זרם רדינטי: מדריך מקיף
זרם קריני הוא מונח המתאר את כמות האנרגיה הקרינית הנפלטת, המוחזרת, המועברת או הנקלטת על ידי גוף ביחידת זמן. אנרגיה קרינית היא האנרגיה הנישאת על ידי גלי אלקטרומגנטיים, כגון אור, גלי רדיו, מיקרוגל, אינפרא אדום, אולטרה סגול וקרני X. זרם קריני מכונה גם עוצמת קרינה או עוצמת אופטית (במקרה של אור).
זרם קריני הוא מושג חשוב ברדיומטריה, שהיא המדע של מדידת וניתוח קרינת אלקטרומגנטיות. זרם קריני יכול לשמש לתיאור הביצועים של מקורות אור, גלאים, אלמנטים אופטיים ומערכות. הוא יכול גם לשמש לחישוב כמויות רדיומטריות אחרות, כגון עוצמת קרינה, בהירות, פליטת קרינה, פליטת קרינה חיצונית ופליטת קרינה.
במאמר זה נסביר מהו זרם קריני, איך הוא מודד ומחושב, איך הוא קשור לכמויות רדיומטריות ואופטיות אחרות, ומה הם חלק מהיישומים והדוגמאות שלו.
מהו זרם קריני?
זרם קריני מוגדר כקצב השינוי של האנרגיה הקרינית לפי הזמן. מתמטית, ניתן לבטא זאת כך:
כאשר:
Φe הוא הזרם הקריני בוואט (W)
Qe הוא האנרגיה הקרינית ביולי (J)
t הוא הזמן בשניות (s)
אנרגיה קרינית היא הכמות הכוללת של האנרגיה שנשאפת על ידי גלי אלקטרומגנטיים מעל משטח או בתוך נפח. היא יכולה להיות מנפלטת על ידי מקור (כמו נורה), מוחזרת על ידי משטח (כמו מראה), מעוברת דרך תיכון (כמו אוויר או זכוכית) או נבלעת על ידי גוף (כמו לוח סולרי).
זרם קריני יכול להיות חיובי או שלילי בהתאם לכיוון העברת האנרגיה. למשל, אם מקור אור מנפלט 10 W של זרם קריני, זה אומר שהוא מאבד 10 J של אנרגיה בשניה אחת. לעומת זאת, אם גלאי מקבל 10 W של זרם קריני, זה אומר שהוא מרוויח 10 J של אנרגיה בשניה אחת.
זרם קריני תלוי באורך הגל או בתדירות של הקרינת האלקטרומגנטית. אורך גלים שונים יש להם אנרגיות שונות ומתרגלים באופן שונה עם החומר. למשל, אור נראה יש לו אנרגיה גבוהה יותר מאינפרא אדום וניתן לראות אותו בעין האדם. קרינת אולטרה סגול יש לה אנרגיה גבוהה אפילו יותר מאור נראה ויכולה לגרום לעורק שמש וסרטן עור.
הזרם הקריני ליחידת אורך גל או תדירות מכונה זרם ספקטרלי או עוצמת ספקטרלית. ניתן לסמן אותו כ-Φe(λ) עבור אורך גל או Φe(ν) עבור תדירות. הזרם הקריני הכולל טווח של אורך גל או תדירויות ניתן לקבל על ידי אינטגרציה של הזרם הספקטרלי:
כאשר:
λ הוא אורך הגל במטרים (m)
ν הוא התדירות בהרצ' (Hz)
λ1 ו-λ2 הם הגבולות התחתונים והעליונים של טווח האורך הגל
ν1 ו-ν2 הם הגבולות התחתונים והעליונים של טווח התדירות
איך מודדים זרם קריני?
זרם קריני ניתן למדוד באמצעות סוגי שונים של מכשירים המכונים רדיומטרים. רדיומטר מורכב מגלאי הממיר קרינת אלקטרומגנטית לסימן חשמלי ומכשיר תצוגה המציג או מתעד את הסימן.
