Stralingsfluks: 'n Omvattende Gids

Stralingsvermogen is 'n term wat die hoeveelheid stralende energie beskryf wat deur 'n objek per eenheid tyd uitgestraal, weerspieël, oorgedra of ontvang word. Stralende energie is die energie gedra deur elektromagnetiese golfies, soos lig, radio golwe, mikrogolwe, infrarood, ultraviolette en röntgenstrale. Stralingsvermogen word ook bekend as stralende krag of optiese krag (in die geval van lig).

Stralingsvermogen is 'n belangrike konsep in radiometrie, wat die wetenskap van die meting en analise van elektromagnetiese straling is. Stralingsvermogen kan gebruik word om die prestasie van ligbronne, detektors, optiese komponente en stelsels te karakteriseer. Dit kan ook gebruik word om ander radiometriese groothede, soos stralende intensiteit, stralende veld, belasting, stralende emissie en stralende uitstroom, te bereken.

In hierdie artikel sal ons verduidelik wat stralingsvermogen is, hoe dit gemeet en bereken word, hoe dit verband hou met ander radiometriese en fotometriese groothede, en wat sommige van sy toepassings en voorbeelde is.

Wat is Stralingsvermogen?

Stralingsvermogen word gedefinieer as die tempo van verandering van stralende energie met betrekking tot tyd. Wiskundig kan dit uitgedruk word as:

Waar:

• Φe is die stralingsvermogen in watt (W)

• Qe is die stralende energie in joule (J)

• t is die tyd in sekondes (s)

Stralende energie is die totale hoeveelheid energie wat deur elektromagnetiese golfies oor 'n oppervlak of binne 'n volume oorgedra word. Dit kan uitgestraal word deur 'n bron (soos 'n ligbol), weerspieël deur 'n oppervlak (soos 'n spieël), oorgedra deur 'n medium (soos lug of glas), of opgeneem deur 'n objek (soos 'n sonpaneel).

Stralingsvermogen kan positief of negatief wees afhangende van die rigting van die energie-oordrag. Byvoorbeeld, as 'n ligbron 10 W stralingsvermogen uitsend, beteken dit dat dit 10 J energie per sekonde verloor. Aan die ander kant, as 'n detektor 10 W stralingsvermogen ontvang, beteken dit dat dit 10 J energie per sekonde wen.

Stralingsvermogen hang af van die golflengte of frekwensie van die elektromagnetiese straling. Verskillende golflengtes het verskillende energieë en interakteer anders met materie. Byvoorbeeld, sigbare lig het hoër energie as infrarood straling en kan gesien word deur menslike oë. Ultraviolette straling het selfs hoër energie as sigbare lig en kan sonbrand en skinskynkanker veroorsaak.

Die stralingsvermogen per eenheid golflengte of frekwensie word genoem as spektraal vermogen. Dit kan aangedui word as Φe(λ) vir golflengte of Φe(ν) vir frekwensie. Die totale stralingsvermogen oor 'n reeks golflengtes of frekwensies kan verkry word deur die spektraal vermogen te integreer:

Waar:

• λ is die golflengte in meter (m)

• ν is die frekwensie in herz (Hz)

• λ1 en λ2 is die onderste en boegrensse van die golflengtebereik

• ν1 en ν2 is die onderste en boegrensse van die frekwensiebereik

Hoe word Stralingsvermogen Gemeet?

Stralingsvermogen kan gemeet word deur verskeie tipes instrumente genaamd radiometers. 'n Radiometer bestaan uit 'n detektor wat elektromagnetiese straling omskep na 'n elektriese sein en 'n leesuitvoerapparaat wat die sein wys of rekord.

Die detektor kan gebaseer wees op verskillende beginsels, soos termiese effekte (bv. thermopiel), foto-elektriese effekte (bv. fotodiode), of kwantum-effekte (bv. fotomultipliekertube). Die detektor kan ook verskillende eienskappe hê, soos sensitiewiteit, responsiwiteit, lineariteit, dinamiese bereik, geraasvlak, spektraal respons, hoekrespons, en kalibrasie.

Die leesuitvoerapparaat kan analoog of digitaal wees en kan verskillende meeteenhede wys, soos watt, volt, ampere, of tellinge. Die leesuitvoerapparaat kan ook verskillende kenmerke hê, soos vertoonresolusie, akkuraatheid, presisie, stabiliteit, steekproeftempo, en data-opslag.

Sommige voorbeelde van radiometers is:

• Piranomeeter: meet globale sonligbelasting (die stralingsvermogen per eenheid area van die son en lug) op 'n horisontale oppervlak

• Pirhelioom: meet direkte sonligbelasting (die stralingsvermogen per eenheid area van die son alleen) op 'n oppervlak normaal tot die son

• Pirgeomeeter: meet langwellige belasting (die stralingsvermogen per eenheid area van infrarood straling) op 'n horisontale oppervlak

• Radiometer: meet stralingsvermogen van enige bron of rigting

• Spektradiometer: meet spektraal vermogen (die stralingsvermogen per eenheid golflengte of frekwensie) van enige bron of rigting

• Fotometer: meet luminous flux (die stralingsvermogen geweeg deur die menslike oog se sensitiewiteit) van enige bron of rigting.

Hoe word Stralingsvermogen Bereken?

Stralingsvermogen kan bereken word deur verskeie formules en modelle afhangende van die tipe en geometrie van die bron, die medium, en die ontvanger. Sommige van die algemene formules en modelle is:

• Planck se wet: bereken die spektraal vermogen van 'n swart liggaam ('n ideaaliseerde objek wat alle golflengtes van straling absorbeer en uitsend) by 'n gegewe temperatuur

• Stefan-Boltzmann se wet: bereken die totale stralingsvermogen van 'n swart liggaam by 'n gegewe temperatuur

• Lambert se kosinuswet: bereken die stralende intensiteit (die stralingsvermogen per eenheid solide hoek) van 'n lambertiaanse bron (n ideaaliseerde objek wat straling ewe in alle rigtings uitsend of weerspieël) by 'n gegewe hoek

• Omgekeerde vierkantswet: bereken die belasting (die stralingsvermogen per eenheid area) van 'n puntbron (n ideaaliseerde objek wat straling vanaf 'n enkele punt uitsend) by 'n gegewe afstand

• Beer-Lambert se wet: bereken die vermindering van stralingsvermogen terwyl dit deur 'n absorberende medium gaan

• Fresnel vergelykings: bereken die refleksie en transmissie van stralingsvermogen terwyl dit 'n grens tussen twee media met verskillende brekingsindeks ontmoet

• Snell se wet: bereken die refraksie (die buiging) van stralingsvermogen terwyl dit van een medium na 'n ander met verskillende brekingsindeks gaan

• Rayleigh-spreiding: bereken die spreiding (die herleiding) van stralingsvermogen deur deeltjies kleiner as die golflengte van straling

• Mie-spreiding: bereken die spreiding van stralingsvermogen deur deeltjies vergelykbaar of groter as die golflengte van straling

Hoe Verbind Stralingsvermogen Met Ander Radiometriese en Fotometriese Groothedes?

Stralingsvermogen is een van die basiese radiometriese groothedes wat gebruik kan word om ander radiometriese en fotometriese groothedes af te lei. Sommige van die ander groothedes is:

• Stralende intensiteit: die stralingsvermogen per eenheid solide hoek uitgestraal deur 'n puntbron in 'n gegewe rigting. Die SI-eenheid is watt per steradiaan (W/sr).

• Stralende veld: die stralingsvermogen per eenheid solide hoek per eenheid projisie-area uitgestraal deur 'n oppervlak of volume in 'n gegewe rigting. Die SI-eenheid is watt per steradiaan per vierkante meter (W/sr/m²).

• Belasting of stralingsbelasting: die stralingsvermogen per eenheid area insidend op 'n oppervlak of binne 'n volume. Die SI-eenheid is watt per vierkante meter (W/m²) of joule per vierkante meter (J/m²).

• Stralende emissie of emissie: die stralingsvermogen per eenheid area uitgestraal deur 'n oppervlak of binne 'n volume. Die SI-eenheid is watt per vierkante meter (W/m²).

• Stralende uitstroom: die stralende emissie plus die teruggekaatsde belasting van 'n oppervlak. Die SI-eenheid is watt per vierkante meter (W/m²).

Fotometriese groothedes is soortgelyk aan radiometriese groothedes, maar hulle word geweeg deur die menslike oog se sensitiewiteit vir verskillende golflengtes van lig. Die weegfunksie word die luminous efficacy funksie genoem, en dit het 'n maksimum waarde van 683 lm/W by 555 nm. Sommige van die fotometriese groothedes is:

• Luminous flux: die stralingsvermogen geweeg deur die luminous efficacy funksie. Die SI-eenheid is lumen (lm).

• Luminous intensity: die luminous flux per eenheid solide hoek uitgestraal deur 'n puntbron in 'n gegewe rigting. Die SI-eenheid is candela (cd).

• Luminance: die luminous flux per eenheid solide hoek per eenheid projisie-area uitgestraal deur 'n oppervlak of volume in 'n gegewe rigting. Die SI-eenheid is candela per vierkante meter (cd/m²).

• Illuminance or illuminance exposure: die luminous flux per eenheid area insidend op 'n oppervlak of binne 'n volume. Die SI-eenheid is lux (lx) of lumen sekonde per vierkante meter (lm·s/m²).

• Luminous exitance or luminous emittance: die luminous flux per eenheid area uitgestraal deur 'n oppervlak of binne 'n volume. Die SI-eenheid is lux (lx).

• Luminosity: die luminous exitance plus die teruggekaatsde illuminance van 'n oppervlak. Die SI-eenheid is lux (lx).

Watter Toepassings en Voorbeelde van Stralingsvermogen Bestaan?

Stralingsvermogen is 'n nuttige grootheid vir baie toepassings en voorbeelde wat betrekking hê op elektromagnetiese straling. Sommige daarvan is:

• Verligting: stralingsvermogen kan gebruik word om die uitset en doeltreffendheid van verskillende tipes ligbronne, soos gloeilamp, fluoriesent, LED, of laser, te meet en te vergelyk. Dit kan ook gebruik word om verligtingsstelsels vir verskillende doeleindes, soos binne, buite, of toneelverligting, te ontwerp en te optimaliseer.

• Sonenergie: stralingsvermogen kan gebruik word om die hoeveelheid sonstraling wat die aarde se oppervlak of 'n sonpaneel bereik, te meet en te beraam. Dit kan ook gebruik word om die krag en energie-uit