mit den Grenzen der atmosphärischen Fenster und damit auch nicht mit den Wellenlängengrenzen der allgemein üblichen thermografischen Systeme überein.
1.1.3.4. Wärmestrahlung - wichtige Begriffe und Definitionen
Da die in der Literatur - und insbesondere in den unzähligen unlektorierten, unwissenschaftlichen Internetpublikationen - verwandten Begriffe oftmals voneinander abweichen (oder sich gar widersprechen), soll die nachfolgende Aufzählung der physikalischen Fachausdrücke etwas Klarheit schaffen. Auch wenn bei einigen Begriffen das Vorwort „Wärme-“ nicht aufgeführt wurde, geht es hier natürlich ganz speziell um die Definitionen aus der Strahlungsphysik, welche praktisch gleichlautend statt für den gesamten Wellenlängenbereich auch für den als Wärmestrahlung eingegrenzten Bereich gültig sind.
Alle hier aufgeführten physikalischen Einheiten sind mit ihrer - im stationären Zustand gültigen - Definition aufgeführt. Bei zeitlichen oder im Raum veränderlichen Vorgängen sind entsprechende Differentialgleichungen notwendig.
Wärmestrahlung Q [J = Ws] (Joule oder Watt · Sekunde)
Wärmestrahlung ist die in Form elektromagnetischer Strahlungsenergie vorkommende Wärmeenergie. Ebenfalls oft verwandtes Symbol: E
Gl. 15
Der Wärmefluss ist die Strahlungsleistung (abgegebener Strahlungsfluss), also die je Zeiteinheit ausgestrahlte Wärmeenergie.
Gl. 16
Die spezifische Ausstrahlung ist die flächenspezifische Wärmestromdichte, d.h. die flächenbezogene Strahlungsleistung, welche dem von einer Flächeneinheit abgegeben Strahlungsfluss entspricht. Ebenfalls vorkommendes Symbol: q
Gl. 17
Die flächenspezifische Bestrahlung ist die flächenbezogene Strahlungsleistung, die dem Strahlungsfluss je bestrahlte Flächeneinheit entspricht. Manchmal wird auch der Begriff Bestrahlungsstärke hierfür verwendet, was allerdings der räumlichen Definition der Strahlstärke widerspricht.
Gl. 18
Die Bestrahlung ist die flächenbezogen eintreffende Strahlungsenergie, welche sich aus dem Produkt der flächenspezifischen Bestrahlung und der Zeit ergibt.
Gl. 19
Die Strahlstärke beschreibt den von einem Strahler in einen bestimmten Raumwinkel abgegebenen Strahlstrom, also die raumwinkelbezogene Strahlungsleistung.
Gl. 20
Die Strahldichte definiert den von einem Strahler in einen bestimmten Raumwinkel abgegebenen Strahlstrom bezogen auf die zu der betreffenden Richtung senkrechten Projektion der Bezugsfläche.
Bezugsgrößendefinitionen für Strahlstärke und Strahldichte
Gl. 21
Der ebene Kreiswinkel wird definiert durch den Quotienten aus Kreisbogen und Kreisradius.
Gl. 22
Der Raumwinkel ergibt sich aus dem ausgeschnittenen Teil der Kugeloberfläche, geteilt durch den Kreisradius zum Quadrat.
Wichtige strahlungsphysikalische Konstanten
| Boltzmann-Konstante | k | = | 1,380662 · 10-23 J/K |
| Lichtgeschwindigkeit im Vakuum | c0 | = | 2,99792458 · 108 m/s |
| Stefan-Boltzmann-Konstante | σ | = | 5,67032 · 10-8 W/(m2K4) |
| Strahlungskonstanten im Planckschen Strahlungsgesetz | |||
| c1 | = | 3,741832 · 10-16 Wm2 | |
| c2 | = | 1,438786 · 10-2 Km (Kelvin · Meter) | |
1.2. Eigenschaften des idealen Strahlers
1.2.1. Physikalisches Modell des schwarzen Körpers
Reale Körper weisen unterschiedlichste Strahlungseigenschaften auf. Für die Handhabung der Eigenschaften realer Objekte hat sich die Verwendung vereinfachter Beziehungen im Vergleich zum Modell des idealen Strahlers als praktische Lösung bewährt. Der in der Strahlungsphysik genutzte ideale Vergleichskörper (Bezugsnormal) ist der sogenannte „schwarze Körper”. Dieser Körper hat die höchstmögliche Wärmestrahlungsabgabe im Vergleich zu jedem anderen Körper derselben Temperatur. Weiterhin ist für diesen kennzeichnend, dass er über alle Wellenlängen und in allen Raumrichtungen die maximale Strahlungsintensität aufweist. (Der ideale Strahler wird nach dem - später behandelten - Planckschen Strahlungsgesetz auch Planckscher Strahler genannt.)
Die Wärmestrahlungsabgabe von realen Materialien (Körpern) ist stets geringer als die des idealen Strahlers. Die Beziehung zwischen tatsächlicher Strahlungsabgabe und der theoretischen maximalen (also idealen) Emission kann durch eine Verhältniszahl - dem sogenannten Emissionsgrad - beschrieben werden. Eine detaillierte Beschreibung hierzu folgt im Kapitel 1.4.2. „Eigenschaften realer Messobjekte”.
Die idealen Strahlungseigenschaften des Modells „schwarzer Körper” können in der Praxis zwar angenähert, aber zu 100% nie erreicht werden. Ein möglicher Lösungsansatz beruht auf der Tatsache, dass in einem Hohlkörper (dessen Wände alle die gleiche Temperatur haben) sogenannte „schwarze Strahlung” aufritt, welche gleich der der Körpertemperatur entsprechenden maximale Strahlung ist. Wenn in einen solchen hohlen Körper ein Loch mit minimalem Durchmesser gebohrt wird (dessen Abmessung also im Vergleich zur Hohlraumgröße vernachlässigbar ist), wird durch dieses Loch die erwähnte „schwarze Strahlung” emittiert. Diese aus dem kleinen Loch austretende Strahlung entspricht damit der von einem idealen Strahler emittierten Strahlung, das Loch wird zum „schwarzen Strahler”.
