Лъчева мощ: Пълноценната Ръководство

Лъчевият поток е термин, който описва количеството лъчева енергия, излъчвана, отразена, пренасяна или приета от обект за единица време. Лъчевата енергия е енергията, носена от електромагнитни вълни, като светлина, радиовълни, микровълни, инфрачервено, ултравиолетово и рентгеново излъчване. Лъчевият поток се нарича също лъчева мощност или оптична мощност (в случай на светлина).

Лъчевият поток е важен концепт в радиометрията, която е науката за измерване и анализ на електромагнитното излъчване. Лъчевият поток може да се използва за характеризиране на производителността на източници на светлина, детектори, оптични компоненти и системи. Той може също да се използва за изчисляване на други радиометрични величини, като лъчева интензивност, лъчестост, осветеност, лъчева излъчваност и лъчева яркост.

В тази статия ще обясним какво е лъчев поток, как се измерва и изчислява, как се свързва с други радиометрични и фотометрични величини, и какви са някои от неговите приложения и примери.

Какво е лъчев поток?

Лъчевият поток се дефинира като скоростта на изменение на лъчевата енергия спрямо времето. Математически, той може да се изрази като:

Където:

• Φe е лъчевият поток в ватове (W)

• Qe е лъчевата енергия в джоули (J)

• t е времето в секунди (s)

Лъчевата енергия е общото количество енергия, което се пренася от електромагнитни вълни през повърхност или в обем. Тя може да бъде излъчена от източник (като лампа), отразена от повърхност (като огледало), пренасяна през среда (като въздух или стъкло) или погълната от обект (като сондажна панел).

Лъчевият поток може да бъде положителен или отрицателен, в зависимост от посоката на пренасянето на енергията. Например, ако източник на светлина излъчва 10 W лъчев поток, това означава, че губи 10 J енергия в секунда. От друга страна, ако детектор приема 10 W лъчев поток, това означава, че спечели 10 J енергия в секунда.

Лъчевият поток зависи от дължината на вълната или честотата на електромагнитното излъчване. Различни дължини на вълните имат различни енергии и взаимодействат по различен начин с веществото. Например, видимата светлина има по-висока енергия от инфрачервеното излъчване и може да бъде видяна от човешкия ок. Ултравиолетовото излъчване има дори по-висока енергия от видимата светлина и може да причини слънчево изгаряне и кожен рак.

Лъчевият поток за единица дължина на вълната или честота се нарича спектрален поток или спектрална мощност. Той може да се обозначи като Φe(λ) за дължина на вълната или Φe(ν) за честотата. Общият лъчев поток в диапазон от дължини на вълните или честоти може да се получи чрез интегриране на спектралния поток:

Където:

• λ е дължината на вълната в метри (m)

• ν е честотата в херц (Hz)

• λ1 и λ2 са долната и горната граница на диапазона на дължината на вълната

• ν1 и ν2 са долната и горната граница на диапазона на честотата

Как се измерва лъчевият поток?

Лъчевият поток може да се измери с помощта на различни типове инструменти, наречени радиометри. Радиометър се състои от детектор, който преобразува електромагнитно излъчване в електричен сигнал, и устройство за четене, което показва или записва сигнала.

Детекторът може да бъде основан на различни принципи, като термични ефекти (например, термопила), фотоелектрични ефекти (например, фотодиод) или квантови ефекти (например, фотомултипликатор). Детекторът може също да има различни характеристики, като чувствителност, отговорност, линейност, динамичен диапазон, ниво на шума, спектрален отговор, ъглов отговор и калибриране.

Устройството за четене може да бъде аналогично или цифрово и може да показва различни мерни единици, като ватове, волтове, ампери или бройки. Устройството за четене може също да има различни функции, като разрешителна способност, точност, прецизност, стабилност, частота на пробиране и съхранение на данни.

