Igazgató: Prof. BÁRSONY István DSc, H-1525 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33, Tel.:+361-3922225, Fax:+361-3922226

MFA Nyári Iskola Középiskolásoknak

A jelentkezéssel kapcsolatos információk ITT.

dr. BASA Péter #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:
Wien-törvény
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): lmax =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.)

Üvegház-hatás
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!)

rádió teleskópok
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!

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

termokamerás kép termokamerás víruskeresés
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.
termoelem
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.

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

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




MÉRÉSI FELADAT: - A diák megismerkedik a rendelkezésre álló, saját (MFA) fejlesztésű, mikromegmunkálással készült integrált termoelem eszközzel.
- Az eszközt felhasználva megvizsgálja a különböző hősugárzó felületek anyagi minőségének (pl. papír, műanyag, réz, fekete bársony) hatását a mért termofeszültségre. A mért jelből következtetünk az adott felület hőkibocsájtó képességére.
- Megvizsgáljuk a sugárzás irányítottságát is (vagyis a termofeszültséget megmérjük a sugárzó forrástól való távolság és irány függvényében).

ELŐTANULMÁNYOK: Otthon elvégezhető kísérlet: erős hősugárzó forrás lehet pl. egy kályha, vagy egy tűzhelyen néhány száz fokra melegített vaslap (pl. rezsó felülete), noha szemünkkel látható fényt nem bocsájt ki. Arcunkkal, szemhéjunkkal, kézfejünkkel mégis elég jól érzékelhetjük a kisugárzott hőt. Hogy ez nem a felmelegített levegő melege, azt úgy tudjuk ellenőrizni, hogy mondjuk egy karton lapot csúsztatunk a hőforrás és arcunk közé. Ebben a pillanatban meg kell szünnie a plussz hőérzetnek, ami azonnal visszatér, ha megszüntetjük a kartonlappal való árnyékolást.
Érzékenyebb, gyakorlottabb kísérletezők alacsonyabb hőmérsékletű (de nagyobb méretű) testek hősugárzását is érzékelhetik, pl. amikor egy ember elhalad előttük.



ELÉRHETŐSÉGEK:
Témavezető: dr. BASA Péter, Tel.:392-2222-1212, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:18/D, Szoba:107, E-mail:basa@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_18D)

Utolsó frissítés: Thu, 24 Jun 2010 15:52:48 GMT, Számláló: