Flux Radiant : Un Guide Complet
Le flux radiant est un terme qui décrit la quantité d'énergie rayonnante émise, réfléchie, transmise ou reçue par un objet par unité de temps. L'énergie rayonnante est l'énergie transportée par les ondes électromagnétiques, telles que la lumière, les ondes radio, les micro-ondes, l'infrarouge, l'ultraviolet et les rayons X. Le flux radiant est également connu sous le nom de puissance rayonnante ou de puissance optique (dans le cas de la lumière).
Le flux radiant est un concept important en radiométrie, qui est la science de la mesure et de l'analyse du rayonnement électromagnétique. Le flux radiant peut être utilisé pour caractériser les performances des sources lumineuses, des détecteurs, des composants optiques et des systèmes. Il peut également être utilisé pour calculer d'autres grandeurs radiométriques, telles que l'intensité rayonnante, la radiance, l'irradiance, l'émissivité rayonnante et la radiosité.
Dans cet article, nous expliquerons ce qu'est le flux radiant, comment il est mesuré et calculé, comment il se rapporte à d'autres grandeurs radiométriques et photométriques, et quelles sont certaines de ses applications et exemples.
Qu'est-ce que le flux radiant ?
Le flux radiant est défini comme le taux de variation de l'énergie rayonnante par rapport au temps. Mathématiquement, il peut être exprimé comme suit :
Où :
Φe est le flux radiant en watts (W)
Qe est l'énergie rayonnante en joules (J)
t est le temps en secondes (s)
L'énergie rayonnante est la quantité totale d'énergie transférée par les ondes électromagnétiques à travers une surface ou dans un volume. Elle peut être émise par une source (comme une ampoule), réfléchie par une surface (comme un miroir), transmise à travers un milieu (comme l'air ou le verre), ou absorbée par un objet (comme un panneau solaire).
Le flux radiant peut être positif ou négatif en fonction de la direction du transfert d'énergie. Par exemple, si une source lumineuse émet 10 W de flux radiant, cela signifie qu'elle perd 10 J d'énergie par seconde. D'autre part, si un détecteur reçoit 10 W de flux radiant, cela signifie qu'il gagne 10 J d'énergie par seconde.
Le flux radiant dépend de la longueur d'onde ou de la fréquence du rayonnement électromagnétique. Les différentes longueurs d'onde ont des énergies différentes et interagissent différemment avec la matière. Par exemple, la lumière visible a plus d'énergie que le rayonnement infrarouge et peut être vue par les yeux humains. Le rayonnement ultraviolet a encore plus d'énergie que la lumière visible et peut causer des coups de soleil et le cancer de la peau.
Le flux radiant par unité de longueur d'onde ou de fréquence est appelé flux spectral ou puissance spectrale. Il peut être noté Φe(λ) pour la longueur d'onde ou Φe(ν) pour la fréquence. Le flux radiant total sur une plage de longueurs d'onde ou de fréquences peut être obtenu en intégrant le flux spectral :
Où :
λ est la longueur d'onde en mètres (m)
ν est la fréquence en hertz (Hz)
λ1 et λ2 sont les limites inférieure et supérieure de la plage de longueur d'onde
ν1 et ν2 sont les limites inférieure et supérieure de la plage de fréquence
Comment est mesuré le flux radiant ?
Le flux radiant peut être mesuré à l'aide de divers types d'instruments appelés radiomètres. Un radiomètre se compose d'un détecteur qui convertit le rayonnement électromagnétique en un signal électrique et d'un dispositif d'affichage qui affiche ou enregistre le signal.
Le détecteur peut être basé sur différents principes, tels que les effets thermiques (par exemple, thermopile), les effets photoélectriques (par exemple, photodiode) ou les effets quantiques (par exemple, tube photomultiplicateur). Le détecteur peut également avoir différentes caractéristiques, telles que la sensibilité, la réponse, la linéarité, la dynamique, le niveau de bruit, la réponse spectrale, la réponse angulaire et l'étalonnage.
Le dispositif d'affichage peut être analogique ou numérique et peut montrer différentes unités de mesure, telles que les watts, les volts, les ampères ou les comptes. Le dispositif d'affichage peut également avoir différentes fonctionnalités, telles que la résolution d'affichage, la précision, la stabilité, le taux d'échantillonnage et le stockage des données.
Quelques exemples de radiomètres sont :
Pyranomètre : mesure l'irradiance solaire globale (le flux radiant par unité de surface provenant du soleil et du ciel) sur une surface horizontale
Pyrhéliomètre : mesure l'irradiance solaire directe (le flux radiant par unité de surface provenant du soleil uniquement) sur une surface perpendiculaire au soleil
Pyrgéomètre : mesure l'irradiance longue (le flux radiant par unité de surface provenant du rayonnement infrarouge) sur une surface horizontale
Radiomètre : mesure le flux radiant provenant de toute source ou direction
Spectroradiomètre : mesure le flux spectral (le flux radiant par unité de longueur d'onde ou de fréquence) provenant de toute source ou direction
Photomètre : mesure le flux lumineux (le flux radiant pondéré par la sensibilité de l'œil humain) provenant de toute source ou direction.
Comment est calculé le flux radiant ?
Le flux radiant peut être calculé à l'aide de diverses formules et modèles en fonction du type et de la géométrie de la source, du milieu et du récepteur. Certaines des formules et modèles courants sont :
Loi de Planck : calcule le flux spectral d'un corps noir (un objet idéalisé qui absorbe et émet toutes les longueurs d'onde de radiation) à une température donnée
Loi de Stefan-Boltzmann : calcule le flux radiant total d'un corps noir à une température donnée
Loi cosinus de Lambert : calcule l'intensité rayonnante (le flux radiant par unité d'angle solide) d'une source lambertienne (un objet idéalisé qui émet ou réfléchit le rayonnement de manière uniforme dans toutes les directions) à un angle donné
Loi de l'inverse du carré : calcule l'irradiance (le flux radiant par unité de surface) d'une source ponctuelle (un objet idéalisé qui émet le rayonnement à partir d'un point unique) à une distance donnée
Loi de Beer-Lambert : calcule l'atténuation (la réduction) du flux radiant lorsqu'il traverse un milieu absorbant
Équations de Fresnel : calculent la réflexion et la transmission du flux radiant lorsqu'il rencontre une interface entre deux milieux ayant des indices de réfraction différents
Loi de Snell : calcule la réfraction (le pliage) du flux radiant lorsqu'il passe d'un milieu à un autre ayant des indices de réfraction différents
Diffusion de Rayleigh : calcule la diffusion (la redirection) du flux radiant par des particules plus petites que la longueur d'onde du rayonnement
Diffusion de Mie : calcule la diffusion du flux radiant par des particules comparables ou plus grandes que la longueur d'onde du rayonnement
Comment le flux radiant se rapporte-t-il à d'autres grandeurs radiométriques et photométriques ?
Le flux radiant est l'une des grandeurs radiométriques de base qui peuvent être utilisées pour dériver d'autres grandeurs radiométriques et photométriques. Certaines de ces autres grandeurs sont :
Intensité rayonnante : le flux radiant par unité d'angle solide émis par une source ponctuelle dans une direction donnée. L'unité SI est le watt par stéradian (W/sr).
Radiance : le flux radiant par unité d'angle solide par unité de surface projetée émis par une surface ou un volume dans une direction donnée. L'unité SI est le watt par stéradian par mètre carré (W/sr/m2).
Irradiance ou exposition rayonnante : le flux radiant par unité de surface incident sur une surface ou dans un volume. L'unité SI est le watt par mètre carré (W/m2) ou le joule par mètre carré (J/m2).
Émissivité rayonnante ou émission rayonnante : le flux radiant par unité de surface émis par une surface ou dans un volume. L'unité SI est le watt par mètre carré (W/m2).
Radiosité : l'émissivité rayonnante plus l'irradiance réfléchie d'une surface. L'unité SI est le watt par mètre carré (W/m2).
Les grandeurs photométriques sont similaires aux grandeurs radiométriques, mais elles sont pondérées par la sensibilité de l'œil humain à différentes longueurs d'onde de la lumière. La fonction de pondération est appelée la fonction d'efficacité lumineuse, et elle a une valeur maximale de 683 lm/W à 555 nm. Certaines des grandeurs photométriques sont :
Flux lumineux : le flux radiant pondéré par la fonction d'efficacité lumineuse. L'unité SI est le lumen (lm).
Intensité lumineuse : le flux lumineux par unité d'angle solide émis par une source ponctuelle dans une direction donnée. L'unité SI est la candela (cd).
Luminance : le flux lumineux par unité d'angle solide par unité de surface projetée émis par une surface ou un volume dans une direction donnée. L'unité SI est la candela par mètre carré (cd/m2).
Éclairement ou exposition lumineuse : le flux lumineux par unité de surface incident sur une surface ou dans un volume. L'unité SI est le lux (lx) ou le lumen-seconde par mètre carré (lm·s/m2).
Émissivité lumineuse ou émission lumineuse : le flux lumineux par unité de surface émis par une surface ou dans un volume. L'unité SI est le lux (lx).
Luminosité : l'émissivité lumineuse plus l'éclairement réfléchi d'une surface. L'unité SI est le lux (lx).
Quelles sont certaines applications et exemples de flux radiant ?
Le flux radiant est une grandeur utile pour de nombreuses applications et exemples impliquant le rayonnement électromagnétique. En voici quelques-unes :
Éclairage : le flux radiant peut être utilisé pour mesurer et comparer la sortie et l'efficacité de différents types de sources lumineuses, telles que les incandescentes, les fluorescentes, les LED ou les lasers. Il peut également être utilisé pour concevoir et optimiser des systèmes d'éclairage pour différents objectifs, tels que l'éclairage intérieur, extérieur ou théâtral.
Énergie solaire : le flux radiant peut être utilisé pour mesurer et estimer la quantité de rayonnement solaire qui atteint la surface terrestre ou un panneau solaire. Il peut également être utilisé pour calculer la puissance et l'énergie produites par les cellules et les systèmes solaires.
Télédétection : le flux radiant peut être utilisé pour mesurer et analyser les propriétés et les caractéristiques des objets et des phénomènes à distance, tels que la température, la composition, la végétation, la pollution, la météo ou le climat. Il peut également être utilisé pour créer des images et des cartes de la Terre ou d'autres corps célestes à l'aide de satellites ou de télescopes.
Communication optique : le flux radiant peut être utilisé pour mesurer et optimiser les performances et la capacité des systèmes de communication optique, tels que les fibres optiques, l'optique libre ou la communication optique sans fil. Il peut également être utilisé pour coder et transmettre des informations en utilisant différentes techniques de modulation, telles que la modulation d'amplitude, de fréquence ou de phase.
