Svemirski tok: Potpuni vodič
Radijantni fluks je termin koji opisuje količinu radijantne energije koju neki objekt emitira, reflektira, prenosi ili prima po jedinici vremena. Radijantna energija je energija koju nose elektromagnetski valovi, poput svjetlosti, radijskih valova, mikrovalova, infracrvene, ultraljubičaste i röntgenove zračenje. Radijantni fluks se također naziva radijantnom snazju ili optičkom snagom (u slučaju svjetlosti).
Radijantni fluks je važan koncept u radiometriji, znanosti o mjeri i analizi elektromagnetske radijacije. Radijantni fluks može se koristiti za karakteriziranje performansi izvora svjetlosti, detektora, optičkih komponenti i sustava. Također se može koristiti za izračunavanje drugih radiometrijskih veličina, poput radijantne intenziteta, radijanse, irradijance, radijantne emisije i radijostitosti.
U ovom članku objasniti ćemo što je radijantni fluks, kako se mjeri i izračunava, kako se povezuje s drugim radiometrijskim i fotometrijskim veličinama te koje su neke njegove primjene i primjeri.
Što je Radijantni Fluks?
Radijantni fluks definira se kao stopa promjene radijantne energije s obzirom na vrijeme. Matematički se može izraziti kao:
Gdje:
Φe je radijantni fluks u vatima (W)
Qe je radijantna energija u džulovima (J)
t je vrijeme u sekundama (s)
Radijantna energija je ukupna količina energije koja se prenosi putem elektromagnetskih valova preko površine ili unutar volumena. Može biti emitirana izvorom (poput žarulje), reflektirana površinom (poput ogledala), prenesena kroz medij (poput zraka ili stakla) ili apsorbirana objektom (poput solarnog panela).
Radijantni fluks može biti pozitivan ili negativan ovisno o smjeru prenosa energije. Na primjer, ako izvor svjetlosti emitira 10 W radijantnog fluksa, to znači da gubi 10 J energije po sekundi. S druge strane, ako detektor prima 10 W radijantnog fluksa, to znači da dobiva 10 J energije po sekundi.
Radijantni fluks ovisi o valnoj duljini ili frekvenciji elektromagnetske radijacije. Različite valne duljine imaju različitu energiju i različito interagiraju s tvari. Na primjer, vidljiva svjetlost ima višu energiju od infracrvene radijacije i može se vidjeti ljudskim očima. Ultraljubičasta radijacija ima još višu energiju od vidljive svjetlosti i može uzrokovati sunčano ogrmanje i kozmetičku rak.
Radijantni fluks po jedinici valne duljine ili frekvencije zove se spektralni fluks ili spektralna snaga. Može se označiti kao Φe(λ) za valnu duljinu ili Φe(ν) za frekvenciju. Ukupni radijantni fluks u rasponu valnih duljina ili frekvencija može se dobiti integracijom spektralnog fluksa:
Gdje:
λ je valna duljina u metrima (m)
ν je frekvencija u hercima (Hz)
λ1 i λ2 su donja i gornja granica raspona valne duljine
ν1 i ν2 su donja i gornja granica raspona frekvencije
Kako se Mjeri Radijantni Fluks?
Radijantni fluks može se mjeriti pomoću različitih tipova instrumenata zvanih radiometri. Radiometer sastoji se od detektora koji pretvara elektromagnetsku radijaciju u električni signal i uređaja za prikaz ili zapisivanje signala.
Detektor može se temeljiti na različitim principima, poput termalnih efekata (npr., termopila), fotoelektričnih efekata (npr., fotodioda) ili kvantnih efekata (npr., fotomultiplikator). Detektor također može imati različite karakteristike, poput osjetljivosti, odzivnosti, linearnosti, dinamičkog raspona, razine šuma, spektralnog odziva, kutnog odziva i kalibracije.
Uređaj za prikaz može biti analogan ili digitalan i može prikazivati različite jedinice mjere, poput vatova, volti, ampera ili broja. Uređaj za prikaz također može imati različite značajke, poput rezolucije prikaza, točnosti, preciznosti, stabilnosti, brzine uzorkovanja i pohrane podataka.
Neki primjeri radiometara su:
Piranometar: mjeri globalnu solaru iradijanciju (radijantni fluks po jedinici površine od sunca i neba) na horizontalnoj površini
Pirhelijometar: mjeri direktnu solaru iradijanciju (radijantni fluks po jedinici površine samo od sunca) na površini okomitoj na sunce
Pirgeometar: mjeri dugovalnu iradijanciju (radijantni fluks po jedinici površine od infracrvene radijacije) na horizontalnoj površini
Radiometar: mjeri radijantni fluks s bilo kojeg izvora ili smjera
Spektro-radiometar: mjeri spektralni fluks (radijantni fluks po jedinici valne duljine ili frekvencije) s bilo kojeg izvora ili smjera
Fotometar: mjeri luminosni fluks (radijantni fluks ponderiran osjetljivošću ljudskog oka) s bilo kojeg izvora ili smjera.
