Flujo Radiante: Una Guía Completa
El flujo radiante es un término que describe la cantidad de energía radiante que se emite, refleja, transmite o recibe por un objeto por unidad de tiempo. La energía radiante es la energía transportada por ondas electromagnéticas, como la luz, las ondas de radio, los microondas, el infrarrojo, el ultravioleta y los rayos X. El flujo radiante también se conoce como potencia radiante o potencia óptica (en el caso de la luz).
El flujo radiante es un concepto importante en la radiometría, que es la ciencia de medir y analizar la radiación electromagnética. El flujo radiante se puede utilizar para caracterizar el rendimiento de fuentes de luz, detectores, componentes ópticos y sistemas. También se puede utilizar para calcular otras cantidades radiométricas, como la intensidad radiante, la radiancia, la irradiación, la emisión radiante y la radiosidad.
En este artículo, explicaremos qué es el flujo radiante, cómo se mide y calcula, cómo se relaciona con otras cantidades radiométricas y fotométricas, y cuáles son algunas de sus aplicaciones y ejemplos.
¿Qué es el Flujo Radiante?
El flujo radiante se define como la tasa de cambio de la energía radiante con respecto al tiempo. Matemáticamente, se puede expresar como:
Donde:
Φe es el flujo radiante en vatios (W)
Qe es la energía radiante en julios (J)
t es el tiempo en segundos (s)
La energía radiante es la cantidad total de energía que se transfiere por ondas electromagnéticas a través de una superficie o dentro de un volumen. Puede ser emitida por una fuente (como una bombilla), reflejada por una superficie (como un espejo), transmitida a través de un medio (como el aire o el vidrio) o absorbida por un objeto (como un panel solar).
El flujo radiante puede ser positivo o negativo dependiendo de la dirección de la transferencia de energía. Por ejemplo, si una fuente de luz emite 10 W de flujo radiante, significa que pierde 10 J de energía por segundo. Por otro lado, si un detector recibe 10 W de flujo radiante, significa que gana 10 J de energía por segundo.
El flujo radiante depende de la longitud de onda o frecuencia de la radiación electromagnética. Diferentes longitudes de onda tienen diferentes energías e interactúan de manera diferente con la materia. Por ejemplo, la luz visible tiene más energía que la radiación infrarroja y puede ser vista por los ojos humanos. La radiación ultravioleta tiene aún más energía que la luz visible y puede causar quemaduras solares y cáncer de piel.
El flujo radiante por unidad de longitud de onda o frecuencia se llama flujo espectral o potencia espectral. Se puede denotar como Φe(λ) para la longitud de onda o Φe(ν) para la frecuencia. El flujo radiante total en un rango de longitudes de onda o frecuencias se puede obtener integrando el flujo espectral:
Donde:
λ es la longitud de onda en metros (m)
ν es la frecuencia en hercios (Hz)
λ1 y λ2 son los límites inferior y superior del rango de longitud de onda
ν1 y ν2 son los límites inferior y superior del rango de frecuencia
¿Cómo se Mide el Flujo Radiante?
El flujo radiante se puede medir utilizando varios tipos de instrumentos llamados radiómetros. Un radiómetro consta de un detector que convierte la radiación electromagnética en una señal eléctrica y un dispositivo de lectura que muestra o registra la señal.
El detector puede basarse en diferentes principios, como efectos térmicos (por ejemplo, termopila), efectos fotoeléctricos (por ejemplo, fotodiodo) o efectos cuánticos (por ejemplo, tubo fotomultiplicador). El detector también puede tener diferentes características, como sensibilidad, respuesta, linealidad, rango dinámico, nivel de ruido, respuesta espectral, respuesta angular y calibración.
El dispositivo de lectura puede ser analógico o digital y puede mostrar diferentes unidades de medida, como vatios, voltios, amperios o conteos. El dispositivo de lectura también puede tener diferentes características, como resolución de pantalla, precisión, exactitud, estabilidad, tasa de muestreo y almacenamiento de datos.
Algunos ejemplos de radiómetros son:
Piranómetro: mide la irradiancia solar global (el flujo radiante por unidad de área desde el sol y el cielo) en una superficie horizontal
Pirhelímetro: mide la irradiancia solar directa (el flujo radiante por unidad de área desde el sol solo) en una superficie normal al sol
Pirgeómetro: mide la irradiancia de larga longitud de onda (el flujo radiante por unidad de área desde la radiación infrarroja) en una superficie horizontal
Radiómetro: mide el flujo radiante de cualquier fuente o dirección
Espectroradiómetro: mide el flujo espectral (el flujo radiante por unidad de longitud de onda o frecuencia) de cualquier fuente o dirección
Fotómetro: mide el flujo luminoso (el flujo radiante ponderado por la sensibilidad del ojo humano) de cualquier fuente o dirección.
¿Cómo se Calcula el Flujo Radiante?
