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 ၆ (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 Sၞ, 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

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

1. Ogromna pojemność informacyjna pojedynczego włókna

2. Małe straty = zdolność przesyłania sygnałów na znaczne odległości

3. Całkowita niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne

4. Mała waga

5. Małe wymiary

6. Bezpieczeństwo pracy (brak iskrzenia)

7. Utrudniony (prawie niemożliwy) podsłuch przesyłanych danych.

8. Względnie niski koszt (i ciągle spada)

9. Duża niezawodność poprawnie zainstalowanych łączy światłowodowych

10. Prostota obsługi.

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

Jest to odbicie spełniające równanie:

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 promieniowania
prawo 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 lub pochłaniana przez atmosferę, więc efektywnie wykorzystać przy powierzchni Ziemi możemy do 1 000 W/m² .

Źródła naturalne Słońce:

• 42% energii w widmie IR-A + IR-B

• 45% energii w widmie VIS

• 7% energii w widmie UV A i UV B

Odległość Słońce-Ziemia R=1,49 10¹¹ m średnica Słońca d=1,4 10⁹ m

Stała słoneczna

odległość Słońce-Ziemia: R=1,49 10¹¹ m

średnica Słońca d=1,4 10⁹ m

Temperatura powierzchni Słońca 5750K

Emisyjność: e=1 s=5.69 10^-8

Gęstość strumienia cieplnego (emitancja)
= 1 ^. 5.67 10^-8 5750⁴ = 6,2 10⁷ W/m²

Moc promien. Słońca
= 4 p (1.4 10⁹/2)² 6,2 10⁷ = 3.82 10²⁶ W

Napromienienie na orbicie Ziemi (stała słoneczna) q
= 3.82 10²⁶ / 4 p (1.49 10¹¹)² = 1370 W/m²

Systemy pasywnego dogrzewania budynków pozwalają zaoszczędzić do 30% energii cieplnej. Koszt budowy rośnie o ok. 8%

Kolektory słoneczne są to urządzenia służące do zamiany energii promieniowania słonecznego na energię cieplną magazynowaną w postaci ciepłej wody lub podgrzanego powietrza. Taka metoda przetwarzania energii solarnej jest uznawana za szczególnie wydajną i funkcjonalną. Kolektor odbiera energię słoneczną i przekazuje ją poprzez tzw. czynnik grzewczy i wymiennik ciepła znajdujący się w zbiorniku (bojlerze) do ogrzania wody, która może służyć jako ciepła woda użytkowa, woda wspomagająca pracę układu centralnego ogrzewania lub do innych celów, jak np. suszenie płodów rolnych.

Podstawowe elementy kolektora:

• absorber, na którego powierzchni pochłaniane jest promieniowanie słoneczne: a / e = 4-6 !

• przykrycie przezroczyste,

• izolacja cieplna,

• obudowa zewnętrzna.

Przeznaczenie to ogrzewanie:

• pomieszczeń,

• basenów kąpielowych,

• ciepłej wody użytkowej.

Budowa kolektora rurowo-próżniowego jest następujaca: jest to długa rurka wypełniona parującym freonem (nazywana parownikiem), który skrapla się w jej górnej części, oddając ciepło w skraplaczu. Całość konstrukcji jest szczelnie zamknięta w termosie, czyli podwójnej rurze z próżnią. Ponieważ jest to przemiana izochoryczna, temperatura i ciśnienie w skraplaczu są wysokie. Zestaw składa się z 10 do 30 rur, a ciepło z każdej z nich oddawane jest do zbiorczej rury kolektorowej, przez którą przepływa ciecz solarna. Ciecz solarna, czyli specjalny roztwór glikolu (płyn niezamarzający), przekazuje to ciepło do zasobnika ciepłej wody, który podgrzaną wodę magazynuje.

Kolektory - usytuowanie Kolektor powinien być skierowany na południe z dopuszczalną odchyłką ±15⁰ i nachylony względem poziomu o 15-40⁰

Stawy słoneczne - budowa Największa instalacja w Izraelu: 20 ha, 5MW, sprawność 1%

Układy wysokotemperaturowe Czynnik chłodzący ma temperaturę ponad 300^oC

Przyjmując za kryterium sposób koncentracji mocy istnieją układy:

• zdecentralizowane - przemiana promieniowania w ciepło odbywa się w wielu pojedynczych koncentratorach, a czynnik chłodzący jest zbierany z wielu koncentratorów

• scentralizowane - zogniskowanie promieniowania z dużego obszaru na jednym koncentratorze, w którym nagrzewa się czynnik chłodzący

• Czynnikiem chłodzącym są zwykle stopione sole lub olej

Zjawisko fotoelektryczne to albo

• zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu lub,

• zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne (fotowoltaiczne) polegające na przeniesieniu nośników ładunku elektrycznego pomiędzy pasmami energetycznymi,

po naświetleniu jej promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości.

Zjawisko fotowoltaiczne Powstanie siły elektromotorycznej w ciele stałym pod wpływem promieniowania optycznego, jest przejawem fotoelektrycznego zjawiska wewnętrznego przejście elektronów w ciele stałym z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, wywołane absorpcją promieniowania świetlnego

Pole pod krzywą

m_cc(l,T)

m_cc( l,T)

m_cc(l,T)

n2

n1

510 nm - widzenie nocne

550 nm - widzenie dzienne

Krzywa względnej czułości oka ludzkiego

a2gr=p/2

promień graniczny

n2<n1

n1

a'1

a1gr

promień graniczny

retro odbicie

współbieżne

off specular

rzeczywiste

dyfuzyjne zwierciadlane kierunkowe

ϕ

ϕ'

n

Zwierciadlany

rozkład odbicia promieniowani promieniowania

---