Strahlungsfluss: Eine umfassende Anleitung
Strahlungsfluss ist ein Begriff, der die Menge an Strahlungsenergie beschreibt, die von einem Objekt pro Zeiteinheit emittiert, reflektiert, übertragen oder empfangen wird. Strahlungsenergie ist die Energie, die durch elektromagnetische Wellen wie Licht, Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, Ultraviolett und Röntgenstrahlen getragen wird. Strahlungsfluss wird auch als Strahlungsleistung oder optische Leistung (im Falle von Licht) bezeichnet.
Strahlungsfluss ist ein wichtiger Begriff in der Radiometrie, die die Wissenschaft des Messens und Analysierens elektromagnetischer Strahlung ist. Strahlungsfluss kann verwendet werden, um die Leistung von Lichtquellen, Detektoren, optischen Komponenten und Systemen zu charakterisieren. Er kann auch zur Berechnung anderer radiometrischer Größen verwendet werden, wie Strahlungsintensität, Strahlungsstärke, Beleuchtungsstärke, Strahlungsäquivalenz und Strahlungsleistung.
In diesem Artikel werden wir erklären, was Strahlungsfluss ist, wie er gemessen und berechnet wird, wie er sich zu anderen radiometrischen und photometrischen Größen verhält, und welche Anwendungen und Beispiele es gibt.
Was ist Strahlungsfluss?
Strahlungsfluss wird definiert als die Änderungsrate der Strahlungsenergie in Abhängigkeit von der Zeit. Mathematisch ausgedrückt lautet die Formel:
Wobei:
Φe ist der Strahlungsfluss in Watt (W)
Qe ist die Strahlungsenergie in Joule (J)
t ist die Zeit in Sekunden (s)
Strahlungsenergie ist die gesamte Menge an Energie, die durch elektromagnetische Wellen über eine Oberfläche oder innerhalb eines Volumens übertragen wird. Sie kann von einer Quelle (wie einer Glühbirne) emittiert, von einer Oberfläche (wie einem Spiegel) reflektiert, durch ein Medium (wie Luft oder Glas) übertragen oder von einem Objekt (wie einer Solarzelle) absorbiert werden.
Strahlungsfluss kann positiv oder negativ sein, abhängig von der Richtung der Energieübertragung. Wenn zum Beispiel eine Lichtquelle 10 W Strahlungsfluss emittiert, bedeutet dies, dass sie 10 J Energie pro Sekunde verliert. Andererseits, wenn ein Detektor 10 W Strahlungsfluss empfängt, bedeutet dies, dass er 10 J Energie pro Sekunde gewinnt.
Strahlungsfluss hängt von der Wellenlänge oder Frequenz der elektromagnetischen Strahlung ab. Verschiedene Wellenlängen haben verschiedene Energien und interagieren unterschiedlich mit Materie. Zum Beispiel hat sichtbares Licht höhere Energie als Infrarotstrahlung und kann von menschlichen Augen gesehen werden. Ultraviolettstrahlung hat sogar höhere Energie als sichtbares Licht und kann Sonnenbrand und Hautkrebs verursachen.
Der Strahlungsfluss pro Wellenlänge oder Frequenz wird als spektraler Fluss oder spektrale Leistung bezeichnet. Er kann als Φe(λ) für Wellenlänge oder Φe(ν) für Frequenz bezeichnet werden. Der gesamte Strahlungsfluss über einen Bereich von Wellenlängen oder Frequenzen kann durch Integration des spektralen Flusses erhalten werden:
Wobei:
λ ist die Wellenlänge in Metern (m)
ν ist die Frequenz in Hertz (Hz)
λ1 und λ2 sind die untere und obere Grenze des Wellenlängenbereichs
ν1 und ν2 sind die untere und obere Grenze des Frequenzbereichs
Wie wird Strahlungsfluss gemessen?
Strahlungsfluss kann mithilfe verschiedener Arten von Instrumenten, genannt Radiometer, gemessen werden. Ein Radiometer besteht aus einem Detektor, der elektromagnetische Strahlung in ein elektrisches Signal umwandelt, und einem Anzeigegerät, das das Signal anzeigt oder aufzeichnet.
