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Schwarzer Körper


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Der schwarze Körper ist ein idealisiertes Gedankenmodell der Physik. dient als Grundlage für sowohl theoretische Betrachtungen als auch Referenz für praktische Untersuchungen elektromagnetischer Strahlung .

Inhaltsverzeichnis

Begriffsentstehung

Der Begriff "schwarzer Körper" wurde 1862 von Gustav Kirchhoff geprägt.

Eigenschaften

Ein schwarzer Körper nimmt auftreffende elektromagnetische Strahlung etwa Licht vollständig auf ( Absorption ). Andererseits gibt er aufgrund seiner thermischen ( Temperatur ) Strahlung einer bestimmten spektralen Verteilung ab Emission ). Er lässt weder Strahlung durch sich noch spiegelt oder streut er sie zurück. der Realität können diese Eigenschaften nur annähernd auftreten.

Die beschriebenen Eigenschaften sind nicht nur Körpern zu beobachten: Das Weltall hat beispielsweise die Eigenschaften eines schwarzen Körpers. Es "verschluckt" von einem Beobachter ausgesandte Strahlung und "leuchtet" ein Körper sehr kleiner Temperatur. Da auch Erde ins All strahlt sinken während einer Nacht deshalb die Außentemperaturen.

Besonders gute technische Konstruktionen eines annähernd schwarzen Körpers sind Hohlkugeln geschlossene hohle Zylinder . Sie haben innen eine geschwärzte und Oberfläche . An einer Stelle ist ein winziges Loch . Dort hindurch eintretende Strahlung wird im fast vollständig aufgenommen kann damit von aussen "gesehen" werden. Die Wärme in einer solchen lässt durch das Loch die so genannte Hohlraumstrahlung austreten. Ab einer bestimmten Temperatur ist sichbares Licht und direkt zu sehen. Das Loch sich somit nahezu wie ein schwarzer Körper. schwarzer Körper ist eben ein Gedankenmodell und weder schwarz noch ein Körper sein. Das ist schon verblüffend. Für Untersuchungen sind technische schwarze Körper notwendig. Perfekt sie alle nicht. Je nach Bedarf müssen entsprechend aufwendig hergestellt werden um den idealen Eigenschaften so nahe wie notwendig zu kommen.

Physiker versuchen physikalische Gesetze mit mathematischen Gleichungen zu beschreiben. Für schwarze Körper ist auch geschehen. Max Planck gelang es als erstem in einer Form. Das Gesetz trägt seinen Namen und Plancksches Strahlungsgesetz . Es beschreibt die Intensität und Frequenzverteilung der von einem schwarzen Körper ausgesendeten Strahlung.

Anwendungen

Ruß ist ein Beispiel für einen schwarzen Körper. Er absorbiert die Strahlung nicht aber unabhängig von der Wellenlänge (grauer Körper).

Die Erforschung der Schwarzkörperstrahlung war bedeutend sie in eine Zeit fiel die noch elektrisches Licht kannte. So fand sie etwa in der Konstruktion von Gasleuchten mit Glühstrumpf das eigentlich unsichtbare Licht der Flamme in Licht umwandelt.

Die Kenntnis über das Strahlungsverhalten heißer war auch von militärischer Bedeutung da sie Härtung von Stahl ermöglichte zu einer Zeit noch über sehr geringe metallurgische Kenntnisse verfügte.

Die gesamte Strahlungsenergie ist proportional der Potenz der absoluten Temperatur . Diese als Stefan-Boltzmann-Gesetz bezeichnete Gesetzmäßigkeit wird auch von Strahlungsthermometern um die Temperatur eines Körpers zu ermitteln.

In der Astronomie werden Sterne oft durch schwarze Körper approximiert. Der zwischen der theoretischen Kurve und dem Sternspektrum gibt Aufschluß über die chemische Zusammensetzung Eigenschaften wie das Magnetfeld des Sterns.

Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist näherungsweise eine Schwarzkörperstrahlung mit einer von 2 725 ± 0 020 Kelvin. einer gegebenen Strahlungsleistung pro Flächeneinheit gemäß dem entsprechende Temperatur heißt Effektivtemperatur . Sie weicht von der tatsächlichen Temperatur so mehr ab je weniger der Strahler schwarzen Körper entspricht. Der Begriff der Effektivtemperatur nur bei einigermaßen guten realen Schwarzkörpern Sinn Sterne Glühwendel aber nicht Leuchtstoffröhren Polarlichter und Lichtquellen mit wenigen Spektrallinien ).

Anschauliches Beispiel zur Absorption im Hohlraum

Aus einiger Entfernung erscheint ein offenes wie ein schwarzer (oder zumindest dunkler) Fleck der Hauswand obwohl die Innenwände sicher nicht sind. Offensichtlich wird das einfallende Tageslicht im verschluckt und kann nicht mehr (oder nur teilweise) aus dem Fenster entweichen. Das Zimmer (in einem vereinfachten Sinne) Strahlung wie ein Körper. Baumeister kennen dieses Phänomen und täuschen in einer Wand vor in dem sie Stelle schwarz einfärben. Noch ein Fensterrahmen darum und helle Fensterkreuze und schon ist das in der Wand. Das menschliche Auge ist

Literatur

  • Max Planck "Ueber das Gesetz der im Normalspectrum" Annalen der Physik vol. 4 553 ff (1901).

Weblinks



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