הגלאי יכול להיות מבוסס על עקרונות שונים, כגון השפעות תרמיות (לדוגמה, תרמופיל), השפעות פוטואלקטריות (לדוגמה, פוטודיודה) או השפעות קוונטיות (לדוגמה, צינור פוטומולטיפלייר). לגלאי יכולים להיות גם תכונות שונות, כגון רגישות, אחידות, טווח דינאמי, רמת רעש, תגובה ספקטרלית, תגובה זויתית והסבה.
מכשיר התצוגה יכול להיות אנלוגי או דיגיטלי ויכול להראות יחידות מדידה שונות, כגון וואט, וולט, אמפר או ספירות. מכשיר התצוגה יכול גם להכיל תכונות שונות, כגון פיקסלים של תצוגה, דיוק, דיוק, יציבות, קצב דגימה ובסיסת נתונים.
דוגמאות לרדיומטרים הן:
פיירנומטר: מודד את ההשתקפות הסולרית הגלובלית (הזרם הקריני ליחידת שטח מהשמש והשמים) על משטח אופקי
פיירהליאומטר: מודד את ההשתקפות הסולרית הישירה (הזרם הקריני ליחידת שטח מהשמש בלבד) על משטח ניצב לשמש
פיירגיומטר: מודד את ההשתקפות האינפרא אדומה (הזרם הקריני ליחידת שטח מקרינת אינפרא אדומה) על משטח אופקי
רדיומטר: מודד זרם קריני מכל מקור או כיוון
ספקטורומטר: מודד זרם ספקטרלי (הזרם הקריני ליחידת אורך גל או תדירות) מכל מקור או כיוון
פוטומטר: מודד זרם אור (הזרם הקריני משוקלל על ידי רגישות העין האנושית) מכל מקור או כיוון.
איך מחשבים זרם קריני?
זרם קריני ניתן לחישוב באמצעות נוסחאות ומודלים שונים בהתאם למינון וגאומטריה של המקור, התיכון והמקבל. חלק מהנוסחאות והמודלים הנפוצים הם:
חוק פלאנק: מחשב את הזרם הספקטרלי של גוף שחור (גוף אידיאלי שמקבל ומפליט כל אורך גל של קרינה) בטמפרטורה נתונה
חוק סטפן-בולצמן: מחשב את הזרם הקריני הכולל של גוף שחור בטמפרטורה נתונה
חוק קוסינוס לאמברט: מחשב את עוצמת הקרינה (הזרם הקריני ליחידת זווית מוצקה) של מקור לאמברט (גוף אידיאלי שפולט או מחזיר קרינה בצורה שווה בכל הכיוונים) בזווית נתונה
חוק ההופכי הריבועי: מחשב את פליטת הקרינה (הזרם הקריני ליחידת שטח) של מקור נקודתי (גוף אידיאלי שפולט קרינה מנקודה אחת) במרחק נתון
חוק ביר-למברט: מחשב את האטENUENCE (הירידה) של הזרם הקריני כפי שהוא עובר דרך תיכון סופך
משוואות פרנל: מחשבות את ההחזר והמעבר של הזרם הקריני כאשר הוא פוגש בגבול בין שני תיכונים בעלי מקדמי שבירה שונים
חוק סנל: מחשב את השבירה (ההטייה) של הזרם הקריני כשהוא עובר מתיכון אחד לשני עם מקדם שבירה שונה
פיזור ריילי: מחשב את הפיזור (ההטיה) של הזרם הקריני על ידי חלקיקים קטנים יותר מאורך גל הקרינה
פיזור מיי: מחשב את הפיזור של הזרם הקריני על ידי חלקיקים שמורכבים מאורך גל הקרינה או גדולים ממנו
איך זרם קריני קשור לכמויות רדיומטריות ואופטיות אחרות?
זרם קריני הוא אחת מכמויות הרדיומטריות הבסיסיות שאפשר להשתמש בהן כדי לייצר כמויות רדיומטריות ואופטיות אחרות. חלק מהכמות האחרות הן:
עוצמת קרינה: הזרם הקריני ליחידת זווית מוצקה שפולט מקור נקודתי בכיוון נתון. היחידות SI הן וואט לסטרדיון (W/sr).
