电子产品设计中的传热学基础理论-热辐射
观点 / Champion
这是瓦特产品设计公众号坚持日更的第15天
(相关资料图)
今天讲下热辐射（Radiation）。
由于热辐射的物理机制与热传导、热对流截然不同，而且比较复杂，这里将会引入些新的概念。
01.
引言
首先，微波炉，大家应该并不陌生，它已经完全融入我们的日常生活。
微波炉就是利用热辐射的原理制造出来的。
它是利用食物在微波场中吸收微波能量而使自身加热的烹饪器具。
微波是什么？
微波是一种电磁波，频率在300MHz-300GHz。具有穿透、反射、吸收三个特性。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。
电磁波又是什么？从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，属于一种波。
上面讲过微波具有穿透性，那么它又是具体如何加热食物的呢？
在微波穿过食物介质时，由于微波能与介质发生一定的相互作用，以微波频率2450兆赫兹，使介质每秒产生24亿五千万次的振动，介质的分子间互相产生摩擦，引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温。
上面就是微波炉加热食物的基本原理。
也是典型的一个热辐射的应用案例。
02.
热辐射基本概念
热辐射是指物体能量因为物体温度的存在而引起物体内部粒子以电磁波辐射能的形式向外转移的过程。
理论上，一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大。
同时，物体也不断地吸收周围物体投射到它表面上的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。
第一节讲到微波的时候，有三大特性：穿透、反射、吸收。
当辐射能进入固体或者液体表面后，在一个极短的距离内就被吸收完了。对于金属导体，这一距离只有1um的数量级；对于大多数非导电体材料，这一距离亦小于1mm。实用工程材料的厚度一般都大于这个数值，所以可认为固体和液体不允许热辐射穿透。
因而，就固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射本领就小。反之，吸收能力小的物体其反射本领就大。因为能量需要遵循守恒定律。
辐射能投射到气体上时，情况就与上面不同。气体对辐射能几乎没有反射能力，所以吸收性大的气体，其穿透性就差。
在做电子产品设计时，如果需要考虑热辐射的影响，由于电子产品的热源是PCB板上的功率器件，我们希望尽可能多地传导和吸收它产生的热量。因此，有时候也会将散热器进行发黑的表面处理。原因就在于黑色物体能将投射到它表面的热射线绝大部分吸收。
与热传导和热对流不同的是，热辐射不需要依赖物体间的相互接触或者介质来传递热量，并且可以在真空环境中传播。
影响热辐射的因素有温度、波长及辐射换热表面积等。
03.
热辐射数学计算表达式
Φ—辐射换热量，W；
A—辐射换热表面积，m²；
其中δ0也可称为黑体辐射常数，是由斯忒番-玻尔兹曼定律规定，证明了黑体的辐射正比于其绝对温度的四次方。
ε称为物体的发射率，这里需要了解绝对黑体的概念。绝对黑体就是物体能将投射到它表面的热射线全部吸收。它是一个理想的存在。而实际一个物体的辐射能力肯定小于同温度下的绝对黑体的辐射能力，两者之间的比值就是这个发射率。这个数值一般通过实验测定，仅取决于物体自身，而与周围环境条件无关。
F12表面1到表面2的角系数，就是表面1发射的辐射能落在表面2上的百分数。怎么计算，需要用到空间球体的概念，我们这里只需要了解下概念。
结束语
到这里我们就讲完了三种热传递方式的概念。一般在电控产品中用得比较多的是热传导和热对流，而没有考虑热辐射。但是热辐射在航空航天事业用得比较多。
而且热辐射的计算过程也比较复杂，有空大家可以自己研究下。
现在借助CAE仿真软件，可以有效而快捷地对流体热进行仿真，所以大大节约了之前的计算时间。
这三篇文章的深度不够，还比较浅显，希望对之前没有系统了解概念的朋友，有所帮助。
如果你觉得这篇文章对你有所帮助，请帮忙点个赞和在看。
也可以分享给你的朋友们，邀请他们一起来学习吧！
