Fluxo Radiante: Unha guía comprensiva

O fluxo radiante é un termo que describe a cantidade de enerxía radiante que se emite, reflicte, transmite ou recibe por un obxecto por unidade de tempo. A enerxía radiante é a enerxía transportada por ondas electromagnéticas, como a luz, as ondas de radio, os microondas, o infravermello, o ultravioleta e os raios X. O fluxo radiante tamén se coñece como potencia radiante ou potencia óptica (no caso da luz).

O fluxo radiante é un concepto importante na radiometría, que é a ciencia de medir e analizar a radiación electromagnética. O fluxo radiante pode utilizarse para caracterizar o rendemento de fuentes de luz, detectores, componentes ópticos e sistemas. Tamén pode utilizarse para calcular outras magnitudes radiométricas, como a intensidade radiante, a radiância, a irradiación, a emisión radiante e a radiosidade.

Neste artigo, explicaremos que é o fluxo radiante, como se mide e calcula, como se relaciona con outras magnitudes radiométricas e fotométricas, e cal son algúns dos seus exemplos e aplicacións.

Que é o Fluxo Radiante?

O fluxo radiante define-se como a taxa de cambio da enerxía radiante respecto ao tempo. Matematicamente, pódese expresar como:

Onde:

• Φe é o fluxo radiante en watts (W)

• Qe é a enerxía radiante en xoules (J)

• t é o tempo en segundos (s)

A enerxía radiante é a cantidade total de enerxía que se transfere por ondas electromagnéticas a través dunha superficie ou dentro dun volume. Pode emitirse por unha fonte (como unha bombilla), reflectirse por unha superficie (como un espello), transmitirse a través dun medio (como o aire ou o vidro) ou absorberse por un obxecto (como un panel solar).

O fluxo radiante pode ser positivo ou negativo dependendo da dirección da transferencia de enerxía. Por exemplo, se unha fonte de luz emite 10 W de fluxo radiante, significa que perde 10 J de enerxía por segundo. Por outro lado, se un detector recibe 10 W de fluxo radiante, significa que gana 10 J de enerxía por segundo.

O fluxo radiante depende da lonxitude de onda ou frecuencia da radiación electromagnética. Diferentes lonxitudes de onda teñen diferentes enerxías e interaccionan de xeito diferente coa materia. Por exemplo, a luz visible ten máis enerxía que a radiación infravermella e pode ser vista polos ollos humanos. A radiación ultravioleta ten incluso máis enerxía que a luz visible e pode causar queimaduras solares e cancro de pel.

O fluxo radiante por unidade de lonxitude de onda ou frecuencia chámase fluxo espectral ou potencia espectral. Pode denotarse como Φe(λ) para lonxitude de onda ou Φe(ν) para frecuencia. O fluxo radiante total nun intervalo de lonxitudes de onda ou frecuencias pode obterse integrando o fluxo espectral:

Onde:

• λ é a lonxitude de onda en metros (m)

• ν é a frecuencia en hercios (Hz)

• λ1 e λ2 son os límites inferior e superior do intervalo de lonxitude de onda

• ν1 e ν2 son os límites inferior e superior do intervalo de frecuencia

Como se Mide o Fluxo Radiante?

O fluxo radiante pode medirse utilizando varios tipos de instrumentos chamados radiómetros. Un radiómetro consiste nun detector que converte a radiación electromagnética nun sinal eléctrico e un dispositivo de lectura que mostra ou rexistra o sinal.

O detector pode basarse en diferentes principios, como efectos térmicos (por exemplo, termopila), efectos fotoeléctricos (por exemplo, fotodiodo) ou efectos cuánticos (por exemplo, tubo fotomultiplicador). O detector tamén pode ter diferentes características, como sensibilidade, responsividade, linearidade, rango dinámico, nivel de ruído, resposta espectral, resposta angular e calibración.

O dispositivo de lectura pode ser analóxico ou dixital e pode amosar diferentes unidades de medida, como watts, volts, amperios ou contaxes. O dispositivo de lectura tamén pode ter diferentes características, como resolución de pantalla, precisión, estabilidade, taxa de muestreo e almacenamento de datos.

Algunhas exemplos de radiómetros son:

• Piranómetro: mide a irradiación solar global (o fluxo radiante por unidade de área do sol e do ceo) nunha superficie horizontal

• Pirheliómetro: mide a irradiación solar directa (o fluxo radiante por unidade de área do sol só) nunha superficie normal ao sol

• Pirgeómetro: mide a irradiación de onda longa (o fluxo radiante por unidade de área da radiación infravermella) nunha superficie horizontal

• Radiómetro: mide o fluxo radiante de calquera fonte ou dirección

• Espectroradiómetro: mide o fluxo espectral (o fluxo radiante por unidade de lonxitude de onda ou frecuencia) de calquera fonte ou dirección

• Fotómetro: mide o fluxo luminoso (o fluxo radiante ponderado pola sensibilidade do ollo humano) de calquera fonte ou dirección.

Como se Calcula o Fluxo Radiante?

