Ciałem doskonale czarnym nazywamy wyidealizowany obiekt, zdolny do całkowitego pochłonięcia (absorbcji) promieniowania elektromagnetycznego (np. promieniowania podczerwonego), które pada na jego powierzchnię niezależnie od długości fali. W przypadku ciała doskonale czarnego, zjawiska takie, jak reflektancja oraz transmisyjności nie zachodzą.
Prawo promieniowania ciała doskonale czarnego
Prawo promieniowania Plancka opisuje emisję promieniowania elektromagnetycznego Mλs ciała doskonale czarnego, będącego w równowadze termodynamicznej, jako funkcję jego temperatury T oraz obserwowanej długości fali λ. Tym samym stanowi najbardziej uproszczoną definicję bezdotykowego pomiaru temperatury.
Wartość maksymalna emitowanego promieniowania zmienia się wraz ze wzrostem temperatury dla krótszych przedziałów długości fali. Poniższe równania opisują dwie spośród dużej liczby relacji, które mogą być wyprowadzone dla prawa Plancka.
Poprzez połączenie widmowego natężenia promieniowania dla każdej długości fali (od zera do nieskończoności) uzyskuje się wartość całkowitego promieniowania emitowanego przez ciało. Związek ten jest nazywany prawem Stefana Boltzmana.
MλS = σ · T4 [W · m-2], gdzie σ = 5,67 · 10-8 [Wm-2T-4]
Całkowite promieniowanie wyemitowane przez ciało doskonale czarne w całym paśmie promieniowania (dla każdej długości fali) wzrasta proporcjonalnie do czwartej potęgi jego temperatury absolutnej.
Na graficznej reprezentacji prawa promieniowania Plancka można zaobserwować, że zakres długości fali w którym następuje maksimum emisji promieniowania, zmienia się analogicznie do zmian temperatury. Zależność tę opisuje prawo Wiena:
λmax · T = 2898 µm · K
Struktura ciała doskonale czarnego
Konstrukcja ciała doskonale czarnego jest niezwykle prosta. Ogrzewany, pusty korpus posiada otwór z jednej z jego stron. Jeżeli zostanie doprowadzony do odpowiedniej temperatury, wewnętrzna przestrzeń zostanie doprowadzona do stanu równowagi termicznej. Idealnie czarne promieniowanie, charakteryzujące się stałą temperaturą, jest następnie emitowane z otworu. W zależności od zakresu temperatury i przeznaczenia, struktura takich obiektów zależy zarówno od materiału jak i od wymiarów geometrycznych