Wichtige physikalische Gesetze

Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung und dem Spektralbereich oberhalb des sichtbaren Lichts zuzuordnen. Sie unterliegt den optischen Gesetzen. Natürlich sind stoffliche Eigenschaften wie Reflexion oder Brechung, von der Wellenlänge der optischen Strahlung abhängig und können zum Teil sehr starke Unterschiede zu unserem Erfahrungsbereich im sichtbaren Spektralbereich aufweisen. Objekte, die für uns matt oder oxidiert erscheinen können im IR noch extrtem gut reflektieren. Dies gilt bspw. für oxidiertes Aluminium. In den meisten Anwendungsfällen der Pyrometrie wird der überwiegende Anteil der optischen Strahlung, die von einem Objekt ausgeht, im infraroten Wellenlängenbereich liegen.Wärmestrahlung breitet sich in einem homogenen Medium geradlinig aus und wird durch Grenzflächen beeinflußt. Als Beispiel für gerichtete Reflexion sei der Oberflächenspiegel genannt (bspw. Glas mit aufgedampfter Aluminiumschicht oder polierte Metalloberflächen). Ideal diffuse Reflexion wird in der Praxisvon hochweißen Anstrichen an rauhen Oberflächen (weiße Fassade eines Hauses) erreicht. Bei den meisten Flächen finden Mischformen der Reflexion statt. Weiter ist es möglich (und in der Praxis fast immer der Fall), daß ein Teil der Strahlung in der Oberfläche absorbiert wird. Die Differenz einfallender zu reflektierter Energie der Strahlung wird über Absorptionsprozesse in der Oberfläche gebunden. Daraus wird der Absorptionsgrad definiert. In Bezug auf die Pyrometrie und Thermografie ist Reflexion oft recht bedeutsam. Im Strahlengang von optischen Geräten ist Reflexion, außer für die Strahlumlenkung, unerwünscht und muß konstruktiv minimiert werden. Oft tritt bei metallischen Oberflächen als Meßobjekt das Problem auf, daß Hintergrundstrahlung das Meßsignal durch Reflexion überlagert. Dieser Effekt bestimmt teilweise die Einsatzgrenze von Pyrometern und Wärmebildkameras. Die optischen Gesetze gelten für den gesamten Spektralbereich, lediglich an den Grenzen zum extremen UV oder den Radiowellen kann man deutliche Abweichungen feststellen.

Was sind Temperaturstrahler

Jeder Körper, mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunktes sendet elektromagnetische Strahlung aus. Diese nennt man Temperatur- oder Wärmestrahlung. Atome und Moleküle fester Stoffes führen Schwingungen um ihre Gleichgewichtslage im Festkörperverbund aus. Ferner ist die Schwingungsebene im Raum als Polarisation der optischen Strahlung zu deuten, die auch für Pyrometrie und Thermografie von Bedeutung ist (siehe Kapitel IR-Polfilter). Die Schwingungen werden um so heftiger, je höher die Temperatur eines Körpers ist. Dies Atome oder Moleküle wirken wie Hertzsche Dipole und senden dabei elektromagnetische Wellen (Strahlung) aus, die man als Wärmestrahlung nachweisen kann. Je höher die Temperatur eines Körpers ist, um so intensiver ist die ausgestrahlte Wärmestrahlung. Gase sind Volumenstrahler und viel komplizierter zu betrachten, als die hier behandelten Oberflächenstrahler. Auf sie wird nicht näher eingegangen.

Temperatur

Die physikalische Größe Temperatur, ist allen bekannt, Die bei uns übliche Celsiusskala ist rein empirisch entstanden. Man hat den Temperaturbereich zwischen schmelzendem Eis und siedendem 'Wasser bei einem Druck von 1,01325 bar (1 atm = 1,01325 bar) in 100 gleiche Teile geteilt (Quecksilberthermometer) und daraus das °C als "Schrittweite" gewonnen. Durch weitere Fixpunkte (Erstarrungspunkte o. Siedepunkte von reinen Stoffen usw.) wurde diese Skala erweitert. Die Temperatur kann nur bei thermischem Gleichgewicht sinnvoll angegeben werden. Dies ist bei sehr schnellen Temperaturänderungen zu beachten. Die absolute Temperaturskala beginnt beim absoluten Nullpunkt. Die Celsiusskala ist um +273,15 K versetzt.

