[PDF] Chapitre 3 : Rayonnement électromagnétique du corps noir et

View - Download Chapitre 3 : Rayonnement électromagnétique du corps noir et

Previous PDF

Next PDF

Chapitre 3 Rayonnement du corps noir 3.1/3.20

Optique II, Bachelor, Physique

2011-2012 R. Houdré

Chapitre β : Rayonnement

ŽlectromagnŽtique du corps noir et photomŽtrie

Bibliographie :

Fundamentals of photonics / B.E.A. Saleh et M.C. Tech, en anglais Optoélectronique / E. Rosencher et B. Vinter, en français

Optique /

J.P. Pérez, en français

Lasers / P. Milonni et J. Eberly, en anglais

Lasers and electro

optics / C.C. Davis, en anglais Principle of optics / M. Born et E. Wolf, en anglais Note: certaines des figures du chapitre ont été copiées ou insp irées de ces références.

3.2/3.20 Rayonnement du corps noir Chapitre 3

R. Houdré

2011-2012 Optique II, Bachelor, Physique

Une page dσhistoire

Jozef Stefan 1835

1893

Loi de Stefan-Boltzmann.

Ludwig Boltzmann

1844
1906

Loi de Stefan - Boltzmann,

physique statistique.

Wilhelm Wien 1864-1928

Loi de Wien.

Max Planck 1858-1947

Rayonnement du corps noir,

quantum d'énergie électroma- gnétique. €!!"#$%& (Hipparque) 190

120 av. J.

C.

Classification des étoiles par

magnitude.

Pierre Bouguer 1698-1758

Premier traité de photométrie, loi

de Bouguer (Lambert-Beer).

Johann Lambert 1728

1777

Photomètre, loi de Bouguer-

Lambert-Beer.

Chapitre 3 Rayonnement du corps noir 3.3/3.20

Optique II, Bachelor, Physique

2011-2012 R. Houdré

βφΛ Introductionφ

La compréhension du rayonnement thermique (spectre d'émission, intensité, ...) émis par un

corps absorbant et porté à une température T est un problème important à la fin du XIX

ème

siècle. Les théories thermodynamiques de l'époque et la toute nouvelle physique statistique

étaient incapables de prédire le spectre d'émission et pire même prévoyaient des spectres qui

divergeaien t vers l'infini aux fréquences élevées, ce que l'on a appelé la catastrophe ultra- violette. Planck en 1900 résout le problème en invoquant pour la première fois l'hypothèse des quanta. C'est le début des théories quantiques du champ électromagnéti que, bien que Planck n'y ait vu, à l'époque, qu'une technique de calcul sans signification physique. Le but de ce chapitre est au travers de l'explication du rayonnement du corps noir, d'introduire différentes briques élémentaires qui serviront à plusieurs r eprises dans ce cours : résonateur optique, densité d'états, photométrie, statistique d'occupation. βφω PhŽnomŽnologie du rayonnement du corps noirφ Un corps noir est un objet qui absorbe tout rayonnement incident et qui peut rayonner de l'énergie électromagn étique lorsqu'il est porté à une température finie. Si ce corps est chauffé à la température T, de l'énergie s'en échappe sous forme de rayonnement thermique. Les exemples dans la vie de tous les jours sont le soleil, une barre de fer incandescente, etc... Deux lois sont bien établies expérimentalement au XIX

ème

Une coulŽe de lave.

3.2.1 Loi de Stefan-Boltzmann.

L a puissance totale rayonnée par un corps noir de surface A est P

émis

A T 4

Loi de Stefan-Boltzmann

où est une constante universell e, dite constante de Stefan

5,67.10

-8 W/m 2 /K 4

3.4/3.20 Rayonnement du corps noir Chapitre 3

R. Houdré

2011-2012 Optique II, Bachelor, Physique

Pour un objet réel qui n'est pas parfaitement absorbant on a P

émis

A T 4 où est l'émissivité du corps. 0

1 (la neige fond autour d'un corps sombre, signe que celui

ci absorbe et rayonne plus d'é nergie thermique que la neige).

Corps noirs de diffŽrentes ŽmissivitŽs.

(CrŽdit photographique : Crystel HoudrŽ)

Exemples de valeur de l'émissivité

Matériau Emissivité ε

Aluminium 0,02

Papier blanc 0,87

Béton 0,94

Suie 0,95

3.2.2 Loi de déplacement de Wien.

Le spectre de la lumière émise a une forme en cloche asymétriqu e et tend vers 0 pour les petites et les grandes longueurs d'ondes.

Spectres dَmission de corps noir.

le maximum du spectre a lieu à une longueur d'onde inversement proportionnelle à la température.

