Strålingsflod: En Komplet Guide

Strålingsflod er et begreb, der beskriver mængden af strålingsenergi, der udsendes, reflekteres, transmitteres eller modtages af et objekt pr. tidsenhed. Strålingsenergi er energien, der bærer elektromagnetiske bølger, såsom lys, radiobølger, mikrobølger, infrarød, ultraviolet og røntgenstråling. Strålingsflod kendes også som strålings effekt eller optisk effekt (i tilfælde af lys).

Strålingsflod er et vigtigt begreb i radiometri, som er videnskaben om at måle og analysere elektromagnetisk stråling. Strålingsflod kan bruges til at karakterisere ydeevnen af lyskilder, detektorer, optiske komponenter og systemer. Den kan også bruges til at beregne andre radiometriske størrelser, såsom strålingsintensitet, stråling, bestråling, strålingsudgang og stråling.

I denne artikel vil vi forklare, hvad strålingsflod er, hvordan den måles og beregnes, hvordan den relaterer sig til andre radiometriske og fotometriske størrelser, og hvad nogle af dens anvendelser og eksempler er.

Hvad er Strålingsflod?

Strålingsflod defineres som hastigheden af ændring af strålingsenergi med hensyn til tid. Matematisk kan det udtrykkes som:

Hvor:

• Φe er strålingsfloden i watt (W)

• Qe er strålingsenergien i joule (J)

• t er tiden i sekunder (s)

Strålingsenergi er den samlede mængde energi, der overføres af elektromagnetiske bølger over en overflade eller inden for en volumen. Den kan udsendes af en kilde (som en pære), reflekteres af en overflade (som et spejl), transmitteres gennem et medium (som luft eller glas) eller absorberes af et objekt (som en solcelle).

Strålingsflod kan være positiv eller negativ afhængig af energioverførselsretningen. For eksempel, hvis en lyskilde udsender 10 W strålingsflod, betyder det, at den taber 10 J energi pr. sekund. På den anden side, hvis en detektor modtager 10 W strålingsflod, betyder det, at den vinder 10 J energi pr. sekund.

Strålingsflod afhænger af bølgelængden eller frekvensen af elektromagnetisk stråling. Forskellige bølgelængder har forskellige energier og interagerer på forskellige måder med stof. For eksempel har synligt lys højere energi end infrarødt stråling og kan ses af menneskehjernene. Ultraviolett stråling har endnu højere energi end synligt lys og kan forårsage solbrand og hudkræft.

Strålingsflod pr. bølgelængde eller frekvens kaldes spektral flod eller spektral effekt. Den kan betegnes som Φe(λ) for bølgelængde eller Φe(ν) for frekvens. Den samlede strålingsflod over et område af bølgelængder eller frekvenser kan opnås ved at integrere den spektrale flod:

Hvor:

• λ er bølgelængden i meter (m)

• ν er frekvensen i hertz (Hz)

• λ1 og λ2 er de nedre og øvre grænser for bølgelængdeområdet

• ν1 og ν2 er de nedre og øvre grænser for frekvensområdet

Hvordan Måles Strålingsflod?

Strålingsflod kan måles ved hjælp af forskellige typer instrumenter kaldet radiometer. Et radiometer består af en detektor, der konverterer elektromagnetisk stråling til et elektrisk signal, og en visningsenhed, der viser eller registrerer signalet.

Detektoren kan baseres på forskellige principper, som termiske effekter (f.eks. termopil), fotoelektriske effekter (f.eks. fotodiode) eller kvanteeffekter (f.eks. fotomultiplikatorrør). Detektoren kan også have forskellige egenskaber, som følsomhed, responsivitet, lineæritet, dynamisk område, støjniveau, spektral respons, vinkelrespons og kalibrering.

Visningsenheden kan være analog eller digital og kan vise forskellige måleenheder, som watt, volt, ampere eller tællinger. Visningsenheden kan også have forskellige funktioner, som skærmopløsning, nøjagtighed, præcision, stabilitet, samplingfrekvens og datalagring.

Nogle eksempler på radiometer er:

• Pyranometer: måler global solbebelysning (strålingsflod pr. areal fra solen og himlen) på en horisontal overflade

• Pyrheliometer: måler direkte solbebelysning (strålingsflod pr. areal fra solen alene) på en overflade normalt til solen

• Pyrgeometer: måler langbølgebebelysning (strålingsflod pr. areal fra infrarød stråling) på en horisontal overflade

• Radiometer: måler strålingsflod fra enhver kilde eller retning

• Spectroradiometer: måler spektral flod (strålingsflod pr. bølgelængde eller frekvens) fra enhver kilde eller retning

• Fotometer: måler lysflod (strålingsflod vægtet med menneskehjernenes følsomhed) fra enhver kilde eller retning.

Hvordan Beregnes Strålingsflod?

