Ραδιάντης Φλούξος: Ένα Πλήρες Οδηγό
Η ακτινοβολία είναι ένας όρος που περιγράφει την ποσότητα ακτινοβολής ενέργειας που εκλύεται, αντανακλάται, μεταδίδεται ή λαμβάνεται από ένα αντικείμενο ανά μονάδα χρόνου. Η ακτινοβολής ενέργεια είναι η ενέργεια που μεταφέρουν οι ηλεκτρομαγνητικές κύματα, όπως το φως, τα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα, το υπέρυθρο, το υπέριο και τα Χ-κύματα. Η ακτινοβολία είναι επίσης γνωστή ως ακτινοβολής δύναμη ή οπτική δύναμη (στην περίπτωση του φωτός).
Η ακτινοβολία είναι ένα σημαντικό εννόημα στην ακτινομετρία, η οποία είναι η επιστήμη της μέτρησης και ανάλυσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την χαρακτηρισμό της απόδοσης πηγών φωτός, ανιχνευτών, οπτικών συστατικών και συστημάτων. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό άλλων ακτινομετρικών ποσοτήτων, όπως η ακτινοβολής ένταση, η ακτινοβολής φωτεινότητα, η ακτινοβολής φωτεινότητα, η ακτινοβολής εξόδος και η ακτινοβολής εξόδος.
Σε αυτό το άρθρο, θα εξηγήσουμε τι είναι η ακτινοβολία, πώς μετρείται και υπολογίζεται, πώς σχετίζεται με άλλες ακτινομετρικές και φωτομετρικές ποσότητες, και ποιες είναι μερικές από τις εφαρμογές και τα παραδείγματά της.
Τι είναι η Ακτινοβολία;
Η ακτινοβολία ορίζεται ως η ταχύτητα μεταβολής της ακτινοβολής ενέργειας σε σχέση με τον χρόνο. Μαθηματικά, μπορεί να εκφραστεί ως:
Όπου:
Φe είναι η ακτινοβολία σε watt (W)
Qe είναι η ακτινοβολής ενέργεια σε joule (J)
t είναι ο χρόνος σε δευτερόλεπτα (s)
Η ακτινοβολής ενέργεια είναι η συνολική ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε μια επιφάνεια ή εντός ενός όγκου. Μπορεί να εκλύεται από μια πηγή (όπως ένα φωτιστικό), να αντανακλάται από μια επιφάνεια (όπως ένα κάτοπτρο), να μεταδίδεται μέσω ενός μέσου (όπως το αέριο ή το γυαλί) ή να απορροφάται από ένα αντικείμενο (όπως ένα ηλιακό πάνελ).
Η ακτινοβολία μπορεί να είναι θετική ή αρνητική ανάλογα με την κατεύθυνση της μεταφοράς ενέργειας. Για παράδειγμα, αν μια πηγή φωτός εκλύει 10 W ακτινοβολίας, αυτό σημαίνει ότι χάνει 10 J ενέργεια ανά δευτερόλεπτο. Από την άλλη, αν ένας ανιχνευτής λαμβάνει 10 W ακτινοβολίας, αυτό σημαίνει ότι κερδίζει 10 J ενέργεια ανά δευτερόλεπτο.
Η ακτινοβολία εξαρτάται από το μήκος κύματος ή τη συχνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Διαφορετικά μήκη κύματος έχουν διαφορετικές ενέργειες και αλληλεπιδρούν διαφορετικά με τη ύλη. Για παράδειγμα, το ορατό φως έχει υψηλότερη ενέργεια από το υπέρυθρο και μπορεί να διακρίνεται από τα ανθρώπινα μάτια. Το υπέριο έχει ακόμη υψηλότερη ενέργεια από το ορατό φως και μπορεί να προκαλέσει ηλιοκαύστηση και καρκίνο του δέρματος.