Der Detektor kann auf verschiedenen Prinzipien basieren, wie thermischen Effekten (z.B. Thermopile), fotoelektrischen Effekten (z.B. Photodiode) oder quantenmechanischen Effekten (z.B. Photomultiplierterröhre). Der Detektor kann auch verschiedene Eigenschaften aufweisen, wie Empfindlichkeit, Responsivität, Linearität, Dynamikumfang, Rauschpegel, spektrale Antwort, Winkelantwort und Kalibrierung.
Das Anzeigegerät kann analog oder digital sein und verschiedene Maßeinheiten anzeigen, wie Watt, Volt, Ampere oder Zählungen. Das Anzeigegerät kann auch verschiedene Funktionen aufweisen, wie Anzeigeauflösung, Genauigkeit, Präzision, Stabilität, Abtastrate und Datenspeicherung.
Einige Beispiele für Radiometer sind:
Pyranometer: misst die globale Sonneneinstrahlung (der Strahlungsfluss pro Fläche von Sonne und Himmel) auf einer horizontalen Fläche
Pyrheliometer: misst die direkte Sonneneinstrahlung (der Strahlungsfluss pro Fläche von der Sonne allein) auf einer Fläche, die normal zur Sonne steht
Pyrgeometer: misst die Langwelleneinstrahlung (der Strahlungsfluss pro Fläche von Infrarotstrahlung) auf einer horizontalen Fläche
Radiometer: misst den Strahlungsfluss von jeder Quelle oder Richtung
Spektroradiometer: misst den spektralen Fluss (der Strahlungsfluss pro Wellenlänge oder Frequenz) von jeder Quelle oder Richtung
Photometer: misst den lichtmetrischen Fluss (der Strahlungsfluss gewichtet nach der Empfindlichkeit des menschlichen Auges) von jeder Quelle oder Richtung.
Wie wird Strahlungsfluss berechnet?
Strahlungsfluss kann mithilfe verschiedener Formeln und Modelle berechnet werden, abhängig vom Typ und der Geometrie der Quelle, dem Medium und dem Empfänger. Einige der gängigen Formeln und Modelle sind:
Plancksches Strahlungsgesetz: berechnet den spektralen Fluss eines schwarzen Körpers (ein idealisiertes Objekt, das alle Wellenlängen von Strahlung absorbieren und emittieren kann) bei einer bestimmten Temperatur
Stefan-Boltzmann-Gesetz: berechnet den gesamten Strahlungsfluss eines schwarzen Körpers bei einer bestimmten Temperatur
Lambertsches Kosinusgesetz: berechnet die Strahlungsintensität (der Strahlungsfluss pro Raumwinkel) eines lambertianischen Strahlers (ein idealisiertes Objekt, das Strahlung gleichmäßig in alle Richtungen emittiert oder reflektiert) bei einem bestimmten Winkel
Umgekehrtes Quadratgesetz: berechnet die Beleuchtungsstärke (der Strahlungsfluss pro Fläche) einer Punktquelle (ein idealisiertes Objekt, das Strahlung von einem einzigen Punkt emittiert) bei einer bestimmten Entfernung
Beer-Lambert-Gesetz: berechnet die Dämpfung (die Reduktion) des Strahlungsflusses, während er durch ein absorbierendes Medium passiert
Fresnelsche Gleichungen: berechnen die Reflexion und Transmission des Strahlungsflusses, wenn er an einer Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes trifft
Snellsches Gesetz: berechnet die Brechung (die Krümmung) des Strahlungsflusses, während er von einem Medium zu einem anderen mit unterschiedlichen Brechungsindizes wechselt
Rayleigh-Streuung: berechnet die Streuung (die Umleitung) des Strahlungsflusses durch Partikel, die kleiner als die Wellenlänge der Strahlung sind
Mie-Streuung: berechnet die Streuung des Strahlungsflusses durch Partikel, die vergleichbar oder größer als die Wellenlänge der Strahlung sind
Wie hängt Strahlungsfluss mit anderen radiometrischen und photometrischen Größen zusammen?
Strahlungsfluss ist eine der grundlegenden radiometrischen Größen, die verwendet werden können, um andere radiometrische und photometrische Größen abzuleiten. Einige dieser Größen sind:
Strahlungsintensität: der Strahlungsfluss pro Raumwinkel, der von einer Punktquelle in einer bestimmten Richtung emittiert wird. Die SI-Einheit ist Watt pro Steradiant (W/sr).