Strålingsflod kan beregnes ved hjælp af forskellige formler og modeller afhængigt af kildens type og geometri, mediumet og modtageren. Nogle af de almindelige formler og modeller er:

• Plancks lov: beregner den spektrale flod af et sort legeme (et idealiseret objekt, der absorberer og udsender alle bølgelængder af stråling) ved en given temperatur

• Stefan-Boltzmanns lov: beregner den samlede strålingsflod af et sort legeme ved en given temperatur

• Lamberts cosinuslov: beregner strålingsintensiteten (strålingsflod pr. solid vinkel) af en lambertian kilde (et idealiseret objekt, der udsender eller reflekterer stråling lige i alle retninger) ved en given vinkel

• Omvendte kvadrats lov: beregner bestrålingen (strålingsflod pr. areal) af en punktkilde (et idealiseret objekt, der udsender stråling fra et enkelt punkt) ved en given afstand

• Beer-Lamberts lov: beregner dæmpningen (reduktionen) af strålingsflod, når den passerer gennem et absorbérende medium

• Fresnels ligninger: beregner refleksionen og transmissionen af strålingsflod, når den møder en grænse mellem to medier med forskellige brydningsindeks

• Snells lov: beregner refractions (bøjningen) af strålingsflod, når den passerer fra et medium til et andet med forskellige brydningsindeks

• Rayleigh scattering: beregner spredningen (omdirigeringen) af strålingsflod af partikler, der er mindre end bølgelængden af strålingen

• Mie scattering: beregner spredningen af strålingsflod af partikler, der er sammenlignelige med eller større end bølgelængden af strålingen

Hvordan Relaterer Strålingsflod sig til Andre Radiometriske og Fotometriske Størrelser?

Strålingsflod er en af de grundlæggende radiometriske størrelser, der kan bruges til at udlede andre radiometriske og fotometriske størrelser. Nogle af de andre størrelser er:

• Strålingsintensitet: strålingsfloden pr. solid vinkel udsendt af en punktkilde i en given retning. SI-enheten er watt per steradian (W/sr).

• Stråling: strålingsfloden pr. solid vinkel pr. projektionsareal udsendt af en overflade eller en volumen i en given retning. SI-enheten er watt per steradian per kvadratmeter (W/sr/m²).

• Bestråling eller strålingsudslip: strålingsfloden pr. areal, der rammer en overflade eller inden for en volumen. SI-enheten er watt per kvadratmeter (W/m²) eller joule per kvadratmeter (J/m²).

• Strålingsudgang eller udsendelse: strålingsfloden pr. areal udsendt af en overflade eller inden for en volumen. SI-enheten er watt per kvadratmeter (W/m²).

• Stråling: strålingsudgang plus den reflekterede bestråling af en overflade. SI-enheten er watt per kvadratmeter (W/m²).

Fotometriske størrelser er lignende radiometriske størrelser, men de er vægtet med menneskehjernenes følsomhed for forskellige bølgelængder af lys. Vægtningen kaldes lys effektivitetsfunktion, og den har en maksimal værdi på 683 lm/W ved 555 nm. Nogle af de fotometriske størrelser er:

• Lysflod: strålingsfloden vægtet med lys effektivitetsfunktion. SI-enheten er lumen (lm).

• Lysintensitet: lysfloden pr. solid vinkel udsendt af en punktkilde i en given retning. SI-enheten er candela (cd).

• Lysstyrke: lysfloden pr. solid vinkel pr. projektionsareal udsendt af en overflade eller en volumen i en given retning. SI-enheten er candela per kvadratmeter (cd/m²).

• Belysning eller belysningsudslip: lysfloden pr. areal, der rammer en overflade eller inden for en volumen. SI-enheten er lux (lx) eller lumen sekund pr. kvadratmeter (lm·s/m²).

• Lysudgang eller lysudsendelse: lysfloden pr. areal udsendt af en overflade eller inden for en volumen. SI-enheten er lux (lx).

• Lysstyrke: lysudgang plus den reflekterede belysning af en overflade. SI-enheten er lux (lx).

Hvad er nogle Anvendelser og Eksempler på Strålingsflod?

Strålingsflod er en nyttig størrelse for mange anvendelser og eksempler, der involverer elektromagnetisk stråling. Nogle af dem er:

• Belysning: strålingsflod kan bruges til at måle og sammenligne output og effektivitet af forskellige typer lyskilder, såsom glødelamper, fluorescentlamper, LED eller laser. Den kan også bruges til at designe og optimere belysningsanordninger til forskellige formål, såsom indendørs, udendørs eller teaterbelysning.

• Solenergi: strålingsflod kan bruges til at måle og estimere mængden af solstråling, der når Jordens overflade eller en solcelle. Den kan også bruges til at beregne effekten og energioutputtet af solceller og -systemer.

• Fjerntest: strålingsflod kan bruges til at måle og analysere egenskaber og karakteristika af objekter og fænomener på afstand, såsom temperatur, sammensæ