2- définition du corps noir








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sommaire
1- introduction

2- définition du corps noir

3- model du corps noir

4- les lois du corps noir

5- exemple des corps réel

6- application

7- conclusion


Introduction :

En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température.

Le nom corps noir a été introduit par le physicien Gustav Kirchhoff en 1860.

Au début des travaux sur le corps noir, les calculs de l'énergie totale émise donnaient un résultat surprenant : l'objet émettait une quantité infinie d'énergie ! Comme l'énergie calculée croissait lors de l'intégration du spectre pour les longueurs d'ondes courtes, on a appelé cela la « catastrophe ultraviolette ». La mécanique classique est là prise en défaut et Max Planck en a conclu que le modèle utilisé pour calculer l'énergie totale était erroné ; le modèle de Rayleigh et Jeans considérait en effet un spectre continu.

Dans un mémoire intitulé Sur la théorie de la loi de la distribution d'énergie sur un spectre normal et présenté le 14 décembre 1900, Planck expose ses déductions faites sur ce problème et propose alors l'hypothèse des quanta : l'énergie n'est pas émise de manière continue, mais par paquets dont la taille E dépend de la longueur d'onde :



Cela lui a valu le prix Nobel de physique en 1918. La découverte de cette quantification des échanges d'énergie fut un des fondements de la physique quantique ; notamment, mis en corrélation avec les travaux de Hertz sur l'effet photoélectrique, cela permit à Einstein d'inventer le concept de photon en 1905, qui lui valut son prix Nobel de physique en 1921.

Définition du corps noir :

Un corps noir est un corps idéal totalement absorbant à toute radiation électromagnétique.

Pourquoi noir ? Parce que pour être à l'équilibre thermodynamique le corps doit être parfaitement isolé du milieu extérieur. En particulier il ne doit émettre aucune sorte de rayonnement et apparaîtra donc parfaitement noir.

Un exemple de corps noir consiste en une enceinte isotherme munie d'une toute petite ouverture.


un corps noir est défini par l'équilibre intime entre sa matière et son rayonnement. Sa température d'équilibre explicite à elle seule la distribution spectrale et les rayant.
Qu'est-ce qu'un corps "pas noir" ?

Plusieurs phénomènes sont irréductibles au corps noirs :

Un miroir est par définition très réfléchissant, et ne peut donc pas être absorbant. Il n'y aucun équilibre entre un miroir et le flux lumineux qu'il réfléchit.

Le rayonnement émis par une lampe à vapeur spectrale obéit à des règles de quantification énergétique fixées par la nature du gaz qui émet le rayonnement. La position des raies d'émission dépend de la nature de l'élément, et pas de la température.

Le modèle du corps noir





Exemples de spectres de corps noir, sur un
diagramme de l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde. Quand la température est élevée, le pic de la courbe se déplace vers les courtes longueurs d'ondes, et inversement pour les plus basses températures.
La courbe en noir indique la prédiction de la théorie dite classique, par opposition à la théorie quantique, qui seule prédit la forme correcte des courbes effectivement observées.

Le corps noir absorberait toute l'énergie électromagnétique qu'il recevrait, sans en réfléchir ni en transmettre. Il n'est fait aucune autre hypothèse sur la nature de l'objet. La lumière étant une onde électromagnétique, elle est absorbée totalement et l'objet devrait donc apparaître noir, d'où son nom. Cependant, compte tenu qu'un pareil corps pourrait émettre de la lumière sous l'effet d'augmentation de sa température, il n'est pas correct d'affirmer que le corps noir paraîtrait noir dans toutes les conditions.

.
Les lois du corps noir

1-loi de Planck

La luminance monochromatique (ou spectrale) pour une longueur d'onde λ donnée (ou densité spectrale d'émission) du corps noir est donnée par la loi de Planck :

avec en W.m-2.sr-1.m-1.

c est la vitesse de la lumière dans le vide, h est la constante de Planck et kb est la constante de Boltzmann.
2-loi de Wien : (1893)

Le maximum de ce spectre est donné par la loi de Wien :



avec λmax en mètres et T en kelvins. Cette dernière loi exprime le fait que pour un corps noir, le produit de la température et de la longueur d'onde du pic de la courbe est toujours égal à une constante. Cette loi très simple permet ainsi de connaître la température d'un corps assimilé à un corps noir par la seule forme de son spectre et de la position de son maximum.