Kako se Izračunava Radijantni Fluks?
Radijantni fluks može se izračunavati pomoću različitih formula i modela ovisno o vrsti i geometriji izvora, medija i prijemnika. Neki od uobičajenih formula i modela su:
Planckov zakon: izračunava spektralni fluks crnog tijela (idealiziranog objekta koji apsorbira i emitira sve valne duljine radijacije) na zadanoj temperaturi
Stefan-Boltzmannov zakon: izračunava ukupni radijantni fluks crnog tijela na zadanoj temperaturi
Lambertov kosinusni zakon: izračunava radijantnu intenzitet (radijantni fluks po jedinici solidnog kuta) lambertovog izvora (idealiziranog objekta koji emitira ili reflektira radijaciju jednako u sve smjerove) na zadanom kutu
Inverzni kvadratni zakon: izračunava irradijancu (radijantni fluks po jedinici površine) tačkastog izvora (idealiziranog objekta koji emitira radijaciju iz jedne tačke) na zadanom rastojanju
Beer-Lambertov zakon: izračunava atenuaciju (smanjenje) radijantnog fluksa dok prolazi kroz absorbirajući medij
Fresnelove jednadžbe: izračunavaju refleksiju i transmisiju radijantnog fluksa kada susreće sučelje između dva medija s različitim lomnim indeksima
Snellov zakon: izračunava refrakciju (savijanje) radijantnog fluksa kada prolazi iz jednog medija u drugi s različitim lomnim indeksima
Rajlejevo rasipanje: izračunava rasipanje (preusmjeravanje) radijantnog fluksa česticama manjim od valne duljine radijacije
Mieovo rasipanje: izračunava rasipanje radijantnog fluksa česticama sličnim ili većim od valne duljine radijacije
Kako se Radijantni Fluks Povezuje s Ostalim Radiometrijskim i Fotometrijskim Veličinama?
Radijantni fluks je jedna od osnovnih radiometrijskih veličina koja se može koristiti za izvođenje drugih radiometrijskih i fotometrijskih veličina. Neki od ostalih veličina su:
Radijantna intenzitet: radijantni fluks po jedinici solidnog kuta emitiran tačkastim izvorom u zadanom smjeru. SI jedinica je vat po steradijanu (W/sr).
Radijanse: radijantni fluks po jedinici solidnog kuta po jedinici projicirane površine emitiran površinom ili volumenom u zadanom smjeru. SI jedinica je vat po steradijanu po kvadratnom metru (W/sr/m²).
Irradijancija ili radijantna ekspozicija: radijantni fluks po jedinici površine incidentan na površinu ili unutar volumena. SI jedinica je vat po kvadratnom metru (W/m²) ili džul po kvadratnom metru (J/m²).
Radijantna emisija ili emisivnost: radijantni fluks po jedinici površine emitiran površinom ili unutar volumena. SI jedinica je vat po kvadratnom metru (W/m²).
Radijostitost: radijantna emisija plus reflektirana irradijancija površine. SI jedinica je vat po kvadratnom metru (W/m²).
Fotometrijske veličine su slične radiometrijskim veličinama, ali su ponderirane osjetljivošću ljudskog oka na različite valne duljine svjetlosti. Funkcija ponderiranja zove se luminosna efikasnost, i ima maksimalnu vrijednost od 683 lm/W na 555 nm. Neki fotometrijski veličine su:
Luminosni fluks: radijantni fluks ponderiran luminosnom efikasnošću. SI jedinica je lumen (lm).
Luminosna intenzitet: luminosni fluks po jedinici solidnog kuta emitiran tačkastim izvorom u zadanom smjeru. SI jedinica je kandela (cd).
Luminanse: luminosni fluks po jedinici solidnog kuta po jedinici projicirane površine emitiran površinom ili volumenom u zadanom smjeru. SI jedinica je kandela po kvadratnom metru (cd/m²).
Iluminancija ili iluminacijska ekspozicija: luminosni fluks po jedinici površine incidentan na površinu ili unutar volumena. SI jedinica je lux (lx) ili lumen sekunda po kvadratnom metru (lm·s/m²).
Luminosna emisija ili luminosna emisivnost: luminosni fluks po jedinici površine emitiran površinom ili unutar volumena. SI jedinica je lux (lx).
Luminosnost: luminosna emisija plus reflektirana iluminancija površine. SI jedinica je lux (lx).
Koje su Primjene i Primjeri Radijantnog Fluksa?
Radijantni fluks je koristan veličina za mnoge primjene i primjere koji uključuju elektromagnetsku radijaciju. Neki od njih su:
