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schwarzer Körper

Als schwarzer Körper wird in der Physik ein idealisierter Körper bezeichnet, der die gesamte einfallende elektromagnetische Strahlung vollständig absorbiert. Das bedeutet, dass er keinerlei Strahlung (also auch kein Licht) reflektiert, streut oder hindurch lässt (daher der Name "schwarzer" Körper). Physikalisch gesehen bedeutet das, dass er einen Absorptionsgrad von 1 hat, das ist der höchstmögliche Wert.

Einen schwarzen Körper kann man sich wie einen großen Kasten mit einem winzigen Loch vorstellen. Die durch das Loch einfallende Strahlung wird an den Wänden im Innern immer wieder teilweise reflektiert, kann aber nicht mehr entweichen, sodass sie am Ende vollständig von den Wänden absorbiert wird.

Um dennoch im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung zu bleiben, muss der schwarze Körper Energie abgeben. Dies geschieht durch das Aussenden von Wärmestrahlung. Die Wärmestrahlung, die ein schwarzer Körper aussendet, wird auch Schwarzkörperstrahlung genannt. Analog dem Absorptionsgrad gibt es auch den Emissionsgrad, auch hier bedeutet der Wert 1 eine maximal mögliche Emission. Ein schwarzer Körper kann charakterisiert werden durch "Absorptionsgrad = Emissionsgrad = 1"

Einen idealen schwarzen Körper kann man nicht herstellen, da kein bekanntes Material existiert, das alle Wellenlängenbereiche elektromagnetischer Strahlung vollständig absorbiert. Körper können sich jedoch in bestimmten Wellenlängenbereichen annähernd wie schwarze Strahler verhalten. So absorbiert menschliche Haut Strahlung im Wellenlängenbereich von einigen µm (was unserer Umgebungstemperatur entspricht) sehr gut und strahlt bei 37°C fast wie ein schwarzer Körper (Absorptionsgrad bis zu 0,98). Auch Sterne können in der Astronomie als schwarze Körper angenähert werden. In diesen Beispielen wird auch deutlich: Nur weil ein Körper "schwarzer Körper" heißt, muss er nicht schwarz aussehen! Umgekehrt ist nicht jeder Körper, der eine schwarze Farbe hat ein schwarzer Körper. Die Bezeichung "schwarz" bezieht sich immer auf die Absorptions- und Emissionseigenschaften eines Körpers in bestimmten Wellenlängenbereichen.

Als Beispiel fragen wir ganz naiv: Warum werden Heizungen nicht schwarz angestrichen, wenn man doch aus dem Alltag weiß, dass schwarze Gegenstände in der Sonne wärmer werden, also offenbar besser absorbieren? Der Grund ist: Es stimmt, dass das sichtbare Sonnenlicht von dunklen Gegenständen besser absorbiert wird. Die Heizung soll aber in erster Linie emittieren, und zwar Wärmestrahlung im Infrarotbereich! Dafür ist die Farbe ganz egal, denn die von der Heizung ausgesendete Strahlung liegt in der Größenordnung von 10µm und nicht im sichtbaren Bereich. Im Infrarotbereich kann die Heizung dann als annähernd "schwarz" (im physikalischen Sinne wie oben beschrieben) betrachtet werden, da sie hier sehr gut emittiert.

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(Julian Rosenkranz)