בהירות: הזרם הקריני ליחידת זווית מוצקה ליחידת שטח מוקרן שפולט על ידי משטח או נפח בכיוון נתון. היחידות SI הן וואט לסטרדיון למטר מרובע (W/sr/m2).
פליטת קרינה או חשיפה לקרינה: הזרם הקריני ליחידת שטח שיפולט על משטח או בתוך נפח. היחידות SI הן וואט למטר מרובע (W/m2) או יולי למטר מרובע (J/m2).
פליטת קרינה חיצונית או פליטת קרינה: הזרם הקריני ליחידת שטח שיפולט על ידי משטח או בתוך נפח. היחידות SI הן וואט למטר מרובע (W/m2).
פליטת קרינה: הפליטת קרינה החיצונית pus ההחזר של פליטת קרינה על משטח. היחידות SI הן וואט למטר מרובע (W/m2).
כמויות אופטיות דומות לכמויות רדיומטריות, אבל הן משוקללות על ידי רגישות העין האנושית לאורכי גל שונים של אור. פונקציית המשקל נקראת פונקצייתעילוי אור, והיא בערכה המרבי של 683 lm/W ב-555 nm. חלק מהכמויות האופטיות הן:
זרם אור: הזרם הקריני משוקלל על ידי פונקצייתעילוי האור. היחידות SI הן לומן (lm).
עוצמת אור: הזרם האור ליחידת זווית מוצקה שפולט מקור נקודתי בכיוון נתון. היחידות SI הן קנדלה (cd).
בהירות: הזרם האור ליחידת זווית מוצקה ליחידת שטח מוקרן שפולט על ידי משטח או נפח בכיוון נתון. היחידות SI הן קנדלה למטר מרובע (cd/m2).
פליטת אור או חשיפה לאור: הזרם האור ליחידת שטח שיפולט על משטח או בתוך נפח. היחידות SI הן לוקס (lx) או לומן שניות למטר מרובע (lm·s/m2).
פליטת אור חיצונית או פליטת אור: הזרם האור ליחידת שטח שיפולט על ידי משטח או בתוך נפח. היחידות SI הן לוקס (lx).
פליטת אור: הפליטת אור החיצונית pus ההחזר של פליטת אור על משטח. היחידות SI הן לוקס (lx).
מהן כמה היישומים והדוגמאות של זרם קריני?
זרם קריני הוא כמות שימושית עבור מספר רב של יישומים ודוגמאות שמעורבות קרינת אלקטרומגנטית. חלק מהם הם:
אclairות: זרם קריני יכול לשמש למדוד ולהשוות את התפוקה והיעילות של סוגי שונים של מקורות אור, כגון נורות חשמליות, פלואורסנטיות, LED או לייזר. הוא יכול גם לשמש לתכנן ולחזק מערכות תאורה למטרות שונות, כגון תאורה פנימית, חיצונית או תיאטרלית.
אנרגיה סולרית: זרם קריני יכול לשמש למדוד ולהעריך את כמות הקרינה הסולרית שמגיעה לפני השטח של כדור הארץ או ללוח סולרי. הוא יכול גם לשמש לחישוב הכוח והתפוקה של תאים סולריים ומערכות.
מדידות מרוחקות: זרם קריני יכול לשמש למדוד ולנתח את התכונות והמאפיינים של עצמים ותופעות ממרחק, כגון טמפרטורה, Zusammensetzung, צמחיה, זיהום, מזג אוויר או אקלים. הוא יכול גם לשמש ליצירת תמונות ורשימות של כדור הארץ או גופים שמיימים אחרים באמצעות לוויינים או טלסקופים.
תקשורת אופטית: זרם קריני יכול לשמש למדוד ולשפר את הביצועים והקיבולת של מערכות תקשורת אופטיות, כגון אופטיקה סיבית, אופטיקה חופשית או אופטיקה אלחוטית. הוא יכול גם לשמש לקידוד ומסירת מידע באמצעות טכניקות מודולציה שונות, כגון מודולציה של משרעת, תדר או פאזה.
