#01a - HŐSUGÁRZÁS VIZSGÁLATA INTEGRÁLT TERMOELEMMEL - személyes HONLAP Témavezető: dr. BASA Péter, Tel.:392-2222-1212, Épület:18/D, Szoba:107, E-mail:basa@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_18D)

A HŐSUGÁRZÁSRÓL:

1. ábra. Az elektromágneses sugárzás Wien-féle eltolódási törvénye.

A hősugárzás az elektromágneses sugárzás egyik fajtája, jellemző hullámhossza nagyobb a látható fényre jellemző 430-780 nm-nél. Bármely test, amelyik melegebb az abszolút nulla foknál (0 K = -273,15 °C) hőmérsékleti sugárzás bocsát ki magából. A hősugárzás egyszerre többféle különböző hullámhosszúságú elektromágneses sugárzást is tartalmaz, de van egy a hőmérséklettől függő jellemző maximuma, hogy melyikből a legtöbbet. Ezt írja le az ún. Wien-féle eltolódási törvény (1. ábra): l_max =b/T (ahol "T" a test Kelvinben mért abszolút hőmérséklete, "b" pedig az eltolódási konstans, melynek értéke: 2897768 [nm*K] ). Behelyettesítés után azonnal láthatjuk, hogy egy szobahőmérsékletű (27 °C =300 K) test kb. 10 mm hullámhosszon sugároz a leginkább, a mi Napunk pedig (melynek felszíne 5700 K hőmérsékletű) 510 nm körül (vagyis zöldben). Hogy a Nap fénye és hősugarai eljussanak a Földre, ahhoz nem kell semmilyen különleges közeg, mert az elektromágneses hullámok a vákuumban akadálytalanul közlekednek (c = 3*10⁸ m/s sebességgel). Sőt, valójában éppen az a helyzet, hogy a tiszta vákuumban terjed a legkönnyebben (és gyorsabban), de ha pl. csillagközi gáz és por van jelen, akkor lelassulhat, vagy el is akadhat. Az elektromágneses hullámoknak ez a szóródása és elnyelődése szintén erősen hullámhossz függő. Ha nem nagyon elnyelő a közeg, vagyis csak a szóródás hatásával kell számolnunk, a hullámok általában zavartalanul ki tudják kerülni a hullámhosszuknál jóval kisebb tárgyakat, de össze-vissza szóródnak a nagyobbakon. Ezért előfordulhat, hogy egy adott közeg, pl. ködös levegő, kék színben már nem eléggé átlátszó, de sárgásban még egészen jól (lásd: ködlámpa), közeli infravörösben meg egyenesen kiválóan. (Hasonló okból látjuk kéknek az eget, és sárgásnak a Nap fényét, bár ott a szórócentrumok mások is lehetnek.)

2. ábra. Az üvegház-hatás visszatartja a Nap által felmelegített Földről kisugárzott hő egy részét.

Az anyagok a hősugarakat (és általában az elektromágneses hullámokat) nemcsak kisugározni és szórni (visszaverni) tudják, de elnyelni is, mégpedig az anyagi minőségüktől függően másképp. A hősugarakat pl. elég jó hatásfokkal képes elnyelni a víz (H₂O) és főleg a széndioxid (CO₂), ezért a Napról a Föld felszínére érkező energia jó része csapdába tud esni (üvegház-, vagy melegház-hatás), ugyanis miután a felszíni tárgyakat felmelegítette a Nap fénye, az energia hősugárzás formájában távozna, de csak részben tud, mivel a hősugarakat elnyeli a légkör CO₂ tartalma, és az energia egy részét visszairányítja a Föld felszínére. (Ha nem lenne ez az üvegház-hatás, akkor a Földön az átlaghőmérséklet pár tucat °C-kal is alacsonyabb lenne, ráadásul sokkal jobban ingadozna is!)

3. ábra. Rádióteleszkópok.

Jellegzetes felhasználója a hősugaraknak az infravörös és a rádiócsillagászat. Például kiderült, hogy a kozmoszból mindenhonnan észlelhető egy olyan mikrohullámú háttérsugárzás, amely egy 2,725 K hőmérsékletű feketetest hősugárzásának felel meg (1,1-1,9 mm körüli jellemző hullámhosszal). Ezt a kozmológusok az egykori Big-bang (Ősrobbanás) következményének (és bizonyítékának) tekintik. De a csillagászok másért is szeretik az infravörös sugarakat. Bár az Univerzum úgy általában meglehetősen tiszta (a látható fényben milliárd fényév távolságokra is el tudunk látni benne - amit pl. Budapest levegőjéről távolról sem állíthatunk), bizonyos irányokban a csillagközi por miatt mégsem. Így a spirálgalaxisok, jelesül a mi Galaxisunk síkjában sem látunk messze normál fényben. A hősugarak hullámhosszán viszont igen, és ez teszi lehetővé, hogy elképzelésünk legyen arról, mi minden van mondjuk a centrumában (4. ábra). Megemlítendő az is, hogy az egészen távoli galaxisok (és kvazárok) fénye a Hubble-állandóval jellemezhető Doppler-féle vöröseltolódást szenved, így csak akkor láthatjuk őket, ha a hősugárzás tartományában keressük!

4. ábra. A mi Galaxisunk központi része közeli infravörös fényben (Subaru teleszkóp).

5. ábra. Különféle tárgyak, bútorok hőkamerás képe (balra), vírusfertőzött emberek hőkamerás keresése Ferihegyen (jobbra).

