Sugaró Arány: Teljes Kézikönyv
A sugárzó áramlás olyan kifejezés, amely leírja a sugárzó energia mennyiségét, amely egy objektum által adott időegységre kibocsátva, visszaverve, továbbítva vagy fogadva. A sugárzó energia az elektromágneses hullámok által hordozott energia, mint például a fény, a rádióhullámok, a mikrohullámok, a láthatatlan sugárzás, az ultravékony sugárzás és az röntgenképek. A sugárzó áramlást gyakran sugárzó teljesítménynek vagy optikai teljesítménynek (a fény esetében) is nevezik.
A sugárzó áramlás egy fontos fogalom a radiometriában, ami az elektromágneses sugárzás mérésének és elemzésének tudományában. A sugárzó áramlást felhasználhatják a fényforrások, detektorok, optikai alkotóelemek és rendszerek teljesítményének jellemzésére. Ezenkívül segítséget nyújt más radiometrikus mennyiségek, mint a sugárzó intenzitás, a sugarázás, a bevilágítás, a sugárzó kiadás és a sugarasság számításában.
Ebben a cikkben elmagyarázzuk, mi a sugárzó áramlás, hogyan mérhető és számolható, hogyan kapcsolódik más radiometrikus és fotometrikus mennyiségekhez, valamint bemutatunk néhány alkalmazását és példáját.
Mi a Sugárzó Áramlás?
A sugárzó áramlást definiáljuk, mint a sugárzó energia változásának sebességét az idő szerint. Matematikailag a következőképpen fejezhető ki:
Ahol:
Φe a sugárzó áramlás wattban (W)
Qe a sugárzó energia dzsoulban (J)
t az idő másodpercben (s)
A sugárzó energia az elektromágneses hullámok által átadott energia összes mennyisége egy felületen vagy térfogatban. Ez lehet egy forrás (mint például egy lámpa) által kibocsátott, egy felület (mint például egy tükör) által visszaverődött, egy közeg (mint például a levegő vagy a műanyag) által továbbított, vagy egy objektum (mint például egy napeleme) által elfogadott.
A sugárzó áramlás pozitív vagy negatív lehet, attól függően, hogy milyen irányban történik az energiaátadás. Például, ha egy fényforrás 10 W sugárzó áramlást bocsát ki, ez azt jelenti, hogy 10 J energiát vesz elveszíti másodpercenként. Másrészről, ha egy detektor 10 W sugárzó áramlást fogad, ez azt jelenti, hogy 10 J energiát nyer másodpercenként.
A sugárzó áramlás függ az elektromágneses sugárzás hullámhosszától vagy frekvenciájától. Különböző hullámhosszú hullámok különböző energiával bírnak, és másképpen viselkednek anyaggal. Például a látható fény magasabb energiájú, mint a láthatatlan sugárzás, és emberi szemmel látható. Az ultravékony sugárzás még magasabb energiájú, mint a látható fény, és napégéshez és bőrkánérozhoz vezethet.
A sugárzó áramlás egység hullámhosszonként vagy frekvenciánkénti mennyisége a spektrális áramlás vagy spektrális teljesítmény. Hullámhossz esetén Φe(λ)-ként, frekvencia esetén Φe(ν)-ként jelölhető. A teljes sugárzó áramlás egy hullámhossz- vagy frekvencia-intervallumon keresztül integrálással számolható:
Ahol:
λ a hullámhossz méterben (m)
ν a frekvencia herczben (Hz)
λ1 és λ2 a hullámhossz intervallum alsó és felső határa
ν1 és ν2 a frekvencia intervallum alsó és felső határa
Hogyan Mérhető a Sugárzó Áramlás?
A sugárzó áramlást különböző típusú műszerrel, radiometerekkel mérhetjük. Egy radiométer egy detektort tartalmaz, amely elektromágneses sugárzást átalakít elektrikus jevre, és egy megjelenítő eszköz, amely megjeleníti vagy rögzíti a jelet.
A detektor különböző elveken alapulhat, mint például a hőhatás (pl. termopil), a fotoelektrikus hatás (pl. fotodiód) vagy a kvantumhatás (pl. fotomultiplikátor). A detektor különböző jellemzőket is mutathat, mint például érzékenység, reagálási képesség, linearitás, dinamikai tartomány, zajszint, spektrális válasz, szög válasz, és kalibráció.
A megjelenítő eszköz analóg vagy digitális lehet, és különböző mérési egységeket mutathat, mint például watt, volt, amper vagy szám. A megjelenítő eszköz különböző funkciókat is tartalmazhat, mint például a megjelenítés felbontása, pontosság, stabilitás, mintavételi frekvencia és adattárolás.
