.1 Физическая сущность теплового излучения и его законы

Еще с древних времен было известно, что тела, нагретые до высокой температуры, испускают световые излучения. По мере совершенствования приборов для наблюдения излучения было установлено, что, кроме световых волн, нагретые тела излучают и более длинные, инфракрасные, волны; ученые обнаружили у этих тел и ультрафиолетовое излучение, длина волн которого короче, чем у видимого и инфракрасного излучения.  К концу прошлого века была выяснена и физическая природа теплового излучения. Как известно, любое вещество - твердое, жидкое или газообразное, - помимо   электрически нейтральных   частиц, содержит в своем   составе   большое количество частиц заряженных - электронов и положительных ионов. Эти частицы находятся   в непрерывном хаотическом движении, причем их средняя скорость тем больше, чем выше температура  вещества.  В   процессе своего движения заряженные частицы непрерывно сталкиваются друг с другом  и с нейтральными   частицами; при этих столкновениях часть их кинетической энергии переходит в энергию электромагнитного излучения; скорость же частиц несколько уменьшается.

Таким образом, кинетическая энергия частиц, пропорциональная степени нагрева тела, частично превращается в энергию электромагнитного поля. В создании теплового излучения принимает участие очень большое число хаотически сталкивающихся частиц; в одни моменты времени происходит большее количество столкновений, в другие — меньшее; кинетическая энергия, преобразующая в излучение, также различна в разные моменты времени.Таким образом, интенсивность теплового излучения непрерывно изменяется, причем величину и скорость этих изменений точно предсказать невозможно. То же самое можно сказать и о спектральном составе излучения: так как частота излучения, возникающего при торможении заряженных частиц, зависит от их кинетической энергии, величина которой для различных частиц неодинакова, то интенсивность излучения на определенной частоте (спектральная плотность излучения) также будет непрерывно и хаотически колебаться.

Из всего этого видно, что тепловое излучение отличается от искусственно генерируемых, излучений тем, что, во-первых, оно занимает очень широкий диапазон волн, а во-вторых, его мощность и спектральная плотность не остаются постоянными и непрерывно флюктуируют. Тем не менее, несмотря на хаотичность «поведения» отдельных частиц, средние характеристики очень большого количества частиц могут быть рассчитаны с высокой точностью. Такими методами и были определены законы теплового излучения.

Одним из наиболее важных законов теплового излучения является закон, выражающий зависимость спектральной плотности излучения от его частоты и температуры излучателя. Этот закон описывается формулой Планка:

,                        (1)  где       h=6,62 ∙ 10-34 [дж ∙ сек] - постоянная Планка;

    c=3 ∙ 105 [км ∙ сек] - скорость распространения

                         электромагнитных волн;

    К=1,38 ∙ 10-23 [дж ∙ град] - постоянная Больцмана;

    Т [°К] - абсолютная температура излучения;

    f [гц] - частота;

    R0 - спектральная плотность излучения, равная мощности,                               

 излученной на частоте  f в полосе 1 гц с 1 м2 излучателя.

Графики зависимости спектральной плотности излучения от частоты и температуры приведены на рис. 1. Как видно из графиков, энергия излучения распределена по спектру частот неравномерно; спектральная плотность достигает максимальных значений при определенных значениях частот, уменьшаясь с повышением и понижением частоты.

Рис.1.  Зависимость спектральной плотности идеального излучения от частоты и температуры

Частота, на которой спектральная плотность максимальна, может быть определена по формуле Вина:

                      fм=1,03 ∙ 105Т [Мгц]                            (2) Из рисунка и формулы (2) следует, что для излучателей, имеющих температуру выше комнатной, максимум спектральной плотности приходится на диапазоны видимых и ИК волн; спектральная плотность в диапазонах сантиметровых и миллиметровых, волн в тысячи раз нижё максимальной.

С повышением температуры спектральная плотность излучения на всех частотах возрастает, а значит, растет и общая мощность излучения. Суммируя спектральные плотности излучения по всем частотам, можно получить формулу для мощности теплового излучения во всем диапазоне электромагнитных волн

                                  где  σ = 5,71 ∙ 10-8 - постоянная Стефана.

Суммарная мощность теплового излучения может быть очень большой, однако радиодиапазон приходится лишь очень малая ее часть. Так, при комнатной температуре идеальный излучатель с площадью 1 м2 излучает мощность, равную 478 вт; максимум спектральной плотности приходится на волну 9,6 микрон. На волнах длиннее одного миллиметра в этом случае излучается мощность всего 8 мвт, т. е. немногим более тысячной доли процента общей мощности. Часть мощности, которая может быть воспринята приемником, еще меньше, так как современные приемники не могут одновременно принимать сигналы во всем радиотехническом диапазоне. В, приведенном примере часть мощности, которую может воспринять приемник, лежит в пределах от 20 мквт до 2—3 мвт. С увеличением температуры излучателя доля мощности, приходящаяся на радиодиапазон, уменьшается, так как спектральная плотность в области ИК и световых волн растет гораздо быстрее, чем спектральная плотность мощности в радиотехническом диапазоне. Однако, несмотря на относительно малую мощность теплового радиоизлучения, благодаря высокой чувствительности современных радиоприемников и малому затуханию радиоволн в атмосфере тепловое радиоизлучение удается принимать на больших расстояниях, чем более мощные ИК и световые излучения.