3-Loi de Stefan-Boltzmann : (1879)

D'après la loi de Stefan-Boltzmann, la densité de flux d'énergie ou densité de puissance ou émittance énergétique Mo(T) (en W m-2) émis par le corps noir varie en fonction de la température absolue T (exprimée en kelvin) selon la formule:



où σ est la constante de Stefan-Boltzmann qui vaut environ 5,67.10-8 Wm-2K-4

Pourquoi le rayonnement émis ne dépend-il pas de la nature du matériau composant le corps noir ? Ou, dit autrement, que quantifie-t-on ?

Cette question, qui nous a été posée, est une question intéressante : en effet, on a vu que prendre en compte le caractère discret de l'énergie est essentiel afin de trouver la bonne expression de la densité d'énergie émise par un corps noir.

Par suite, si la quantification de l'énergie est déterminante, et sachant que les spectres d'émission de différents matériaux sont très variés, pourquoi la loi de rayonnement du corps noir ne dépend-elle que de la température de ce dernier ?

En fait, il faut se souvenir qu'il y a deux sortes de caractères discrets : le caractère discret des niveaux d'énergie des atomes, qui est à l'origine du caractère discret des spectres d'émission atomiques, et qui dépend du matériau considéré, et celui du rayonnement, qui consiste à interpréter le rayonnement comme constitué de photons chacun d'énergie h c/ λ, et qui, lui, ne dépend pas de la nature du matériau considéré.

Pour un couplage faible avec la matière, le rayonnement est décrit par la quantification des équations de Maxwell. Il est modélisé par une assemblée d'oscillateurs harmoniques à niveaux discrets et équidistants (leur distance s'interprète comme l'énergie du photon) pour chaque mode. La loi de Planck décrit alors le rayonnement à l'équilibre thermique, indépendamment des matériaux présents.

Exemple des corps noir réel :

* une étoile :
Est un corps noir. Le lien peut déjà apparaître, celle prise par un photon pour traverser directement un rayon stellaire, et celle mesurant qu'effectivement l'énergie produite au sein du soleil est évacuée en surface.
* le soleil :

Le Soleil nous apparaît visuellement jaune, il émet de la lumière blanche, on dit que c'est un corps noir à la température de 5 800 °K (Soit environ 5 500 °C).

Il y a matière à s'interroger...

Le fait qu'il émette de la lumière blanche, constituée de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, et qu'il nous apparaisse visuellement jaune s'explique parce que le ciel est bleu : le mélange de gaz constituant l'atmosphère terrestre diffuse, dans toutes les directions, la partie du spectre solaire située dans le bleu. Dans la lumière solaire qui nous parvient directement, les radiations correspondant à la couleur bleue manquent, alors, le Soleil semble jaune (mélange visuel des radiations correspondant aux couleurs vert et rouge).

La traversée directe du rayon solaire à la vitesse de la lumière prend à peine plus de 2 secondes, alors qu'il faut près d'un million d'années pour que l'énergie soit extraite du soleil. Cette durée est incomparablement plus longue, car le trajet de
l'énergie est une marche au hasard entrecoupée d'incessantes absorptions et réémissions de photons.

les atomes ont aussi un mode d'émission propre de photons, les raies caractéristiques (ce phénomène est utilisé pour l'analyse chimique en spectrométrie d'émission, de fluorescence et d'absorption) .

Les raies du spectre rendent compte de la nature de la matière solaire dans les couches superficielles d'où s'échappent les photons.

Applications :

* CORPS NOIR / SOURCE INFRAROUGE de REFERENCE

 

Un corps noir est une source infrarouge de référence qui se révèle indispensable à tout utilisateur de systèmes infrarouges. En effet, les corps noirs sont utilisés aussi bien dans le secteur de l’industrie pour l’étalonnage de pyromètres, scanners ou caméras, que dans les laboratoires spécialisés pour la caractérisation de systèmes optroniques infrarouges complexes.

 HGH propose une large gamme de corps noirs pour répondre au mieux à la diversité des besoins potentiels de ses Clients :

   Le corps noir différentiel pour la caractérisation des performances de systèmes infrarouges (DCN1000N)
   Le corps noir à cavité haute température pour l’étalonnage de capteurs infrarouges (RCN)
   Le corps noir étendu (ECN100)
   Le corps noir basses températures (DCN1000L)
   Le corps noir sous vide à température cryogénique (DCN1000V)

De plus, HGH peut adapter ses corps noirs aux besoins de ses Clients et également concevoir des sources infrarouges spécifiques sur demande. N’hésitez pas à nous contacter pour nous soumettre votre besoin.