Chapitre 3 Rayonnement du corps noir 3.5/3.20

Optique II, Bachelor, Physique

2011-2012 R. Houdré

max(T).T cst = 2,89.10 3 m.K

Loi de déplacement de Wien

A température ambiante

max 10 m. Les systèmes d'imagerie nocturne très prisés des militaires sont souvent des systèmes d'imagerie qui restituent une image autour de 10 µm afin

de visualiser des différences de température (un corps à 37 °C sur un fond plus chaud ou plus

froid). Image thermique dΩune faade dΩimmeuble permettant de localiser les p ertes thermiques

Certains milieux opaques dans le visible so

nt transparents dans l'infra rouge et une caméra sensible à ces longueurs d'onde permet de faire une image thermique au travers. Image dans le spectre visible Image du rayonnement thermique. Autre exemple, le rayonnement cosmologique découvert A. Penzias et R. Wilson, en 1964 : Carte du rayonnement cosmologique ˆ 2,725 K (160.2

GHz, 1.9

mm).

3.6/3.20 Rayonnement du corps noir Chapitre 3

R. Houdré

2011-2012 Optique II, Bachelor, Physique

On idéalisera un corps noir par une grande enceinte dont les parois s ont chauffées à la température T et qui est percée d'un petit trou de sorte que : Tout rayon incident sur le trou est piégé dans l'enceinte.

Le trou est suffisamment petit pour ne pas perturber l'équilibre entre le rayonnement électromagnétique dans l'enceinte et les parois.

Corps noir idŽal Dispositifs expŽrimentaux historiques dَtude du corps noir. La première étape qui va nous intéresser dans le chapitre suiva nt est la description des modes électromagnétiques qui existe dans cette cavité et de les compt er, ce qui conduira à la notion de densité d'états.

3.3 Photométrie

La photométrie est l'étude énergétique du rayonnement électromagnétique et des transferts

d'énergie entre deux objets, l'émetteur (la source ou l'objet) et le récepteur (l'image). Les

grandeurs de la photométrie sont soit exprimées en unités purem ent physique (énergie, temps, surface, longueur etc...) soit en unités prenant en compte la sensib ilité de l'oeil humain qui ne détecte que des radiations dont la longueur d'onde est comprise entre 400 et 750 nm (pour caractériser des sources lumineuses utilisées pour l'éclairement par exemple). Commes ces notions sont importantes lors de la conception de systèmes optiques, on en profitera pour en faire un exposé plus complet que le strict néces saire à ce chapitre sur le rayonnement du corps noir. Par exemple ces notions sont importantes lorsqu'il est important d'utiliser toute l'énergie lumineuse disponible (spectroscopie, microscopie, télécommunications, astronomie, ... ) ou bien si des mesures quan titatives précises sont nécessaires (métrologie, applications industri elles, etc... ). Dans ce qui suit on considérera une onde monochromatique, la généralisation au cas d'un rayonnement polychromatique est immédiate. Par exemple

Intensité

I![W][T]

-1 (Js -1 ) (W désigne un travail) devient

Densité spectrale d'intensité

I (")=dI d [W][T] -1 [L] -1 (Js -1 m -1 ) ou I (")=dI d [W] (J)

On s'intéressera soit à des transferts de quantité d'énergie ou à des transferts de quantité

d'énergie par unité de temps (puissance).

Chapitre 3 Rayonnement du corps noir 3.7/3.20

Optique II, Bachelor, Physique

2011-2012 R. Houdré

βφβφΛ Grandeurs photomŽtriques.

L'angle solide élémentaire sous lequel est vu un élément de su rface d

S =dS.€ n

S , vu depuis r =r.! u r est d"=d! S .! u r r 2 =dScos r 2 Lorsque l'élément de surface est vu depuis une direction perpendiculaire à sa surface alors d"=dS r 2

S'il y a une symétrie de révolution,

d"=2#sin $d$, et l'angle solide défini par une calotte de demi angle est "=2#1$cosquotesdbs_dbs46.pdfusesText_46

[PDF] LE RAYONNEMENT SOLAIRE

[PDF] le realisme

[PDF] le réalisme a la manier de flaubert

[PDF] Le réalisme au 19ème siècle

[PDF] le réalisme en littérature pdf

[PDF] Le réalisme et le naturalisme

[PDF] le réalisme et le naturalisme seconde

[PDF] le réalisme et maupassant

[PDF] Le Réalisme et Naturalisme

[PDF] le réalisme evaluation de fin de séquence

[PDF] le realisme exposé

[PDF] Le realisme francais

[PDF] Le réalisme, une révolution artistique La représentation du corps : Le scandale réaliste

[PDF] le recensement

[PDF] LE RECHAUFFEMENT CLIMATIQUE