O fluxo radiante pode calcularse utilizando varias fórmulas e modelos dependendo do tipo e xeometría da fonte, o medio e o receptor. Algúns das fórmulas e modelos comúns son:

• Lei de Planck: calcula o fluxo espectral dun corpo negro (un obxecto idealizado que absorbe e emite todas as lonxitudes de onda de radiación) a unha determinada temperatura

• Lei de Stefan-Boltzmann: calcula o fluxo radiante total dun corpo negro a unha determinada temperatura

• Lei do coseno de Lambert: calcula a intensidade radiante (o fluxo radiante por unidade de ángulo sólido) dunha fonte lambertiana (un obxecto idealizado que emite ou reflicte radiación uniformemente en todas as direccións) nun ángulo dado

• Lei do inverso do cadrado: calcula a irradiación (o fluxo radiante por unidade de área) dunha fonte puntual (un obxecto idealizado que emite radiación desde un único punto) a unha distancia dada

• Lei de Beer-Lambert: calcula a atenuación (a redución) do fluxo radiante ao pasar a través dun medio absorbente

• Ecuacións de Fresnel: calculan a reflexión e transmisión do fluxo radiante ao encontrar unha interface entre dous medios con índices de refracción diferentes

• Lei de Snell: calcula a refracción (a flexión) do fluxo radiante ao pasar dun medio a outro con índices de refracción diferentes

• Espalhamento de Rayleigh: calcula o espalhamento (a redirección) do fluxo radiante por partículas menores que a lonxitude de onda da radiación

• Espalhamento de Mie: calcula o espalhamento do fluxo radiante por partículas comparables ou maiores que a lonxitude de onda da radiación

Como se Relaciona o Fluxo Radiante con Outras Magnitudes Radiométricas e Fotométricas?

O fluxo radiante é unha das magnitudes radiométricas básicas que se pode utilizar para derivar outras magnitudes radiométricas e fotométricas. Algúns das outras magnitudes son:

• Intensidade radiante: o fluxo radiante por unidade de ángulo sólido emitido por unha fonte puntual nunha dirección dada. A unidade SI é watt por esterradián (W/sr).

• Radiancia: o fluxo radiante por unidade de ángulo sólido por unidade de área proxeccionada emitido por unha superficie ou un volume nunha dirección dada. A unidade SI é watt por esterradián por metro cadrado (W/sr/m2).

• Irradiación ou exposición radiante: o fluxo radiante por unidade de área incidente nunha superficie ou dentro dun volume. A unidade SI é watt por metro cadrado (W/m2) ou xoule por metro cadrado (J/m2).

• Emisión radiante ou emisión: o fluxo radiante por unidade de área emitido por unha superficie ou dentro dun volume. A unidade SI é watt por metro cadrado (W/m2).

• Radiosidade: a emisión radiante máis a irradiación reflicta dunha superficie. A unidade SI é watt por metro cadrado (W/m2).

As magnitudes fotométricas son similares ás magnitudes radiométricas, pero están ponderadas pola sensibilidade do ollo humano a diferentes lonxitudes de onda de luz. A función de ponderación chámase función de eficacia luminosa, e ten un valor máximo de 683 lm/W a 555 nm. Algúns das magnitudes fotométricas son:

• Fluxo luminoso: o fluxo radiante ponderado pola función de eficacia luminosa. A unidade SI é lumen (lm).

• Intensidade luminosa: o fluxo luminoso por unidade de ángulo sólido emitido por unha fonte puntual nunha dirección dada. A unidade SI é candela (cd).

• Luminancia: o fluxo luminoso por unidade de ángulo sólido por unidade de área proxeccionada emitido por unha superficie ou un volume nunha dirección dada. A unidade SI é candela por metro cadrado (cd/m2).

• Iluminancia ou exposición iluminante: o fluxo luminoso por unidade de área incidente nunha superficie ou dentro dun volume. A unidade SI é lux (lx) ou lumen segundo por metro cadrado (lm·s/m2).

• Emisión luminosa ou emissão luminosa: o fluxo luminoso por unidade de área emitido por unha superficie ou dentro dun volume. A unidade SI é lux (lx).

• Luminosidade: a emisión luminosa máis a iluminancia reflicta dunha superficie. A unidade SI é lux (lx).

Cal Son Algunhas Aplicacións e Exemplos do Fluxo Radiante?

O fluxo radiante é unha magnitude útil para moitas aplicacións e exemplos que implican radiación electromagnética. Algúns delles son:

• Iluminación: o fluxo radiante pode utilizarse para medir e comparar a saída e eficiencia de diferentes tipos de fuentes de luz, como incandescentes, fluorescentes, LED ou láser. Tamén pode utilizarse para deseñar e optimizar sistemas de iluminación para diferentes propósitos, como iluminación interior, exterior ou teatral.

• Enerxía solar: o fluxo radiante pode utilizarse para medir e estimar a cantidade de radiación solar que alcanza a superficie da Terra ou un panel solar. Tamén pode utilizarse para calcular a potencia e a enerxía producida por células e sistemas solares.

• Sensores remotos: o fluxo radiante pode utilizarse para medir e analizar as propiedades e características de obxectos e fenómenos a distancia, como a temperatura, a composición, a vegetación, a contaminación, o clima ou o clima. Tamén pode utilizarse para crear imaxes e mapas da Terra ou outros corpos celestes utilizando satélites ou telescopios.

• Comunicación óptica: o fluxo radiante pode utilizarse para medir e optimizar o rendemento e capacidade de sistemas de comunicación óptica, como fibras ópticas, óptica de espazo libre ou óptica inalámbrica. Tamén pode utilizarse para codificar e transmitir información usando diferentes técnicas de modulación, como modulación de amplitude, frecuencia ou fase.

• Tecnoloxía láser: o fluxo radiante pode utilizarse para medir e controlar a saída e a calidade dos feixes de láser, como a potencia, a intensidade, a diverxencia, a coerencia, a polarización ou o modo. Tamén pode utilizarse