Flux Radiant: Una Guia Comprehensiva

El flux radiant és un terme que descriu la quantitat d'energia radiant que s'emiteix, reflecteix, transmet o rep un objecte per unitat de temps. L'energia radiant és l'energia portada pels ones electromagnètics, com ara la llum, ones de ràdio, microones, infraroig, ultraviolat i raigs X. El flux radiant també es coneix com a potència radiant o potència òptica (en el cas de la llum).

El flux radiant és un concepte important en radiometria, que és la ciència de mesurar i analitzar la radiació electromagnètica. El flux radiant es pot utilitzar per caracteritzar el rendiment de les fonts de llum, detectors, components òptics i sistemes. També es pot utilitzar per calcular altres quantitats radiomètriques, com ara la intensitat radiant, la radiancia, l'irradiància, l'exitància radiant i la radiositat.

En aquest article, explicarem què és el flux radiant, com es mesura i calcula, com es relaciona amb altres quantitats radiomètriques i fotomètriques, i quines són algunes de les seves aplicacions i exemples.

Què és el Flux Radiant?

El flux radiant es defineix com la taxa de canvi de l'energia radiant respecte al temps. Matemàticament, es pot expressar com:

On:

• Φe és el flux radiant en watts (W)

• Qe és l'energia radiant en joules (J)

• t és el temps en segons (s)

L'energia radiant és la quantitat total d'energia que es transmet mitjançant ones electromagnètics a través d'una superfície o dins d'un volum. Pot ser emesa per una font (com una bombilla), reflectida per una superfície (com un mirall), transmesa a través d'un mitjà (com l'aire o el vidre) o absorbida per un objecte (com un panell solar).

El flux radiant pot ser positiu o negatiu depenent de la direcció del transferència d'energia. Per exemple, si una font de llum emet 10 W de flux radiant, significa que perd 10 J d'energia per segon. D'altra banda, si un detector rep 10 W de flux radiant, significa que guanya 10 J d'energia per segon.

El flux radiant depèn de la longitud d'ona o la freqüència de la radiació electromagnètica. Diferents longituds d'ona tenen diferents energies i interaccionen de manera diferent amb la matèria. Per exemple, la llum visible té més energia que la radiació infraroja i pot ser vista per els ulls humans. La radiació ultraviolada té encara més energia que la llum visible i pot causar escaldes i càncer de pell.

El flux radiant per unitat de longitud d'ona o freqüència es diu flux espectral o potència espectral. Es pot denotar com Φe(λ) per longitud d'ona o Φe(ν) per freqüència. El flux radiant total en un rang de longituds d'ona o freqüències es pot obtenir integrant el flux espectral:

On:

• λ és la longitud d'ona en metres (m)

• ν és la freqüència en hertz (Hz)

• λ1 i λ2 són els límits inferior i superior del rang de longitud d'ona

• ν1 i ν2 són els límits inferior i superior del rang de freqüència

Com es Mesura el Flux Radiant?

El flux radiant es pot mesurar utilitzant diversos tipus d'instruments anomenats radiòmetres. Un radiòmetre consisteix en un detector que converteix la radiació electromagnètica en un senyal elèctric i un dispositiu de lectura que mostra o registra el senyal.

El detector pot basar-se en diferents principis, com efectes tèrmics (per exemple, termopila), efectes fotoelèctrics (per exemple, fodiode) o efectes quàntics (per exemple, tub fotomultiplicador). El detector també pot tenir diferents característiques, com la sensibilitat, la responsivitat, la linealitat, el rang dinàmic, el nivell de soroll, la resposta espectral, la resposta angular i la calibració.

El dispositiu de lectura pot ser analògic o digital i pot mostrar diferents unitats de mesura, com watts, volts, amperes o comptes. El dispositiu de lectura també pot tenir diferents funcionalitats, com la resolució de la pantalla, la precisió, la precisió, l'estabilitat, la taxa de mostreig i l'emmagatzematge de dades.

Alguns exemples de radiòmetres són:

• Piranòmetre: mesura l'irradiància solar global (el flux radiant per unitat d'àrea del sol i el cel) en una superfície horitzontal

• Pirheliòmetre: mesura l'irradiància solar directa (el flux radiant per unitat d'àrea del sol només) en una superfície normal al sol

• Pirgeòmetre: mesura l'irradiància de llarga onda (el flux radiant per unitat d'àrea de la radiació infraroja) en una superfície horitzontal

• Radiòmetre: mesura el flux radiant de qualsevol font o direcció

• Espectroradiòmetre: mesura el flux espectral (el flux radiant per unitat de longitud d'ona o freqüència) de qualsevol font o direcció

• Fotòmetre: mesura el flux luminós (el flux radiant ponderat per la sensibilitat de l'ull humà) de qualsevol font o direcció.

Com es Calcula el Flux Radiant?

