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基于涨落电磁理论的平面微纳米尺度热辐射机理研究

车志钊  
【摘要】: 微机电系统、纳米科学、生命科学的飞速发展给传统传热学领域带来了挑战,在微纳米尺度下的辐射特性和辐射传输特性与宏观尺度下有极大的差别,传统的辐射学研究方法已经不能解决微纳米尺度下的很多现象,如辐射的隧道效应、干涉效应等等。物质的热辐射本身是一种电磁波,从电磁理论的角度可以描述热辐射在微纳米尺度下所表现出来的波动特性,同时该研究方法还能够对辐射的宏观特性给出合理的微观解释。 本文从电磁理论出发,考虑物质本身的热辐射特性和传输特性,采用涨落耗散理论描述物体内部分子或电子热运动产生的辐射电磁场,采用格林函数法求解描述电磁场波动特性的频域Maxwell方程组,分析倏逝波在热辐射传输中的作用及规律。本文详细推导了半无限厚平面产生的辐射场的电磁能密度和垂直界面方向上的热流密度,以及两个半无限厚平行平面间的辐射热流密度;推导了当平面波入射界面产生倏逝波时电磁波在介质中的耗散规律。 在对微纳米尺度辐射的计算分析中: 1.对于两平行平面间的微纳米尺度辐射换热问题,本文发现当辐射的特征波长和平面间距离相当时,远场传输电磁波表现出相干性,使其辐射热流密度随距离的变化上下波动。 2.关于微尺度辐射的光谱特性,当距离减小时,SiC平面辐射某频率处出现了明显的峰值,并且随距离的减小峰值剧烈增强,使辐射换热总量和电磁能密度增加几个数量级,而换成Al材质则没有类似的规律。其原因在于该频率下的介电常数实部接近1而虚部不大,表面声子共振使表面波在该频率下激发。 3.本文中分析了不同偏振态的远近场电磁波对电磁能密度和辐射热流密度的贡献,发现SiC在微纳米尺度下,s偏振的贡献可以忽略,而p偏振的近场倏逝波起主要作用,文中指出了该现象是由近场电磁波在界面处的边界条件和物性参数决定的。


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