Ein Leitfaden zum Verständnis schwarzer Körper – Black Bodies
Was bezeichnet man als Schwarzkörper – Black Body?
Ein schwarzer Körper – Black Body, auch Schwarzkörper genannt, beschreibt in der Theorie ein Objekt, das alle elektromagnetischen Strahlen, mit denen es in Berührung kommt, absorbiert, so dass alle Wellenlängen des Lichts ebenfalls absorbiert werden. Im Gegenzug wird kein Licht reflektiert. Ohne reflektiertes Licht erscheint das Objekt schwarz, daher der Name “ Schwarzkörper – Black Body“. Entgegen der verbreiteten Meinung ist es für den Menschen derzeit unmöglich, dieses Phänomen zu erzeugen – es gilt als theoretisch. Es ist möglich, ein Objekt zu schaffen, das fast ein Schwarzkörper ist, d. h. das Objekt fängt den größten Teil der Strahlung ein, die auf ihn fällt, aber eben nicht alles.
Was sind die Merkmale eines Schwarzkörpers – Black Body?
Schwarzkörper zeichnen sich dadurch aus, dass sie die gesamte Strahlung, mit der sie in Berührung kommen, absorbieren. Für die Berücksichtigung dieser Massenabsorption gibt es bestimmte Faktoren. In erster Linie muss der Absorptionskoeffizient gleich eins sein. Ist der Absorptionskoeffizient gleich eins, so ist der Reflexionskoeffizient zusammen mit dem Transmissionskoeffizienten gleich null. Einfacher und weniger technisch ausgedrückt: Schwarzkörper reflektieren oder übertragen kein Licht, sondern nur Wärme im Verhältnis zu ihrer Temperatur. Diese proportionale Wärmeabgabe ist der Grund dafür, dass Objekte nicht unendlich heiß werden.
Beispiele für einen Schwarzkörper – Black Body
Sterne
Sterne sind zwar technisch gesehen kein perfektes Beispiel für einen Schwarzkörper, aber sie kommen dem schon recht nahe. Jedes Photon, das einen Stern erreicht, wird vollständig absorbiert. Außerdem spiegeln Sterne schwarze Körper wider: Sie strahlen Wärme im Verhältnis zu ihrer aktuellen Temperatur ab. Aus diesem Grund haben Sterne, ähnlich wie Schwarzkörper, unterschiedliche Farben, da verschiedene Sterne unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Rote Sterne zum Beispiel sind kühl und geben den Großteil ihrer Strahlung in roten Wellenlängen ab. Ein wärmerer Stern, wie die Sonne, sendet die meiste Strahlung in gelben und grünen Wellenlängen aus. Trotz dieser Farbunterschiede sehen wir Menschen Sterne nur als weiß, weil unsere Augen die verschiedenen Wellenlängenfarben, die alle Sterne aussenden, kombinieren.
Hohlraum mit einem Loch
Ein einfaches Beispiel für einen Schwarzkörper ist ein Hohlraum mit einem kleinen Loch darin. Das Licht, das in das Loch eintritt, wird in den Wänden des Hohlraums so oft reflektiert, dass kein Licht mehr herauskommen kann. Wenn die Wände schwarz gefärbt sind, so dass sie absorbierend wirken, stellt der Hohlraum einen perfekten Schwarzkörper dar.
Schwarze Löcher
Ein Schwarzes Loch ist ein Bereich in der Raumzeit, in dem die Schwerkraft so stark ist, dass nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann. Schwarze Löcher kommen einem perfekten Schwarzkörper so nahe wie keine anderen Schwarzkörper. Sie absorbieren das gesamte Licht, das in den Horizont eintritt, haben aber kein Reflexionsvermögen.
Schwarzkörper-Strahlung
Der Begriff „Schwarzkörperstrahlung“ beschreibt die Beziehung zwischen der Temperatur eines Objekts und der Wellenlänge der von ihm ausgehenden elektromagnetischen Strahlung. Die Menge der Strahlung, die ein Schwarzkörper – Black Body aussendet, wird durch die Temperatur des Objekts bestimmt, unabhängig von seiner Größe oder Form. Ein „perfekter“ Schwarzkörper absorbiert und emittiert alle Strahlung, unabhängig vom Wellenlängenspektrum. Die Wellen, die kalte Objekte aussenden, haben niedrige Frequenzen, während heiße Objekte Wellen mit höheren Frequenzen und sichtbarem Licht oder Ultraviolett aussenden.
Alle Objekte sind Schwarzkörper-Strahler, da alle Objekte je nach ihrer Temperatur elektromagnetische Strahlung aussenden. Einige alltägliche Beispiele für Schwarzkörper-Strahler, die ihre Strahlung für andere Prozesse nutzen oder sichtbares Licht aussenden, sind:
- Öfen
- Elektrische Heizungen
- Die Sterne und die Sonne
- Glühbirnen
- Warmblütige Tiere
- Einbruchsalarme
Der Emissionsgrad eines Schwarzkörpers
Der Emissionsgrad ist das Verhältnis zwischen der von einem Objekt emittierten Strahlung und der von einem Schwarzkörper emittierten Strahlung, wenn die Temperaturen und Wellenlängen unter denselben Betrachtungsbedingungen liegen. Der Emissionsgrad wird mit einer Zahl zwischen Null und Eins angegeben. Der Wert Null steht für einen perfekten Reflektor, der Wert Eins für einen perfekten Strahler. Da Schwarzkörper perfekte Strahler sind, oder so nahe an perfekte Strahler herankommen, wie ein Objekt sein kann, haben sie einen Emissionsgrad von eins.
Das Verständnis des Emissionsgrads ist ein entscheidender Faktor bei der Berechnung zuverlässiger berührungsloser Temperaturmessungen und der Durchführung von Wärmeübertragungsberechnungen.
Ein Beispiel für die Anwendung des Emissionsgrads ist der Start von Fahrzeugen und Satelliten in den Weltraum. Unternehmen wie Acktar nutzen ihr Wissen über Schwarzkörper und Emissionsgrad, um Beschichtungen zu entwickeln, die Raumfahrzeuge beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre schützen.
Mit Schwarzkörpern neue Technologien entwickeln
Das Wissen über Schwarzkörper – Black Bodys und deren Strahlung war ein zentrales Forschungsinstrument in der Physik. Im Jahr 1918 erhielt Max Planck sogar einen Nobelpreis für die Anwendung der Schwarzkörperstrahlung, die ihm den Weg zum Verständnis der Quantentheorie ebnete. Heute können Schwarzkörper für eine Reihe von Projekten und Experimenten angewandt werden, z. B. in den Bereichen Heizung, Sicherheit, Wärmebildtechnik, Beleuchtung und schwarze oder thermische Beschichtungen. Sie können auch für Mess- und Prüfanwendungen wie Strahlungsthermometer eingesetzt werden. Darüber hinaus werden Schwarzkörper seit kurzem auch für die Erforschung des Klimawandels eingesetzt.
Acktar Black für Schwarzkörper – Black Bodies
Der einzigartig hohe Emissionsgrad der schwarzen Acktar-Beschichtungen macht sie zur bevorzugten Beschichtung für Schwarzkörper. Die Tatsache, dass der Emissionsgrad über einen breiten Wellenlängenbereich im Wesentlichen konstant ist, macht die Beschichtungen einzigartig geeignet für die Kalibrierung von Schwarzkörpern – eines der größten Anwendungsgebiete für Schwarzkörper.
Das Acktar-Beschichtungsverfahren ist umweltfreundlich, und es werden keine Säuren oder andere schädliche Stoffe verwendet.
