Theorie uitstraling

Op deze pagina beperk ik me tot straling rond het zichtbaar licht tot en met de warmtestraling. Het betreft het gebied van 350 nm (ultraviolet licht) tot en met 10.000 nm de warmtestraling. 

In simpele bewoordingen wil ik graag uitleggen hoe het ongeveer in elkaar steekt. Zeer uitgebreide uitleg is uiteraard te vinden op het internet, bijvoorbeeld bij Wikipedia.

Straling is niets anders dan een hele verzameling (spectrum) elektromagnetische radiogolven. Net zoals bij de middengolf van vroeger of de FM-band van de radio wordt de straling uitgedrukt in golflengte in meters of delen daarvan. Het gedrag van straling is heel interessant. Bij de radiogolven is het goed onderscheid te maken in verschillende gebieden:

 

  • Golflengte meer dan 10 m (de lange golf, middengolf en korte golf) wordt gebruikt voor communicatie en radio en kan op zeer eenvoudige wijze worden gegenereerd. Deze golflengtes buigen mee met de aardkromming. Hoe langer de golflengte, des te beter de golven de aardkromming volgen, en daardoor dus een grotere afstand over de aarde bereiken.
  • Golflengte van 10 m tot 1 cm zijn de microgolven. Deze golven gaan nagenoeg rechtlijnig en buigen dus nauwelijks. Wordt gebruikt voor satellietcommunicatie, wifi, GSM, GPS, magnetron enz.
  • Golflengte tussen 10 mm en 0,0008 mm (= 0,8 µm = 800 nm) is infraroodstraling. Een groot deel van het zonlicht bestaat uit infraroodstraling, warmtestraling. Ongeveer 45 % van de energie van het zonlicht zit in het infrarood gebied.
  • Golflengte tussen 800 nm en 400 nm is zichtbaar licht. 45 % van de energie van het zonlicht zit in dit gebied. (plaatje Wikipedia)

  • Golflengte onder de 400 nm wordt echt gevaarlijk, hier begint het ultraviolet licht, welke niet zichtbaar is. Ongeveer 10 % van het zonlicht zit in dit gebied. Hiervan verkleurt de huid en het zorgt ook voor beschadigingen aan de huid. Deze beschadigingen uiten zich in huidveroudering en het kan zich tot huidkanker ontwikkelen. Hoe korter de golflengte hoe gevaarlijker de straling.
  • Nog verder onder deze golflengte beginnen de röntgen‑ en gammastralen.

Voor de context van deze pagina is het gebied van ongeveer 10 µm (10000 nm) tot 0,2 µm het belangrijkst.

Elk voorwerp, meestal lichaam genoemd, straalt uit.  De piek-golflengte is dan uit te rekenen en is

0,0028977 m.K/ T (T in Kelvin).

Dit wordt de wet van Wien genoemd. Elke golflengte heeft zo zijn eigen bijzondere eigenschappen zoals eerder verteld.

Ook elk lichaam heeft zijn eigen bijzondere eigenschappen. Dit is dan een combinatie van absorptie, reflectie of transparantie en kan voor elke golflengte iets anders zijn. Het werkt ook twee kanten op: een lichaam welke straling van een bepaalde golflengte goed absorbeert straalt bij dezelfde golflengte ook goed uit. Deze eigenschap is symmetrisch, ook omkeerbaar genoemd. Het is ook goed te weten dat reflectie en absorptie samen 100 % is.

 

Als de temperatuur van een lichaam bijvoorbeeld 35˚C is, straalt deze met een golflengte van 2898/ (273+35) = 9,4 µm = 9400 nm. Deze golflengte valt ver in het infrarode gebied. Straling met deze golflengte gaat niet door glas. Voor deze golflengte is glas niet transparant. Het glas reflecteert de straling gedeeltelijk en de rest van de straling wordt geabsorbeerd. Met een infraroodcamera is dit goed te zien. Een mooi voorbeeld van dit verschijnsel is dat het in een auto bloedheet kan worden. Het zichtbare licht kan wél door het glas. Dat licht wordt in de auto geabsorbeerd, waardoor de auto van binnen opwarmt. Daardoor ontstaat er straling met een andere golflengte van typisch 9 µm. Deze infrarode straling kan niet meer door het glas de auto uit. Dit werkt dus ook zo bij gewoon vensterglas. Met selectieve filters (coating) kan de opwarming nog wel wat verminderd worden. Het zonlicht bestaat voor 45 % uit zichtbaar licht. De rest van het zonlicht is ultraviolette (golflengte < 400 nm) en infrarode (golflengte > 680 nm) straling. Met filters kan de niet-zichtbare straling tegengehouden worden. Dat scheelt ongeveer 50  % van de opwarming door warmte-instraling. Omgekeerd kunnen ramen ook geen warmte uitstralen door het transparant zijn, behalve als het raam zelf warm wordt en zelf gaat uitstralen. Dit is de reden waarom er een spouw geplaatst wordt bij dubbelglas met een isolerend gas en er soms zelfs nog een reflector voor infraroodfilter tussen wordt geplaatst. We kunnen ook bedenken dat een lichaam (voorwerp) buiten warmte uitstraalt. Bij een heldere hemel is de schijnbare temperatuur van de hemel bijvoorbeeld -30 °C.

