Прикладная физика

В работе предложена новая методика расчетов интегральных и спектральных коэффициентов излучения протяженных субволновых частиц (ПСЧ), к которым относятся микро- и наноцилиндры, а также параллелепипеды. Проведено сопоставление результатов расчетов по предложенной методике с расчетными и экспериментальными данными, найденными в литературе. Показано, что при уменьшении только поперечных размеров ПСЧ (от величин много больших λmax, до величин много меньших λmax) из спектра излучения, который первоначально описывался законом Планка и содержал моды, как с поляризацией, направленной вдоль оси, так и с поляризацией, направленной перпендикулярно оси, будут постепенно исключаться моды с длинами волн, превышающими λcutoff (λcutoff – длина волны отсечки), имеющие поляризацию перпендикулярную продольной оси ПСЧ, в то время как моды с длинами волн, поляризованные вдоль оси ПСЧ, будут всегда присутствовать в спектре излучения ПСЧ. Когда поперечные размеры ПСЧ станут много меньше λmax, то из спектра излучения этого ПСЧ исчезнут все моды с поляризацией, перпендикулярной оси, и останутся только моды с продольной поляризацией. Это является принципиальным отличием от СЧ, рассмотренных ранее в работах [16, 17], в которых предложены методы расчета таких СЧ, как диски, сферы, кубики. Все предложенные методики расчетов используют формализм разложения потоков излучения на спектрально-пространственные моды.

Предложена методика расчетов зависимостей коэффициентов излучения субволновых частиц (СЧ) из различных материалов, имеющих форму дисков, сфер, кубиков и цилиндров от их размеров (D) и температуры (T), для случаев, когда внешнее электромагнитное излучение практически не влияет на их температуру. Для всех перечисленных видов частиц определены cutoff – длины волн отсечки, зависящие от размеров СЧ и  – коэффициентов формы частиц. При уменьшении размеров частиц из спектра излучения, который первоначально описывался законом Планка, постепенно исключаются длины волн, превышающие cutoff , что приводит, соответственно, к уменьшению интегрального излучения, уменьшению коэффициентов излучения и смещению спектра излучения в синюю область. Предложена также простая схема определения  – коэффициентов излучения СЧ по рассчитанному графику (U), где: U = (DT)/B; B – постоянная формулы смещения Вина.

Предложена методика и выполнены расчеты зависимостей коэффициента излучения абсолютно черного тела (АЧТ) от размеров диафрагм излучающего отверстия, для гипотетических случаев, когда размеры диафрагм соизмеримы с излучаемыми длинами волн, а диафрагмы изготовлены из непрозрачного для излучения диэлектрика. Определена величина длины волны «отсечки» λ = 1,772 × A для квадратного отверстия диафрагмы, где A – сторона квадрата и λ = 1,571× D для круглого отверстия, где D – диаметр отверстия, т. е. показано, что тело не может излучать длины волн λ большие, чем 1,772 × A в случае квадратного отверстия и 1,571 × D в случае круглого отверстия. Показано, что если «отсеченные» длины волн вносили сколько-нибудь заметный вклад в интегральное излучение АЧТ с температурой Т при стандартных диаметрах диафрагм (т.е. при диаметрах много больших излучаемых длин волн), то коэффициент излучения этого тела становится меньше единицы и быстро уменьшается при размерах диафрагм, соизмеримых с λ. В этих случаях, подобное тело перестает быть абсолютно черным телом и для расчетов мощности его излучения нельзя применять законы Планка и Стефана–Больцмана, но можно использовать методику, предложенную в этой работе.

Впервые получены универсальные формулы, пригодные для расчетов коэффициентов излучения и интегральных плотностей потоков излучения как тел, имеющих размеры много большие, чем излучаемые ими длины волн («большие тела»), так и субволновых тел (частиц). К несомненным достоинствам предложенного метода расчета, базирующегося на теории мод, следует отнести: точную связь между размерами, формой и температурой тел и величинами коэффициентов излучения и интегральных плотностей потоков излучения; этот метод гораздо менее трудоемок и более нагляден, чем другие методы.

Экспериментально исследовано активное броуновское движение одиночных пылевых частиц в трехмерной разрядной ловушке постоянного тока под действием лазерного излучения. В эксперименте использовались сферические частицы меламин формальдегида (МФ), часть поверхности которых имела медное покрытие (янус-частица). Про-ведено сопоставление анализа среднеквадратичного смещения микрочастиц при использовании двухмерного и трехмерного методик диагностики их пространственного положения. Определена средняя кинетическая энергия движения пылевых частиц при различной интенсивности лазерного воздействия. Выполнены оценки энергобаланса пылевых частиц и влияния их вращения на характер движения.

Рассмотрена динамика температуры частиц с характерным размером 10-7–10-6 м на границе земной атмосферы и космического пространства. На примере наночастиц графита показано, что на высоте 80–90 км от поверхности Земли частицы с размером  510-7 м и меньше могут нагреваться выше температуры начала свечения (900 К), достигая температур более 2000 К со светло-бирюзовым свечением. На основании полученных результатов сделан вывод, что серебристые облака, наблюдаемые в предрассветное и послезакатное время с поверхности Земли, представляют собой скопление раскаленных наночастиц.

Предложена новая методика расчетов коэффициентов поглощения субволновых частиц (СЧ). В этой методике поток излучения представляется набором пространственных спектральных мод, которые поглощаются СЧ в соответствии с произведением ei×f(D, l). Причем при l £ lcutoff f(D, l) = 1, а при l > lcutoff f(D, l) = (2D /l)2, где: D – диаметр СЧ, l – длина волны, lcutoff  – длина волны отсечки, ei  – интегральный коэффициент поглощения «большого» тела из материала аналогичного материалу СЧ. Проведены расчеты коэффициентов излучения и поглощения СЧ, находящейся в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Для сравнения, наряду с предложенной методикой, была использована методика расчетов коэффициента поглощения СЧ, основанная на учете глубины проникновения излучения в материал СЧ. Показано, что выполнимость закона Кирхгофа для СЧ зависит от диаметра частицы и от температуры окружающей среды. При «больших» D коэффициенты излучения и поглощения равны (закон Кирхгофа выполняется), однако, при уменьшении D коэффициент поглощения становится больше, чем коэффициент излучения (закон Кирхгофа не выполняется).

Предложена новая методика расчета тепловых излучений субволновых частиц с ис-пользованием зависимости добротности электрически малых радиоантенн (ESA) от их относительных (по отношению к длине излучаемой волны) размеров. Эта зависи-мость характеризует фундаментальный предел минимальных размеров ESA радио-антенн. С помощью предложенной методики проведены расчеты зависимостей мощностей и коэффициентов тепловых излучений графитового и золотого шариков от их размеров. Для сравнения приведены аналогичные зависимости, полученные с помощью двух других методик. Эта методика расчетов тепловых излучений субволновых частиц адекватно описывает зависимости мощности и коэффициента теплового излучения от размеров частиц.