Необходимо отметить, что формула (1) справедлива лишь для идеального излучателя, так называемого абсолютно черного тела (АЧТ); для всех реальных излучателей спектральная плотность излучения ниже, чем у АЧТ, нагретого до той же температуры. Однако по известной спектральной плотности излучения АЧТ можно рассчитать спектральную плотность излучения реального излучателя, пользуясь следующей формулой:

                                 (3) где R - спектральная плотность излучения реального излучателя;             α < 1 - коэффициент поглощения, показывающий, какую долю падающего потока облучения поглощает данный реальный излучатель, если его облучать на той же частоте, на которой определяется спектральная плотность.

Формула (3) представляет собой математическую запись закона Кирхгофа, устанавливающего связь между свойствами излучения и поглощения: чем лучше тело поглощает излучение на какой-либо частоте, тем больше будет спектральная плотность излучения на той же частоте. Таким образом, идеальный излучатель — АЧТ является и идеальным поглотителем.

        1.2  Особенности теплового излучения в радиодиапазоне.

             Радиотепловое излучение, как поле шумовых токов.

 

Рассмотрим особенности теплового излучения в диапазонах радиоволн (в дальнейшем для кратности будем называть его просто радиотепловым излучением). Прежде всего заметим, что для вычисления спектральной плотности излучения в сантиметровом и миллиметровое диапазонах волн совершенно нет необходимости пользоваться громоздкой формулой Планка. Действительно, на частотах радиодиапазона показатель степени числа e (см. формулу (1) становится очень малым: так при f = 100 000 Мгц (длина волны 3 мм) и Т=400°, hf/kT ≃ 0,012. Воспользовавшись известным приближенным равенством

                                справедливым при x 1, легко привести формулу Планка к виду

                                 (4) где λ = длина волны излучения.

Мы получили формулу Релея-Джинса, по которой можно довольно точно оценивать спектральную: плотность излучения в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн для тел, имеющих температуру больше 100° К.

Из этой формулы видно, что мощность радиотеплового излучения прямо пропорциональна температуре излучателя и обратно пропорциональна квадрату длины волны.

Таким образом, для радиотеплолокации выгоднее использовать волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, чем волны сантиметрового и дециметрового диапазонов, на которых излучение значительно слабее.

Теперь остановимся на одной замечательной особенности формулы (4). Дело в том, что второй сомножитель правой части (kT) равен спектральной плотности мощности тепловых шумовых токов активного сопротивления:

                                Gш =kT                           (5)

Это совпадение не является случайным. Однако прежде чем его объяснить, необходимо вкратце остановиться на некоторых свойствах теплового шума активных сопротивлений. Этот шум генерируется в любых активных сопротивлениях, его спектральная плотность постоянна от очень низких частот до частот миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Тепловые шумовые токи создаются в любом неидеальном проводнике и представляют собой результат хаотического теплового движения элементарных заряженных частиц; на экранах индикаторов кругового обзора радиолокаторов эти шумы наблюдаются в виде характерных беспорядочно мерцающих точек, а на выходе радиовещательных и связных приемников они воспринимаются как равномерное слабое шипение, особенно хорошо слышимое при отсутствии основной передачи.

Тепловые шумы генерируются только активными сопротивлениями; идеальные конденсаторы и катушки индуктивности совершенно не создают шумовых токов. Известно, что активное сопротивление способно выделять тепло при прохождении тока, т. е. преобразовывать электрическую энергию в тепловую. Значит, ему должно быть присуще и обратное качество — способность частичного преобразования тепловой энергии в электрическую.

Но ведь любой высокочастотный ток создает поле электромагнитного излучения. Здесь мы и подходим к объяснению сходства формул (4) и (5). Очевидно, радиотепловое излучение представляет собой поле тепловых шумовых токов, протекающих в толще излучающего тела.

Это подтверждается еще и тем, что множитель 2π/λ2 ,имеющийся в правой части формулы Релея-Джинса, равен множителю в формуле для мощности излучения элементарной антенны, длина которой много меньше длины волны излучения.

                             где Pант - мощность излучения антенной;                                                 

I - ток в антенне;

kp - коэффициент пропорциональности.

Поэтому упрощенную модель радиотеплового излучения тела можно представить в виде суммарного излучения множества крохотных элементарных антенн, получающих питание от шумовых токов, распределенных по объему излучателя.

Так как причиной радиотеплового излучения являются шумовые токи сверхвысоких частот, то, следовательно интенсивность излучения должна зависеть от электрических характеристик вещества излучателя — проводимости и диэлектрической проницаемости. Проводимость вещества в значительной степени определяет его поглощающие свойства, а как уже указывалось выше чем лучше тело поглощает энергию постороннего излучения, тем лучшим тепловым излучателем оно является.

Так, например, очень малой проводимостью обладают высококачественные диэлектрики; поэтому их радиотепловое излучение мало. Значительно большей проводимостью (на сверхвысоких частотах) обладают противорадиолокационные покрытия, которые способны почти полностью поглощать падающее на них СВЧ излучение, поэтому интенсивность их радиотеплового излучения по сравнению со всеми другими материалами наиболее высока и приближается к интенсивности излучения АЧТ.

Однако интенсивность радиотеплового излучений зависит не только от поглощающих свойств вещества излучателя. Часть излучения, исходящего из толщи излучателя, отражается от его поверхности и вновь преобразуется в тепло. Это отражение тем сильнее, чем больше диэлектрическая проницаемость излучающего вещества.