Néhány radiométer példa:
Piranheméter: méri a globális napsugárzást (a sugárzó áramlást területegységenként a Nap és az égbolt részéről) egy vízszintes felületen
Pirhelheméter: méri a közvetlen napsugárzást (a sugárzó áramlást területegységenként csak a Naptól) egy a Naphoz normál felületen
Pirgeheméter: méri a hosszú hullámú sugárzást (a sugárzó áramlást területegységenként infra-vörös sugárzásból) egy vízszintes felületen
Radiométer: méri a sugárzó áramlást bármely forrásból vagy irányból
Spektro-radiométer: méri a spektrális áramlást (a sugárzó áramlást egység hullámhosszonként vagy frekvenciánként) bármely forrásból vagy irányból
Fotométer: méri a világító áramlást (a sugárzó áramlást súlyozva az emberi szem érzékenységével) bármely forrásból vagy irányból.
Hogyan Számítható a Sugárzó Áramlás?
A sugárzó áramlást különböző képletekkel és modelllekkel számíthatjuk, attól függően, hogy milyen típusú és geometriai a forrás, a közeg és a fogadó. Néhány gyakori képlet és modell:
Planck törvénye: kiszámítja a fekete test (ideális objektum, amely minden hullámhosszú sugárzást absorbiál és kibocsát) spektrális áramlását adott hőmérsékleten
Stefan-Boltzmann törvénye: kiszámítja a fekete test teljes sugárzó áramlását adott hőmérsékleten
Lambert koszinusz-törvénye: kiszámítja a Lambert-féle forrás (ideális objektum, amely egyenletesen sugárzik vagy visszaverődik minden irányban) sugárzó intenzitását (a sugárzó áramlás egység sztereodiverzióban) adott szögnél
Inverz négyzetes törvény: kiszámítja a pontforrás (ideális objektum, amely egyetlen pontból sugárzik) bevilágítását (a sugárzó áramlás egység területen) adott távolságon
Beer-Lambert törvénye: kiszámítja a sugárzó áramlás csökkenését, ahogy áthalad egy abszorbáló közegen
Fresnel-egyenletek: kiszámítják a sugárzó áramlás visszaverődését és áthatolását, amikor találkozik két különböző törésmutatójú közeg határával
Snellius törvénye: kiszámítja a sugárzó áramlás hajlítását, amikor áthalad egy közegből egy másikba, különböző törésmutatóval
Rayleigh-szórás: kiszámítja a sugárzó áramlás szóródását, amikor apróbb részecskékkel találkozik, mint a sugárzás hullámhossza
Mie-szórás: kiszámítja a sugárzó áramlás szóródását, amikor hasonló vagy nagyobb méretű részecskékkel találkozik, mint a sugárzás hullámhossza
Hogyan Kapcsolódik a Sugárzó Áramlás a További Radiometrikus és Fotometrikus Mennyiségekhez?
A sugárzó áramlás az egyik alapvető radiometrikus mennyiség, amelyet felhasználhatunk a további radiometrikus és fotometrikus mennyiségek meghatározásához. Néhány további mennyiség:
Sugárzó intenzitás: a sugárzó áramlás egység sztereodiverzióban, amely egy pontforrásból adott irányban kibocsátott. Az SI egysége watt per sztereodiverzió (W/sr).
Sugarázás: a sugárzó áramlás egység sztereodiverzióban és egység vetületi területen, amely egy felület vagy térfogatból adott irányban kibocsátott. Az SI egysége watt per sztereodiverzió per négyzetméter (W/sr/m2).
Bevilágítás vagy sugárzási expozíció: a sugárzó áramlás egység területen, amely egy felületre vagy térfogatra esik. Az SI egysége watt per négyzetméter (W/m2) vagy dzsoul per négyzetméter (J/m2).
Sugárzó kiadás vagy emittancia: a sugárzó áramlás egység területen, amely egy felületből vagy térfogatból kibocsátott. Az SI egysége watt per négyzetméter (W/m2).
Sugarasság: a sugárzó kiadás plusz a visszaverődött bevilágítás egy felületén. Az SI egysége watt per négyzetméter (W/m2).
A fotometrikus mennyiségek hasonlóak a radiometrikus mennyiségekhez, de az emberi szem érzékenységével súlyozzák a különböző hullámhosszú fényeket. A súlyozó függvény a világító hatékonysági függvény, amelynek maximum értéke 683 lm/W 555 nm-nél. Néhány fotometrikus mennyiség:
Világító áramlás: a sugárzó áramlás, amelyet a világító hatékonysági függvény súlyoz. Az SI egysége lumen (lm).
Világító intenzitás: a világító áramlás egység sztereodiverzióban, amely egy pontforrásból adott irányban kibocsátott. Az SI egysége kanadás (cd).
Világítás: a világító áramlás egység sztereodiverzióban és egység vetületi területen, amely egy felületből vagy térfogatból adott irányban kibocsátott. Az SI egysége kanadás per négyzetméter (cd/m2).
Bevilágítás vagy bevilágítási expozíció: a világító áramlás egység területen, amely egy felületre vagy térfogatra esik. Az SI egysége lux (lx) vagy lumen másodperc per négyzetméter (lm·s/m2).
Világít