Η ακτινοβολία ανά μονάδα μήκους κύματος ή συχνότητας ονομάζεται φασματική ακτινοβολία ή φασματική δύναμη. Μπορεί να συμβολίζεται ως Φe(λ) για μήκος κύματος ή Φe(ν) για συχνότητα. Η συνολική ακτινοβολία σε ένα φάσμα μήκων κύματος ή συχνοτήτων μπορεί να προκύψει από την ολοκλήρωση της φασματικής ακτινοβολίας:
Όπου:
λ είναι το μήκος κύματος σε μέτρα (m)
ν είναι η συχνότητα σε hertz (Hz)
λ1 και λ2 είναι τα κατώφλια και τα ανώτατα όρια του φάσματος μήκους κύματος
ν1 και ν2 είναι τα κατώφλια και τα ανώτατα όρια του φάσματος συχνότητας
Πώς Μετρείται η Ακτινοβολία;
Η ακτινοβολία μπορεί να μετρηθεί με τη χρήση διάφορων τύπων οργάνων που ονομάζονται ακτινομέτρες. Ένας ακτινομέτρης αποτελείται από έναν ανιχνευτή που μετατρέπει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε ηλεκτρικό σήμα και ένα συστηματικό συστήμα εμφάνισης ή καταγραφής του σήματος.
Ο ανιχνευτής μπορεί να βασίζεται σε διαφορετικές αρχές, όπως θερμοκρασιακά φαινόμενα (π.χ., θερμοστοίβη), φωτοηλεκτρικά φαινόμενα (π.χ., φωτοδιόδο) ή κβαντικά φαινόμενα (π.χ., φωτοπολλαπλασιαστής). Ο ανιχνευτής μπορεί επίσης να έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά, όπως ευαισθησία, απόκριση, γραμμικότητα, δυναμικό πεδίο, επίπεδο θορύβου, φασματική απόκριση, γωνιακή απόκριση και εκπαιδευσιμότητα.
Το συστηματικό σύστημα μπορεί να είναι αναλογικό ή ψηφιακό και μπορεί να εμφανίζει διαφορετικές μονάδες μέτρησης, όπως watts, volts, amperes ή counts. Το συστηματικό σύστημα μπορεί επίσης να έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά, όπως ανάλυση εμφάνισης, ακρίβεια, ακρίβεια, σταθερότητα, τακτικότητα δείγματος και αποθήκευση δεδομένων.
Μερικά παραδείγματα ακτινομέτρων είναι:
Pyranometer: μετρεί την παγκόσμια ηλιακή ακτινοβολία (η ακτινοβολία ανά μονάδα επιφάνειας από τον ήλιο και τον ουρανό) σε οριζόντια επιφάνεια
Pyrheliometer: μετρεί την άμεση ηλιακή ακτινοβολία (η ακτινοβολία ανά μονάδα επιφάνειας από τον ήλιο μόνο) σε επιφάνεια κάθετη στον ήλιο
Pyrgeometer: μετρεί τη μακροπρόθεσμη ακτινοβολία (η ακτινοβολία ανά μονάδα επιφάνειας από το υπέρυθρο) σε οριζόντια επιφάνεια
Radiometer: μετρεί την ακτινοβολία από οποιαδήποτε πηγή ή κατεύθυνση
Spectroradiometer: μετρεί τη φασματική ακτινοβολία (η ακτινοβολία ανά μονάδα μήκους κύματος ή συχνότητας) από οποιαδήποτε πηγή ή κατεύθυνση
Photometer: μετρεί τη φωτεινή ακτινοβολία (η ακτινοβολία με βάρος από την ευαισθησία του ανθρώπινου οφθαλμού) από οποιαδήποτε πηγή ή κατεύθυνση.
Πώς Υπολογίζεται η Ακτινοβολία;
Η ακτινοβολία μπορεί να υπολογιστεί με τη χρήση διάφορων τύπων και μοντέλων ανάλογα με τον τύπο και τη γεωμετρία της πηγής, το μέσο και τον αποδέκτη. Μερικοί από τους κοινούς τύπους και μοντέλα είναι:
Νόμος Planck: υπολογίζει τη φασματική ακτινοβολία ενός μαύρου σώματος (ένα ιδεαλοποιημένο αντικείμενο που απορροφά και εκλύει όλα τα μήκη κύματος της ακτινοβολίας) σε μια δεδομένη θερμοκρασία
Νόμος Stefan-Boltzmann: υπολογίζει τη συνολική ακτινοβολία ενός μαύρου σώματος σε μια δεδομένη θερμοκρασία
Νόμος Lambert: υπολογίζει την ακτινοβολής ένταση (η ακτινοβολία ανά μονάδα στερεογωνία) ενός lambertian πηγής (ένα ιδε
