انتقال الحرارة الإشعاعي قريب المجال

الأساس النظري

من جانب آخر، وعند فروق درجات الحرارة الصغيرة يمكن التعبير عن الانتقال الحراري في صورة موصلية حرارية خطية:

وفي السياق ذاته، حيث تمثل احتمالية انتقال الطاقة في القناة ، وتتراوح قيمتها بين صفر وواحد.

كذلك، تُعبَّر الكثير من الصيغ الحديثة لانتقال الحرارة الإشعاعي في المجال القريب باستخدام صيغة لانداور، التي تمثل انتقال الطاقة الحرارية باعتباره انتقالًا عبر مجموعة من قنوات الإشعاع. ويُعطى صافي القدرة الحرارية المنتقلة من الجسم 1 إلى الجسم 2 بالعلاقة:

وعلى صعيد آخر، حيث هو ثابت بلانك المختزل، و هو التردد الزاوي، و هي درجة الحرارة المطلقة، و هي دالة الإشغال البوزي، بينما تمثل إجمالي احتمال انتقال الطاقة عبر قنوات الإشعاع المختلفة.

ويمكن كتابة دالة الانتقال على الصورة:

جسمان نصف مستويين

ومن ناحية أخرى، تُعد حالة جسمين نصف مستويين تفصل بينهما فجوة فراغية من النماذج الأساسية في دراسة انتقال الحرارة الإشعاعي في المجال القريب.

من جانب آخر، في هذه الحالة يمكن تقسيم قنوات الإشعاع إلى موجات مستقطبة خطيًا من نوعي s وp. ويرتبط الانتقال الحراري بالمركبة من متجه الموجة الموازية للسطح.

كذلك، وتتضمن صياغة انتقال الحرارة معاملات الانعكاس وفق معادلات فرينل، إضافة إلى المسافة بين السطحين وسرعة الضوء في الفراغ . وتتناقص مساهمة الموجات المتلاشية مع زيادة المسافة، ولذلك تصبح ذات أهمية خاصة عند الفجوات الصغيرة جدًا.

• إذا تحقق:
• فإن المساهمة ترتبط بالموجات المنتشرة، أما إذا تحقق:
• فإن المساهمة ترتبط بالموجات المتلاشية.

الأنظمة متعددة الأجسام

في هذا الإطار، وقد طُورت صيغ نظرية للتعامل مع انتقال الحرارة في الأنظمة متعددة الأجسام، مع دراسة تأثير ترتيب الأجسام وخصائص المواد والهندسة في قنوات انتقال الطاقة.

وفي هذا الصدد، لا يقتصر انتقال الحرارة في المجال القريب على جسمين فقط؛ فقد دُرست أنظمة تتكون من عدة أجسام حرارية متفاعلة. وفي هذه الأنظمة يمكن لتعدد عمليات التشتت والتفاعل بين الأجسام أن يؤثر في انتقال الطاقة الحرارية، بحيث لا يمكن دائمًا التعامل مع كل زوج من الأجسام بصورة مستقلة.

التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة

وفي هذا السياق، يمكن استخدام التأثيرات البصرية للمجال القريب في التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة، حيث تُستعمل بنية بصرية قريبة المجال لتوصيل الطاقة إلى مناطق صغيرة جدًا من وسيط التسجيل بهدف تسخينها أثناء عملية الكتابة.

التحويل الحراري الضوئي

ومن ناحية أخرى، يمكن استخدام انتقال الحرارة الإشعاعي في المجال القريب في أنظمة التحويل الحراري الضوئي بهدف تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية. وتتيح الفجوات الصغيرة بين الباعث الحراري والخلية الضوئية زيادة انتقال الإشعاع الحراري مقارنة بالأنظمة التقليدية التي تعمل في المجال البعيد.

تطبيقات

إضافةً إلى ذلك، للانتقال الحراري الإشعاعي في المجال القريب تطبيقات بحثية وهندسية متعددة، من بينها أنظمة التحويل الحراري الضوئي، والتصحيح الحراري، والتبريد الإشعاعي، والتسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة.