Zie Wikipedia: https://nl.wikipedia.org/wiki/Constante_van_Stefan-Boltzmann. Een klein stukje  uit hieruit:

De constante van Stefan-Boltzmann, ook soms constante van Stefan genoemd om verwarring met de Boltzmannconstante te vermijden, wordt aangeduid met de Griekse letter σ.

Deze thermodynamische constante geeft de verhouding tussen de uitgestraalde energie per tijdseenheid en oppervlakte-eenheid van een zwart lichaam en de vierde macht van de absolute temperatuur van het voorwerp, in formulevorm:

P = σ x T4   Hierbij is de waarde van de constante σ gelijk aan 5,670 . 10-8 

Het omgekeerde is ook waar: als het kan uitstralen, kan het ook absorberen. Als we twee vlakken hebben tegenover elkaar dan wordt het sommetje
P = σ . T1–  σ . T24  

= σ . (T1–  T24)

Nemen we als voorbeeld een vlak van 10 °C en een van -30 °C, dan wordt de uitwisseling van stralingsvermogen

P = 5,67 * 10-8 * (T14-T24) =         T1 is de absolute temperatuur van het lichaam  = 383 K (10 °C)

                                                        T2 is de absolute temperatuur van het lichaam = 343 K (-30 °C)

P = 5,67 * 10-8 * (T14-T24) = 5,67 * 10-8 * (3834  – 3434) = 435 W/ m2

Het is niet toevallig dat ik deze twee temperaturen als voorbeeld geef. Bij + 10 °C denken we aan een voorwerp zoals een boom of een auto, bij -30 °C denk ik aan de heldere hemel die overigens nog veel kouder kan zijn. De foto op de homepage van deze website is dan te verklaren met bovenstaande formule. Bomen kunnen aanmerkelijk kouder worden dan de omgeving bij een heldere hemel waardoor ook bloemknoppen van fruitbomen kunnen bevriezen. Toch is er een moment dat er een evenwicht is en het niet kouder wordt. Bomen of een auto neemt ook warmte op uit de omgeving, bijvoorbeeld door convectie (bewegende lucht) geleiding of condensatie (nat worden) of sublimatie (rijp of aanvriezing). 

Bovenstaande laat zien dat de warmte‑uitstraling zeer groot kan zijn. Het verklaart ook dat in één nacht bij heldere hemel veel ijs kan aangroeien. Om dezelfde reden kan een muur of raam kouder kan zijn dan de lucht eromheen. Dat verklaart ook waarom een goed HR++ raam aan de buitenkant beslagen kan zijn. De condens-vorming is het gevolg van goede isolatie naar binnen en uitstraling naar buiten. Daar is niets aan te doen anders dan de isolatie slechter maken en dat wil je niet.

De zon heeft een buitentemperatuur van ongeveer 5500 K. We kunnen de piekgolflengte uitrekenen met de wet van Wien: 2898/5500 = 550 nm. Dit is golflengte van de kleur geel. Op deze manier komen we ook aan de uitdrukking kleurtemperatuur bij lampen en bij kunstlicht in het bijzonder. Hoe hoger de kleurtemperatuur, hoe blauwer de kleur. Hoe lager de temperatuur, hoe roder de kleur. De straling betreft niet één golflengte maar een heel gebied van 300 nm tot ca. 2000 nm. Van 300 nm tot 420 nm is het ultraviolet gebied.  Dit is echt gevaarlijk voor de ogen (lasogen) en zorgt dat je huid een kleurtje krijgt, maar ook dat je huidkanker kunt krijgen. Het zorgt ook voor verkleuring van vloerbedekking, gordijnen enz. Het infrarode deel is de echte warmtestraling, maar ook deze straling is niet ongevaarlijk. De straling gaat namelijk ook door de gesloten oogleden en kan dus ook het oog beschadigen. Het gebied tussen 500 nm en 670 nm zorgt dat de zonnepanelen hun werk kunnen doen.