Hogy figyelmünket közelebbi dolgokra vessük, a hősugarak detektálása jól jöhet akkor, ha a sötétben is észlelni szeretnénk egy-egy rossz helyen ólálkodó egyént (de hasonlóak a katonai éjjellátó készülékek is), vagy ha kamerát is tudunk csinálunk az eszközből, akkor egész házakról is megállapíthatjuk, hogy merre szökik el a hő, vagy egy beteg embernél azonnal láthatóvá válhatnak a lázas testrészek. Így próbálták meg kiszűrni az új influenza vírussal (H1N1) fertőzött utasokat is a ferihegyi repülőtéren (5. ábra, jobbra). Fontos a minél érzékenyebb, és a különféle célokra mind jobban adaptálható érzékelő eszközök kifejlesztése.

TERMOELEM:
A termoelektromos átalakítók hőmérsékletkülönbség hatására villamos feszültséget (áramot) szolgáltatnak. A 6. ábrán az "A" és "B" különböző anyagi minőségű huzalok mindkét végét érintkezésbe hoztuk.

6. ábra. Termoelem.

Az egyik érintkezési pont hőmérséklete T₁, a másiké T₂. Az ábrán látható kapcsolást termoelemnek, a magasabb hőmérsékletű csatlakozási pontot melegpontnak, az alacsonyabb hőmérsékletű csatlakozási pontot hidegpontnak nevezzük. Ha (mint esetünkben) az érintkezési pontok különböző hőmérsékleten vannak, a két fém vezető által létrehozott áramkörben villamos áram fog folyni. A vezetékben keletkező ún. elektromotoros erőt pedig termofeszültségnek nevezzük. A termofeszültség az érintkezési helyek hőfok különbségétől és az alkalmazott anyagpártól függ. Adott huzalpár esetén a termofeszültség csak a hőmérsékletkülönbség függvénye, ezért ha ismert az egyik pont hőmérséklete (T₁), akkor a másik pont hőmérsékletét (T₂-t) a termofeszültség mérése útján meg lehet határozni.

A termoelektromos-effektust az okozza, hogy a szabad töltéshordozók (elektronok, lyukak, ionok) az anyagokban egyúttal hőt is szállítanak, ezért amikor termikus okokból (diffúzió révén) a magasabb hőmérsékletű és koncentrációjú helyről átmennek egy hidegebb helyre, akkor egyúttal elektromos töltést is visznek magukkal. De ha csak 1 db vezetékünk lenne ("A" vagy "B"), akkor annak végei között hamarosan kialakulna (éppen a diffúzió miatt!) egy olyan ellentétes irányú elektromos feszültség, amely leállítaná a további diffúziót. Viszont a vázolt módon összekötött 2-féle drótban különböző nagyságú elektromos feszültség tudja csak leállítani az áramot, ezért ha a drótvégeiket összekötjük, akkor biztosan megmarad egy különbségi feszültség (ti. a termofeszültség) amely mellett az elektromos áram folyamatosan megmarad az "A" és "B" vezetékek által képzett hurokban (ameddig csak T₁ és T₂ különböznek).
Innen már sejthető, hogy az effektus fordítva is működik, vagyis ha hőt is szállító töltéshordozókat visszafelé pumpáljuk (mondjuk egy telep bekapcsolásával), akkor akár azt is elérhetjük, hogy a hő a hidegebb helyről menjen a melegebbre (Peltier-effektus).

HŐSUGÁRZÁS VIZSGÁLATA TERMOELEMMEL:
Ha hősugárzás éri a termoelem egyik pontját, az ott elnyelődhet, és ennek következtében annak a pontnak a hőmérséklete (T₂) a másikéhoz képest (T₁) megnő. A termoelem feszültségének mérésével a fentiek szerint következtetni lehet T₂-re. T₂ ismeretében pedig arra lehet következtetni, hogy mennyi hőenergia nyelődött el (ha ismerjük a termoelem hőkapacitását), az elnyelődött hőenergiából pedig következtethetünk, hogy mennyi sugárzódott ki, ami viszont a sugárzó test hőmérsékletének a függvénye (továbbá az anyagi minőségnek és a geometriának). Az előbbiekből nyilván érződik, hogy a sugárzó test hőmérsékletének a mérése termoelemmel nem is olyan egyszerű feladat, hiszen a hőelnyelő, illetve hőkibocsájtó képesség nagyban függ az anyagi minőségtől, így nem mindegy, hogy milyen anyagból készült hősugárzó testet milyen anyagból készült termoelemmel vizsgálunk.
Feltétlenül meg kell emlékeznünk a Stefan-Boltzmann-féle sugárzási törvényről, amely azt fejezi ki, hogy egy ún. feketetest (egységnyi felületen és idő alatt) összesen mennyi energiát sugároz ki (tehát minden hullámhosszon együtt): sT⁴ (ahol "T" az abszolút hőmérséklet, "s" pedig a Stefan-Boltzmann-állandó: 5,672*10^-8 [Wm^-2K^-4] ). Láthatjuk, hogy a termikusan kisugárzott energia mennyisége rendkívül meredeken (a 4. hatványon) emelkedik a hőmérséklet függvényében. Vagyis hideg testek csak rendkívül gyengén sugároznak, de a hőmérséklet emelkedésével ez roppantul fel tud erősödni.

7. ábra. Szilícium szelet, 1 blokk 10*10 termoelem chipet tartalmaz.

8. ábra. Poliszilíciumból készült "n" és "p" típusú termoelemek.