Някои примери за радиометри са:

• Пираниометър: измерва глобалната соларна осветеност (лъчевия поток за единица площ от слънце и небето) на хоризонтална повърхност

• Пирхелиометър: измерва директната соларна осветеност (лъчевия поток за единица площ само от слънце) на повърхност, нормална към слънце

• Пиргеометър: измерва дълговълновата осветеност (лъчевия поток за единица площ от инфрачервено излъчване) на хоризонтална повърхност

• Радиометър: измерва лъчев поток от всеки източник или посока

• Спектрорадиометър: измерва спектрален поток (лъчевия поток за единица дължина на вълната или честота) от всеки източник или посока

• Фотометър: измерва светлинен поток (лъчевия поток, теглен с чувствителността на човешкото око) от всеки източник или посока.

Как се изчислява лъчевият поток?

Лъчевият поток може да се изчисли с помощта на различни формули и модели, в зависимост от типа и геометрията на източника, средата и приемника. Някои от обичайните формули и модели са:

• Закон на Планк: изчислява спектралния поток на черно тяло (идеализиран обект, който абсорбира и излъчва всички дължини на вълните на излъчването) при дадена температура

• Закон на Стефан-Болцман: изчислява общия лъчев поток на черно тяло при дадена температура

• Закон на Ламберт: изчислява лъчевата интензивност (лъчевия поток за единица твърд ъгъл) на ламбертов източник (идеализиран обект, който излъчва или отразява излъчване равномерно във всички посоки) при даден ъгъл

• Обратнопропорционален закон: изчислява осветеността (лъчевия поток за единица площ) на точков източник (идеализиран обект, който излъчва от една точка) при дадено разстояние

• Закон на Бир-Ламберт: изчислява затихването (намалението) на лъчевия поток, докато преминава през абсорбираща среда

• Уравнения на Френел: изчисляват отражението и пропускането на лъчевия поток, докато среща интерфейс между две среди с различни показатели на пречупване

• Закон на Снел: изчислява пречупването (изкривяването) на лъчевия поток, докато преминава от една среда към друга с различни показатели на пречупване

• Рейлиево разсейване: изчислява разсейването (пренасянето) на лъчевия поток от частици, по-малки от дължината на вълната на излъчването

• Миеево разсейване: изчислява разсейването на лъчевия поток от частици, сравними или по-големи от дължината на вълната на излъчването

Как се свързва лъчевият поток с други радиометрични и фотометрични величини?

Лъчевият поток е една от основните радиометрични величини, които могат да се използват за извеждане на други радиометрични и фотометрични величини. Някои от другите величини са:

• Лъчева интензивност: лъчевият поток за единица твърд ъгъл, излъчван от точков източник в дадена посока. SI единица е ват за стерадиан (W/sr).

• Лъчестост: лъчевият поток за единица твърд ъгъл за единица проектирана площ, излъчван от повърхност или обем в дадена посока. SI единица е ват за стерадиан за квадратен метър (W/sr/m2).

• Осветеност или лъчево излагане: лъчевият поток за единица площ, инцидентен на повърхност или в обем. SI единица е ват за квадратен метър (W/m2) или джоул за квадратен метър (J/m2).

• Лъчева излъчваност или емисия: лъчевият поток за единица площ, излъчван от повърхност или в обем. SI единица е ват за квадратен метър (W/m2).

• Лъчева яркост: лъчевата излъчваност плюс отразената осветеност на повърхност. SI единица е ват за квадратен метър (W/m2).

Фотометричните величини са подобни на радиометричните величини, но те са теглени с чувствителността на човешкото око към различни дължини на вълните на светлината. Весовата функция се нарича луминозна ефективност, и има максимална стойност от 683 lm/W при 555 nm. Някои от фотометричните величини са:

• Светлинен поток: лъчевият поток, теглен с луминозната ефективност. SI единица е люмен (lm).

• Светлина интензивност: светлинният поток за единица твърд ъгъл, излъчван от точков източник в дадена посока. SI единица е кандела (cd).

• Яркост: светлинният поток за единица твърд ъгъл за единица проектирана площ, излъчван от повърхност или обем в дадена посока. SI единица е кандела за квадратен метър (cd/m2).

• Осветеност или осветително излагане: светлинният поток за единица площ, инцидентен на повъ