Strahlungsstärke: der Strahlungsfluss pro Raumwinkel pro projizierter Fläche, der von einer Oberfläche oder einem Volumen in einer bestimmten Richtung emittiert wird. Die SI-Einheit ist Watt pro Steradiant pro Quadratmeter (W/sr/m²).
Beleuchtungsstärke oder Strahlungsbelastung: der Strahlungsfluss pro Fläche, der auf einer Oberfläche oder innerhalb eines Volumens eintrifft. Die SI-Einheit ist Watt pro Quadratmeter (W/m²) oder Joule pro Quadratmeter (J/m²).
Strahlungsäquivalenz oder Emission: der Strahlungsfluss pro Fläche, der von einer Oberfläche oder innerhalb eines Volumens emittiert wird. Die SI-Einheit ist Watt pro Quadratmeter (W/m²).
Strahlungsleistung: die Strahlungsäquivalenz plus die reflektierte Beleuchtungsstärke einer Oberfläche. Die SI-Einheit ist Watt pro Quadratmeter (W/m²).
Photometrische Größen ähneln den radiometrischen Größen, aber sie werden durch die Empfindlichkeit des menschlichen Auges für verschiedene Wellenlängen von Licht gewichtet. Die Gewichtungsfunktion wird als lichtmetrische Wirkungsgradfunktion bezeichnet und hat einen maximalen Wert von 683 lm/W bei 555 nm. Einige der photometrischen Größen sind:
Lichtstrom: der Strahlungsfluss gewichtet nach der lichtmetrischen Wirkungsgradfunktion. Die SI-Einheit ist Lumen (lm).
Lichtstärke: der Lichtstrom pro Raumwinkel, der von einer Punktquelle in einer bestimmten Richtung emittiert wird. Die SI-Einheit ist Candela (cd).
Leuchtdichte: der Lichtstrom pro Raumwinkel pro projizierter Fläche, der von einer Oberfläche oder einem Volumen in einer bestimmten Richtung emittiert wird. Die SI-Einheit ist Candela pro Quadratmeter (cd/m²).
Beleuchtungsstärke oder Belichtungsstärke: der Lichtstrom pro Fläche, der auf einer Oberfläche oder innerhalb eines Volumens eintrifft. Die SI-Einheit ist Lux (lx) oder Lumen-Sekunde pro Quadratmeter (lm·s/m²).
Lichtäquivalenz oder Lichtemission: der Lichtstrom pro Fläche, der von einer Oberfläche oder innerhalb eines Volumens emittiert wird. Die SI-Einheit ist Lux (lx).
Lichtleistung: die Lichtäquivalenz plus die reflektierte Beleuchtungsstärke einer Oberfläche. Die SI-Einheit ist Lux (lx).
Welche Anwendungen und Beispiele gibt es für Strahlungsfluss?
Strahlungsfluss ist eine nützliche Größe für viele Anwendungen und Beispiele, die elektromagnetische Strahlung betreffen. Einige davon sind:
Beleuchtung: Strahlungsfluss kann verwendet werden, um die Ausgabe und Effizienz verschiedener Arten von Lichtquellen, wie Glühbirnen, Leuchtstofflampen, LED oder Laser, zu messen und zu vergleichen. Er kann auch verwendet werden, um Beleuchtungssysteme für verschiedene Zwecke, wie Innen-, Außen- oder Theaterbeleuchtung, zu entwerfen und zu optimieren.
Solarenergie: Strahlungsfluss kann verwendet werden, um die Menge an Sonnenstrahlung zu messen und zu schätzen, die die Erdoberfläche oder eine Solarzelle erreicht. Er kann auch verwendet werden, um die Leistung und Energieausbeute von Solarmodule und -systemen zu berechnen.
Fernerkundung: Strahlungsfluss kann verwendet werden, um die Eigenschaften und Charakteristika von Objekten und Phänomenen aus der Ferne zu messen und zu analysieren, wie Temperatur, Zusammensetzung, Vegetation, Verschmutzung, Wetter oder K