El flujo radiante se puede calcular utilizando varias fórmulas y modelos dependiendo del tipo y geometría de la fuente, el medio y el receptor. Algunas de las fórmulas y modelos comunes son:
Ley de Planck: calcula el flujo espectral de un cuerpo negro (un objeto idealizado que absorbe y emite todas las longitudes de onda de radiación) a una temperatura dada
Ley de Stefan-Boltzmann: calcula el flujo radiante total de un cuerpo negro a una temperatura dada
Ley del coseno de Lambert: calcula la intensidad radiante (el flujo radiante por unidad de ángulo sólido) de una fuente lambertiana (un objeto idealizado que emite o refleja radiación de manera uniforme en todas direcciones) a un ángulo dado
Ley del inverso del cuadrado: calcula la irradiación (el flujo radiante por unidad de área) de una fuente puntual (un objeto idealizado que emite radiación desde un solo punto) a una distancia dada
Ley de Beer-Lambert: calcula la atenuación (la reducción) del flujo radiante a medida que pasa a través de un medio absorbente
Ecuaciones de Fresnel: calculan la reflexión y transmisión del flujo radiante cuando encuentra una interfaz entre dos medios con diferentes índices de refracción
Ley de Snell: calcula la refracción (el doblado) del flujo radiante cuando pasa de un medio a otro con diferentes índices de refracción
Dispersión de Rayleigh: calcula la dispersión (la redirección) del flujo radiante por partículas más pequeñas que la longitud de onda de la radiación
Dispersión de Mie: calcula la dispersión del flujo radiante por partículas comparables o mayores que la longitud de onda de la radiación
¿Cómo se Relaciona el Flujo Radiante con Otras Cantidades Radiométricas y Fotométricas?
El flujo radiante es una de las cantidades radiométricas básicas que se pueden utilizar para derivar otras cantidades radiométricas y fotométricas. Algunas de las otras cantidades son:
Intensidad radiante: el flujo radiante por unidad de ángulo sólido emitido por una fuente puntual en una dirección dada. La unidad SI es vatio por estereorradián (W/sr).
Radiancia: el flujo radiante por unidad de ángulo sólido por unidad de área proyectada emitido por una superficie o un volumen en una dirección dada. La unidad SI es vatio por estereorradián por metro cuadrado (W/sr/m2).
Irradiación o exposición radiante: el flujo radiante por unidad de área incidente en una superficie o dentro de un volumen. La unidad SI es vatio por metro cuadrado (W/m2) o julio por metro cuadrado (J/m2).
Emisión radiante o emisividad: el flujo radiante por unidad de área emitido por una superficie o dentro de un volumen. La unidad SI es vatio por metro cuadrado (W/m2).
Radiosidad: la emisión radiante más la irradiación reflejada de una superficie. La unidad SI es vatio por metro cuadrado (W/m2).
Las cantidades fotométricas son similares a las cantidades radiométricas, pero están ponderadas por la sensibilidad del ojo humano a diferentes longitudes de onda de luz. La función de ponderación se llama función de eficacia luminosa, y tiene un valor máximo de 683 lm/W a 555 nm. Algunas de las cantidades fotométricas son:
Flujo luminoso: el flujo radiante ponderado por la función de eficacia luminosa. La unidad SI es lumen (lm).
Intensidad luminosa: el flujo luminoso por unidad de ángulo sólido emitido por una fuente puntual en una dirección dada. La unidad SI es candela (cd).
Luminancia: el flujo luminoso por unidad de ángulo sólido por unidad de área proyectada emitido por una superficie o un volumen en una dirección dada. La unidad SI es candela por metro cuadrado (cd/m2).
Iluminancia o exposición iluminante: el flujo luminoso por unidad de área incidente en una superficie o dentro de un volumen. La unidad SI es lux (lx) o lumen segundo por metro cuadrado (lm·s/m2).
Emisión luminosa o emisividad luminosa: el flujo luminoso por unidad de área emitido por una superficie o dentro de un volumen. La unidad SI es lux (lx).
Luminosidad: la emisión luminosa más la iluminancia reflejada de una superficie. La unidad SI es lux (lx).
¿Cuáles son Algunas Aplicaciones y Ejemplos del Flujo Radiante?
El flujo radiante es una cantidad útil para muchas aplicaciones y ejemplos que involucran radiación electromagnética. Algunos de ellos son:
Iluminación: el flujo radiante se puede utilizar para medir y comparar la salida y eficiencia de diferentes tipos de fuentes de luz, como incandescentes, fluorescentes, LED o láser. También se puede utilizar para diseñar y optimizar sistemas de iluminación para diferentes propósitos, como iluminación interior, exterior o teatral.
Energía solar: el flujo radiante se puede utilizar para medir y estimar la cantidad de radiación solar que llega a la superficie de la Tierra o a un panel solar. También se puede utilizar para calcular la potencia y la producción de energía de celdas y sistemas solares.
Teledetección: el flujo radiante se puede utilizar para medir y analizar las propiedades y características de objetos y fenómenos a distancia, como temperatura, composición, vegetación, contaminación, clima o meteorología. También se puede utilizar para crear imágenes y mapas de la Tierra u otros cuerpos celestes utilizando satélites o telescopios.
Comunicación óptica: el flujo radiante se puede utilizar para medir y optimizar el rendimiento y la capacidad de sistemas de comunicación óptica, como fibra óptica, óptica libre o inalámbrica óptica. También se puede utilizar para codificar y transmitir información utilizando diferentes técnicas de modulación, como modulación de amplitud, frecuencia o fase.
Tecnología láser: el flujo radiante se puede utilizar para medir y controlar la salida y calidad de los haces láser, como potencia, intensidad, divergencia, coherencia, polarización o modo. También se puede utilizar para crear y manipular diversos efectos y fenómenos utilizando láseres, como corte, soldadura, perforación, grabado, impresión, escaneo, cirugía, holografía o espectroscopia.