Das Planksche Strahlungsgesetz

Für den erfolgreichen Einsatz von Strahlungsthermometern und Thermografiesystemen ist das Verständnis der Strahlungsphysik wichtig. Den Zusammenhang, wie sich die abgestrahlte Leistung einer Oberfläche über das Spektrum verteilt und wie sie von der Temperatur abhängt, formulierte Max Planck (1900). Er konnte experimentell ermittelte Isothermen (Linien gleicher Temperatur) eines schwarzen Strahlers in einer geschlossenen Formel darstellen, aus der sich ableitet, welche Leistung pro FIäche [W/m²] für eine feste Temperatur in verschiedenen Wellenlängen abgestrahlt wird.

Was ist ein schwarzer Strahler

Der schwarze Strahler (schwarzer Körper oder black body sind ebenfalls gebräuchlich) ist ein physikalisches Ideal, für das die Plancksche Strahlungsformel gilt. Reale Körper und Oberflächen weisen mehr oder weniger starke Abweichungen auf. Um der Definition näher zu kommen, benötigt man zwei weitere wichtige Begriffe, den Absorptionsgrad und den Emissionsgrad. Im thermischen Gleichgewicht ist Absorptionsgrad = Emissionsgrad. Der Absorptionsgrad ist ein Maß dafür, wie stark eine Oberfläche eine auftreffende Strahlung absorbiert. Ein idealer Spiegel reflektiert 100% der auftreffenden Strahlung und absorbiert 0%. Eine ideal "schwarze" Oberfläche absorbiert 100 % der auftreffenden Strahlung. Reale Oberflächen liegen zwischen diesen beiden Extremen. Dieser Zusammenhang, der nach seinem Begründer auch das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz genannt wird, kennzeichnet einen schwarzen Strahler also dadurch, daß er für eine beliebige Temperatur ein Maximum an Strahlung absorbiert und somit auch ein Maximum an Wärmestrahlung emittiert. Es ist unmöglich, daß ein realer Temperaturstrahler mehr Strahlung aussendet als ein schwarzer Strahler der gleichen Temperatur! Durch einen Trick kann man sich dem schwarzer Strahler annähern. Man verwendet Hohlraumstrahler, die durch Mehrfachreflexion an den stark absorbierenden Innenwänden für kleine Raumwinkel eine sehr gute Näherung ergeben. Entscheidend für die Güte eines Hohlraumstrahlers ist das Verhältnis von Hohlraumvolumen zur Öffnungsfläche und dem Emissionsgrad der Hohlrauminnenwände. Allerdings sind dieser Bedingung Grenzen gesetzt, da für sehr große Hohlraumvolumina Probleme mit der Temperaturgleichheit aller Innenwandflächen auftreten. In der Praxis sind quasi Holraumstrahler für die Mesung bedeutsam.

Bei pyrometrischen Messungen an stark glänzenden Metalloberflächen, die zerklüftete Oberflächen aufweisen (siehe Druckguss) kann man diesen Effekt ausnutzen, indem man bewußt Hohlräume, Spalten, Löcher, etc. anpeilt. Sind sie etwa 5 x tiefer als breit, verhalten sie sich etwa wie Hohlraumstrahler. Der Emissionsgrad liegt hier bei 0,94...0,98 (Praxiswert). Der Hohlraumeffekt ist auch im sichtbaren Spektrum zu beobachten. Bei intensivem, leicht schräg einfallendem Sonnenlicht, kann man in Räumen eines etwas entfernt stehenden Hauses bei geöffneten Fenstern keinerlei Strukturen im Zimmer ausmachen. Die Fensteröffnung erscheint schwarz bzw. dunkel. Es wird ein Großteil der einfallenden Sonnenstrahlen durch Mehrfachreflexion im Zimmer absorbiert. Trotzdem ist das Zimmer innen natürlich taghell.

Graue Strahler bzw. selektive Strahler

Der schwarze Strahler ist ein physikalisches Ideal (E = 1), reale Oberflächen haben einen geringeren Emissionsgrad. Hat eine Oberfläche die Eigenschaft, daß der Emissionsgrad zwar kleiner 1, aber für alle Wellenlängen, bei denen er nennenswert strahlt, konstant ist, so spricht man von einem grauen Strahler (E = const.). Ist E abhängig von der Wellenlänge, handelt es sich um einem selektiven Strahler.
Mineralien, starke Oxidschichten, Holz, menschliche Haut, Mauerwerk sind Beispiele für annähernd graue Strahler. Kunststoffe (Lacke) zeigen oft starke selektive Eigenschaften. Die meisten Gase sind ebenfalls Selektivstrahler.