Grundlagen der Wärme- und Infrarotstrahlung

Wärmestrahlung sind elektromagnetische Wellen, die Wärme ohne Transportmedium übertragen können. Laut Planckschem Strahlungsgesetz sendet jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt der Temperatur liegt, Wärmestrahlung aus. Das Spektrum dieser Strahlung ist abhängig von der Temperatur und der physikalischen und chemischen Beschaffenheit der Oberfläche.

Abbildung 1: Spektren elektromagnetischer Wellen

Von dem idealisierten Modell des Schwarzen Strahlers ausgehend kann das Spektrum der emittierten Strahlung mit dem Planckschen Strahlungsgesetz beschrieben werden. Ein Schwarzer Körper zeichnet sich dadurch aus, dass die auf ihn treffende Strahlung komplett absorbiert wird. Reale Strahler weichen mehr oder weniger von diesem Idealbild ab. Für deren Beschreibung dient unter anderem der Absorptionsgrad α und der Emissionsgrad ε.

Ein Strahler ist somit für seinen emittierenden Wellenlängenbereich effektiv, wenn er für diesen Bereich einen möglichst hohen Emissionsgrad besitzt.

In Abbildung 2 ist das spektrale Abstrahlungsvermögen des Schwarzen Körpers für einige Temperaturen aufgetragen. Alle Kurven besitzen ein Maximum, welches mit steigender Temperatur in Richtung abnehmender Wellenlänge verschoben wird. [www.etp.uni-hannover.de]

[Wikipedia]
Abbildung 2: Spezifisches spektrales Abstrahlungsvermögen des Schwarzen Körpers für verschiedene Temperaturen [www.wikipedia.de]

Strahlermodelle

Emission und Absorption entsprechen der Erzeugung oder Vernichtung von Strahlungsquanten, d. h. einer Wechselwirkung mit Materie. Atome emittieren bzw. absorbieren nur Quanten genau definierter Energie. Die Energiedifferenz des Zustandes im Atom vor und nach der Emission bzw. Absorption entspricht genau der Energie des Quants.

Die Zustände im Atom sind ebenfalls quantisiert. Bestimmte Wellenlängen entstehen durch bestimmte Anregungsstufen der Atome. Gleiche Atome haben gleiche Anregungsstufen und emittieren bzw. absorbieren deshalb unter der Voraussetzung genau gleich.

Einteilung der Infrarotstrahlung

Strahlung wird im Allgemeinen nach der Wellenlänge unterschieden (z. B.: Gamma-Strahlung < Röntgenstrahlung < Ultraviolettstrahlung (kurz: UV) < Infrarotstrahlung (kurz: IR) < Mikrowellenstrahlung). In vielen thermischen Prozessen kommen IR-Strahler zum Einsatz. Diese werden nach DIN 5031 in verschiedene spektrale Bereiche eingeteilt:

Benennung

Kurzzeichen

Wellenlänge in μm

Temperatur nach Wien

Sprachgebrauch

nahes Infrarot

NIR

0,78...1,4

über 1600 K

Kurzwelliges Infrarot

mittleres Infrarot

MIR

1,4...3,0

1600 – 800 K

Mittelwelliges Infrarot

fernes Infrarot

FIR

3...50
50...1000

800 - 3 K

Langwelliges Infrarot

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