التصحيح الحراري

وعلى صعيد آخر، يمكن توظيف انتقال الحرارة في المجال القريب في أنظمة التصحيح الحراري، التي تهدف إلى التحكم في اتجاه تدفق الحرارة. وقد دُرست هذه التطبيقات باستخدام مواد ذات خصائص حرارية وإلكترونية مختلفة، ومنها السيليكون المطعّم.

التبريد الإشعاعي

علاوةً على ذلك، دُرس استخدام المجال القريب في التبريد الإشعاعي للبنى النانوية، حيث يمكن للخصائص الكهرومغناطيسية للمواد والهندسة الدقيقة للأسطح أن تؤثر في انتقال الطاقة الحرارية.

النمذجة والحساب العددي

وفي هذا السياق، أدى تطور دراسة انتقال الحرارة الإشعاعي في المجال القريب إلى تطوير طرق عددية مختلفة للتعامل مع الأشكال الهندسية التي يصعب حلها تحليليًا. ومن هذه الطرق صياغات تعتمد على دوال غرين والتيارات السطحية المتقلبة وتقريبات ثنائي القطب المتقطع.

ومن جهة أخرى، كما طُورت نماذج تعتمد على تقريب ثنائي القطب المتقطع لمحاكاة انتقال الحرارة بين أجسام ذات أشكال اعتباطية، بما في ذلك الجسيمات غير المنتظمة.

علاوةً على ذلك، وقد استُخدمت حلول دقيقة لحساب انتقال الحرارة بين أزواج من الكرات، وبين كرة وسطح مستوٍ، وبين سلاسل من الكرات المتقاربة، وكذلك في تراكيب أسطوانية وهندسات أخرى.

التاريخ

ومن ناحية أخرى، يرتبط أصل الدراسة النظرية لانتقال الحرارة الإشعاعي في المجال القريب بأعمال الفيزيائي السوفيتي سيرغي ريتوف، الذي تناول الإشعاع الحراري من خلال الحقول الكهرومغناطيسية المتقلبة إحصائيًا. وتبعت ذلك دراسات نظرية تناولت انتقال الإشعاع بين الأسطح المتقاربة وتأثير المسافات الصغيرة في انتقال الطاقة الحرارية.

في هذا الإطار، ومنذ ذلك الحين تطورت عدة طرائق رياضية لحساب انتقال الحرارة في المجال القريب، من بينها صيغ لانداور، وصياغات التيارات السطحية المتقلبة، وصياغات دالة غرين، كما طُورت نماذج لحساب انتقال الحرارة بين أجسام ذات أشكال هندسية مختلفة.

النظرية

من جانب آخر، وفي 1971 نشر ديرك بولدر وميشيل فان هوف صياغة نظرية لانتقال الحرارة الإشعاعي بين أجسام متقاربة تفصل بينها فجوة فراغية. واستندت الصياغة إلى وصف إحصائي للحقول الكهرومغناطيسية الحرارية، وأظهرت أهمية المساهمات الناتجة عن الموجات المتلاشية عندما تصبح المسافة بين الجسمين صغيرة.

التحقق التجريبي

• انظر كذلك
• انتقال الحرارة
• إشعاع حراري
• البصريات الهندسية
• حيود
• تداخل الموجات
• الجسم الأسود
• قانون ستيفان-بولتزمان
• معادلات فرينل
• دالة غرين
• التسجيل المغناطيسي
• التبريد الإشعاعي
• المراجع

من جهة ثانية، يمثل التحكم في المسافات شديدة الصغر وقياسها أحد التحديات المهمة في دراسة انتقال الحرارة الإشعاعي في المجال القريب. وقد تناولت الدراسات التجريبية ترتيبات هندسية مختلفة، من بينها انتقال الحرارة بين سطحين، وبين طرف وسطح، وبين كرة وسطح، مع استخدام مواد ذات خصائص مختلفة.

علاوةً على ذلك، وتتوافق النتائج التجريبية والنماذج النظرية على أن انتقال الحرارة في المجال القريب يمكن أن يكون أكبر بكثير من التنبؤات المستندة إلى النماذج التقليدية للمجال البعيد، ولا سيما عندما تكون المسافة بين السطحين في النطاق النانوي.