Embedded Files
wat is een zwarte straler?
wat is een zwarte straler?
Een zwarte straler is een idealisatie van een voorwerp dat alle invallende straling absorbeert. In de natuur vind je dus nooit een echte zwarte straler, maar heel wat voorwerpen kunnen bij benadering wel als een zwarte straler voorgesteld worden. Dit is hetzelfde met de ideale gaswet; een ideaal gas bestaat niet, maar de gassen die in de natuur voorkomen gedragen zich vaak bij benadering als een ideaal gas.
Een zwarte straler is een voorwerp die alle invallende straling zal absorberen, vandaar "zwart". Hierdoor zal dat voorwerp (de zwarte straler) de energie van de invallende straling opnemen. Deze energie treedt in de bal op als waarneembare warmte en de temperatuur van de bal zal stijgen.
De mate waarin de bal zal opwarmen, is afhankelijk van de hoeveelheid energie die op de bal invalt. Op deze manier zou de bal blijven en blijven opwarmen, wat niet mogelijk is omdat de bal in thermisch evenwicht moet zijn omgeving is. Hierdoor is de bal genoodzaakt de opgenomen energie terug vrij te geven.
De zwarte straler absorbeert de invallende energie en zendt ook energie uit in de vorm van warmtestraling. We zullen zien dat deze warmtestraling enkel afhankelijk is van de temperatuur van de zwarte straler. Deze warmtestraling is noodzakelijk om het thermisch evenwicht te garanderen.
De energie van een elektromagnetische golf
De energie van een elektromagnetische golf
Illustratie van een foton
De golflengte is een eigenschap van een elektromagnetische golf en wordt aangeduid met het symbool λ. De snelheid waarmee de golven zich voortplanten doorheen het vacuüm is de lichtsnelheid en wordt aangeduid met symbool c. Deze snelheid is voor alle elektromagnetische golven, ongeacht de golflengte, dezelfde.
De energie van een elektromagnetische golf bepalen is niet zo eenvoudig. Het is eenvoudiger om de energie van een foton te bepalen. Een foton is een zéér klein deeltje dat de energie van een golf bezit. fotonen kan je daarom zien als boodschapperdeeltjes van een elektromagnetische golf die energie overbrengen.
Om dit te duiden beschouw je volgende situatie: je staat op een brug boven een autostrade, er is geen file en het verkeer kan vlot onder je passeren. De verkeerstroom passeert onder de brug, dit is de elektromagnetische golf. De individuele auto's stellen dan de fotonen voor. De fotonen kun je zien als de bouwstenen van een elektromagnetische golf. De energie bepalen van het verkeer is dan gelijk aan het aantal auto's vermenigvuldigd met de (gemiddelde) energie van de auto's.
De energie van de golf wordt bepaald door de hoeveelheid fotonen (de intensiteit) en de energie van de fotonen. Elk foton heeft een specifieke energie die enkel afhangt van de golflengte. Wanneer de golflengte gekend is, kan je de energie van het foton berekenen. De energie van het foton wordt aangeduid met E_λ en wordt berekend zoals hiernaast is weergegeven. Hoe korter de golflengte, hoe meer energie een foton draagt.
Elektromagnetisch spectrum.
De straling van een zwarte straler
De straling van een zwarte straler
Een zwarte straler is meer dan een voorwerp dat alle straling absorbeert, het zendt ook warmtestraling uit. Zoals je al gelezen hebt, is deze uitgezonden warmtestraling alleen maar afhankelijk van de temperatuur van het voorwerp en dus onafhankelijk van de vorm.
In de simulatie hiernaast kan je zien dat een zwarte straler niet alleen straling bij één bepaalde golflengte uitzendt, maar eerder een verdeling van straling bij verschillende golflengten.
Deze verdeling heeft een duidelijk maximum, wat wilt zeggen dat de meeste warmtestraling wordt uitgezonden bij een golflengte die overeenkomt met het maximum van de verdeling.
Fysicus Max Planck berekende deze verdeling in 1900 en die staat nu dus bekend als de stralingswet van Planck (formule rechts).
Wanneer je hierin een temperatuur T en een golflengte λ invult, kun je zo de stralingsintensiteit bepalen van een zwarte straler met temperatuur T bij de gekozen golflengte. Zo zal voor een koud voorwerp de intensiteit van een golf met een korte golflengte (dus hoge energie) beperkt zijn. De verdeling is hierboven weergegeven voor verschillende temperaturen.
Deze stralingswet van Planck is echter niet zo handig om te gebruiken. Handiger in gebruik zijn de verplaatsingswet van Wien en de wet van Stefan-Boltzmann.
Verplaatsingswet van Wien
Verplaatsingswet van Wien
Hoe hoger de temperatuur, hoe meer de distributie een duidelijke piek vertoont. Op basis van de distributie van Planck kunnen we bepalen bij welke golflengte λ_max de grootste intensiteit uitgestraald wordt. Hieronder vind je de uitdrukking die we de verplaatsingswet van Wien noemen. Hoe hoger de temperatuur van de zwarte straler, hoe meer de distributiepiek opschuift naar kortere golflengte (en dus meer energetische straling).
Wet van Stefan-Boltzmann
Wet van Stefan-Boltzmann
De fluxdichtheid (F) is een grootheid die vaak gebruikt wordt in de fysica. Deze drukt uit hoeveel vermogen (aan energie) er doorheen een oppervlakte gaat. Men kan aantonen dat de fluxdichteid van een zwarte straler beschreven wordt door een eenvoudige uitdrukking. Deze uitdrukking staat bekend als de wet van Stefan-Boltzmann en heb je nodig in de oefening "temperatuur op aarde berekenen".
Oefening dubbelster
Oefening dubbelster
Hiernaast zie je een foto van een dubbelster 'Albireo'. Dat zijn twee sterren die samengehouden worden door hun zwaartekracht, zoals de maan en de aarde ook aan elkaar gebonden zijn. Albireo is te vinden in het sterrenbeeld de zwaan en is met het blote oog te zien. Om beide sterren afzonderlijk te zien heb je wel een verrekijker of telescoop nodig.
Verder met het leerpad:
Figuren:
De energie van een elektromagnetische golf:https://physicsworld.com/a/photon-shape-could-be-used-to-encode-quantum-information/http://gsp.humboldt.edu/olm_2015/Courses/GSP_216_Online/lesson1-2/spectrum.htmlhttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Black_body.svgOefening dubbelster:https://fineartamerica.com/featured/albireo-in-cygnus-john-chumack.htmlGoogle Sites
Report abuse