El flux radiant es pot calcular utilitzant diverses fórmules i models depenent del tipus i la geometria de la font, el mitjà i el receptor. Algunes de les fórmules i models més comuns són:

• La llei de Planck: calcula el flux espectral d'un cos negre (un objecte idealitzat que absorbeix i emet totes les longituds d'ona de radiació) a una temperatura determinada

• La llei de Stefan-Boltzmann: calcula el flux radiant total d'un cos negre a una temperatura determinada

• La llei del cosinus de Lambert: calcula la intensitat radiant (el flux radiant per unitat d'angle sòlid) d'una font lambertiana (un objecte idealitzat que emet o reflecteix radiació igualment en totes les direccions) a un angle determinat

• La llei del quadrat invers: calcula l'irradiància (el flux radiant per unitat d'àrea) d'una font puntual (un objecte idealitzat que emet radiació des d'un sol punt) a una distància determinada

• La llei de Beer-Lambert: calcula l'atenuació (la reducció) del flux radiant quan passa a través d'un mitjà absorbent

• Les equacions de Fresnel: calculen la reflexió i la transmissió del flux radiant quan troba una interfície entre dos mitjans amb índexs de refracció diferents

• La llei de Snell: calcula la refracció (el corbament) del flux radiant quan passa d'un mitjà a un altre amb índexs de refracció diferents

• La dispersió de Rayleigh: calcula la dispersió (la redirecció) del flux radiant per partícules més petites que la longitud d'ona de la radiació

• La dispersió de Mie: calcula la dispersió del flux radiant per partícules comparables o més grans que la longitud d'ona de la radiació

Com es Relaciona el Flux Radiant amb Altres Quantitats Radiomètriques i Fotomètriques?

El flux radiant és una de les quantitats radiomètriques bàsiques que es poden utilitzar per derivar altres quantitats radiomètriques i fotomètriques. Algunes d'aquestes quantitats són:

• Intensitat radiant: el flux radiant per unitat d'angle sòlid emès per una font puntual en una direcció determinada. La unitat SI és el watt per estereoradian (W/sr).

• Radiancia: el flux radiant per unitat d'angle sòlid per unitat d'àrea projectada emès per una superfície o un volum en una direcció determinada. La unitat SI és el watt per estereoradian per metre quadrat (W/sr/m2).

• Irradiància o exposició radiant: el flux radiant per unitat d'àrea incident en una superfície o dins d'un volum. La unitat SI és el watt per metre quadrat (W/m2) o el joule per metre quadrat (J/m2).

• Exitància radiant o emissió: el flux radiant per unitat d'àrea emès per una superfície o dins d'un volum. La unitat SI és el watt per metre quadrat (W/m2).

• Radiositat: l'exitància radiant més l'irradiància reflectida d'una superfície. La unitat SI és el watt per metre quadrat (W/m2).

Les quantitats fotomètriques són similars a les radiomètriques, però estan ponderades per la sensibilitat de l'ull humà a diferents longituds d'ona de llum. La funció de ponderació es diu funció d'eficàcia luminosa, i té un valor màxim de 683 lm/W a 555 nm. Algunes de les quantitats fotomètriques són:

• Flux luminós: el flux radiant ponderat per la funció d'eficàcia luminosa. La unitat SI és el lumen (lm).

• Intensitat luminosa: el flux luminós per unitat d'angle sòlid emès per una font puntual en una direcció determinada. La unitat SI és el candel (cd).

• Luminància: el flux luminós per unitat d'angle sòlid per unitat d'àrea projectada emès per una superfície o un volum en una direcció determinada. La unitat SI és el candel per metre quadrat (cd/m2).

• Il·luminància o exposició il·luminància: el flux luminós per unitat d'àrea incident en una superfície o dins d'un volum. La unitat SI és el lux (lx) o el lumen segon per metre quadrat (lm·s/m2).

• Exitància luminosa o emissió luminosa: el flux luminós per unitat d'àrea emès per una superfície o dins d'un volum. La unitat SI és el lux (lx).

• Luminositat: l'exitància luminosa més l'il·luminància reflectida d'una superfície. La unitat SI és el lux (lx).

Quines són Algunes Aplicacions i Exemples del Flux Radiant?

El flux radiant és una quantitat útil per moltes aplicacions i exemples que impliquen radiació electromagnètica. Algunes d'aquestes són:

• Il·luminació: el flux radiant es pot utilitzar per mesurar i comparar la sortida i l'eficiència de diferents tipus de fonts de llum, com incandescent, fluorescent, LED o làser. També es pot utilitzar per dissenyar i optimitzar sistemes d'il·luminació per diferents propòsits, com il·luminació interior, exterior o teatral.

• Energia solar: el flux radiant es pot utilitzar per mesurar i estimar la quantitat de radiació solar que arriba a la superfície de la Terra o a un panell solar. També es pot utilitzar per calcular la potència i l'energia de les cèl·lules i sistemes solars.

• Sensori remot: el flux radiant es pot utilitzar per mesurar i analitzar les propietats i característiques d'objectes i fenòmens a distància, com la temperatura, la composició, la vegetació, la contaminació, el temps o el clima. També es pot utilitzar per crear imatges i mapes de la Terra o altres cossos celestes utilitzant satèl·lits o telescopis.

• <