A chaque corps noir peuvent être associés un collimateur infrarouge (IRCOL) et ses accessoires (mires, roues porte-mires…).

*Intérieur d’un four :

L'objet réel qui se rapproche le plus de ce modèle est l'intérieur d'un four. Afin de pouvoir étudier le rayonnement dans cette cavité, une de ses faces est percée d'un petit trou laissant s'échapper une minuscule fraction du rayonnement interne. C'est d'ailleurs un four qui fut utilisé par Wien pour déterminer les lois d'émission électromagnétique en fonction de la température. Les parois de l'intérieur de l'enceinte émettent un rayonnement à toutes les longueurs d'ondes : théoriquement des ondes radio aux rayons X. Cette émission est due à l'agitation des atomes. En effet, la température mesure l'agitation des atomes (ceux-ci « oscillent » autour de leur position). Ce faisant, chaque atome se comporte comme un dipôle électrostatique vibrant (dipôle formé par le noyau et le nuage électronique), qui rayonne donc de l'énergie.

Chaque paroi du four émet et absorbe du rayonnement. Il y a ainsi échange d'énergie entre les parois, jusqu'à ce que l'objet atteigne l'équilibre thermique. La répartition de la quantité d'énergie émise, en fonction de la longueur d'onde, forme le spectre. Celui-ci est la signature d'un rayonnement purement thermique. Il s'appelle donc spectre du corps noir et ne dépend que de la température du four.
Application médicale :

 

Les caméras d’infrarouge de FLIR aident à la détection de la grippe porcine et d'autres maladies virales

 

La croissance des échanges, des voyages et des migrations économiques à l'international ont augmenté les risques de propagation des maladies virales..  

 

Lors d'épidémies de virus dangereux tels la grippe porcine, le SRAS ou d'autres infections virales, les autorités de santé publique du monde entier ont besoin d'une méthode rapide, facile, fiable, non invasive et qui n'implique aucun contact pour la détection d'une élévation importante de la température corporelle. La technologie des caméras infrarouges est capable de satisfaire ce besoin.

 

Une caméra infrarouge est un outil très efficace pour le dépistage des maladies virales au stade précoce. Elle produit des images infrarouges qui mettent en évidence le moindre écart de température. La thermographie infrarouge permet d'élaborer une véritable « carte » de la température de la peau en temps réel. En outre, les caméras infrarouges sont des appareils d'une grande sensibilité. Les caméras infrarouges FLIR sont capables de détecter des écarts de température de 0,08 ºC.

 

L'infrarouge, un outil efficace pour la détection de l'élévation de la température corporelle

Parmi les symptômes de la plupart des maladies infectieuses, on compte le malaise, l'angine, la toux et, bien entendu, la fièvre. Par conséquent, il est très facile de détecter les personnes susceptibles d'être porteuses d'un risque de maladie infectieuse. L'image infrarouge d'un sujet permet de mesurer si sa température corporelle dépasse ou non une valeur donnée.

 


Figure 2 : Les couleurs facilite l'identification des personnes nécessitant un examen complémentaire.
Un investissement modique pour la protection de la santé publique

La technologie des caméras infrarouges FLIR est déjà un succès dans le monde entier au sein d'aéroports, d'hôpitaux, de gares, de terminaux, etc. qui l'utilisent pour contrôler toutes les personnes circulant dans leurs bâtiments. La méthode est rapide et ne nécessite aucun contact : une garantie de sécurité à la fois pour l'opérateur de la caméra et le sujet examiné. Les résultats sont extrêmement satisfaisants.

     

Conclusion

La loi de rayonnement du corps noir est utilisée régulièrement dans sa forme la plus simple (variation de la couleur avec la température), dès la de seconde, pour déduire de sa couleur la température approchée d'une étoile. La plupart des personnes qui ont fait des études supérieures ont déjà vu la loi de Planck et ses corollaires (loi de Wien ou loi de Stefan).

Il n'est pour autant pas toujours évident que ce qui est quantifié, dans la loi du corps noir, ce ne sont pas les niveaux d'énergie de la matière (comme dans le cas des spectres d'émission ou d'absoption atomiques ou moléculaires du programme de seconde), mais le rayonnement lui-même.

Nous espérons que cet article bref favorisera une meilleure compréhension de cette double quantification (de la matière, et du rayonnement) qui existe en physique quantique, et de la façon dont cela explique l'universalité de la loi du corps noir, son indépendance par rapport au matériau qui constitue ce corps





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