Arus Radiasi: Panduan Komprehensif
Fluks radiasi adalah istilah yang menggambarkan jumlah energi radiasi yang dipancarkan, dipantulkan, ditransmisikan, atau diterima oleh suatu objek per satuan waktu. Energi radiasi adalah energi yang dibawa oleh gelombang elektromagnetik, seperti cahaya, gelombang radio, gelombang mikro, inframerah, ultraviolet, dan sinar-X. Fluks radiasi juga dikenal sebagai daya radiasi atau daya optik (dalam kasus cahaya).
Fluks radiasi adalah konsep penting dalam radiometri, yaitu ilmu pengukuran dan analisis radiasi elektromagnetik. Fluks radiasi dapat digunakan untuk mengkarakterisasi kinerja sumber cahaya, detektor, komponen optik, dan sistem. Ini juga dapat digunakan untuk menghitung kuantitas radiometrik lainnya, seperti intensitas radiasi, kecerahan, iradiansi, emisi radiasi, dan radiositas.
Dalam artikel ini, kami akan menjelaskan apa itu fluks radiasi, bagaimana cara mengukur dan menghitungnya, bagaimana hubungannya dengan kuantitas radiometrik dan fotometrik lainnya, serta beberapa aplikasi dan contohnya.
Apa itu Fluks Radiasi?
Fluks radiasi didefinisikan sebagai laju perubahan energi radiasi terhadap waktu. Secara matematis, hal ini dapat dinyatakan sebagai:
Di mana:
Φe adalah fluks radiasi dalam watt (W)
Qe adalah energi radiasi dalam joule (J)
t adalah waktu dalam detik (s)
Energi radiasi adalah jumlah total energi yang ditransfer oleh gelombang elektromagnetik melintasi permukaan atau di dalam volume. Energi ini dapat dipancarkan oleh sumber (seperti bola lampu), dipantulkan oleh permukaan (seperti cermin), ditransmisikan melalui medium (seperti udara atau kaca), atau diserap oleh objek (seperti panel surya).
Fluks radiasi bisa positif atau negatif tergantung pada arah transfer energi. Misalnya, jika sumber cahaya memancarkan 10 W fluks radiasi, berarti ia kehilangan 10 J energi per detik. Di sisi lain, jika detektor menerima 10 W fluks radiasi, berarti ia mendapatkan 10 J energi per detik.
Fluks radiasi bergantung pada panjang gelombang atau frekuensi radiasi elektromagnetik. Panjang gelombang yang berbeda memiliki energi yang berbeda dan berinteraksi dengan materi secara berbeda. Misalnya, cahaya tampak memiliki energi lebih tinggi daripada radiasi inframerah dan dapat dilihat oleh mata manusia. Radiasi ultraviolet memiliki energi bahkan lebih tinggi daripada cahaya tampak dan dapat menyebabkan sunburn dan kanker kulit.
Fluks radiasi per unit panjang gelombang atau frekuensi disebut fluks spektral atau daya spektral. Hal ini dapat dinyatakan sebagai Φe(λ) untuk panjang gelombang atau Φe(ν) untuk frekuensi. Total fluks radiasi sepanjang rentang panjang gelombang atau frekuensi dapat diperoleh dengan mengintegrasikan fluks spektral:
Di mana:
λ adalah panjang gelombang dalam meter (m)
ν adalah frekuensi dalam hertz (Hz)
λ1 dan λ2 adalah batas bawah dan atas rentang panjang gelombang
ν1 dan ν2 adalah batas bawah dan atas rentang frekuensi
Bagaimana Cara Mengukur Fluks Radiasi?
Fluks radiasi dapat diukur menggunakan berbagai jenis instrumen yang disebut radiometer. Radiometer terdiri dari detektor yang mengubah radiasi elektromagnetik menjadi sinyal listrik dan perangkat tampilan yang menampilkan atau merekam sinyal tersebut.
Detektor dapat didasarkan pada prinsip yang berbeda, seperti efek termal (misalnya, thermopile), efek fotoelektrik (misalnya, photodiode), atau efek kuantum (misalnya, photomultiplier tube). Detektor juga dapat memiliki karakteristik yang berbeda, seperti sensitivitas, responsivitas, linearitas, rentang dinamis, tingkat noise, respons spektral, respons sudut, dan kalibrasi.
Perangkat tampilan dapat analog atau digital dan dapat menunjukkan berbagai satuan pengukuran, seperti watt, volt, ampere, atau hitungan. Perangkat tampilan juga dapat memiliki fitur yang berbeda, seperti resolusi tampilan, akurasi, presisi, stabilitas, laju sampling, dan penyimpanan data.
Beberapa contoh radiometer adalah:
Pyranometer: mengukur iradiansi surya global (fluks radiasi per unit area dari matahari dan langit) pada permukaan horizontal
Pyrheliometer: mengukur iradiansi surya langsung (fluks radiasi per unit area dari matahari saja) pada permukaan normal terhadap matahari
Pyrgeometer: mengukur iradiansi gelombang panjang (fluks radiasi per unit area dari radiasi inframerah) pada permukaan horizontal
Radiometer: mengukur fluks radiasi dari sumber atau arah apa pun
Spectroradiometer: mengukur fluks spektral (fluks radiasi per unit panjang gelombang atau frekuensi) dari sumber atau arah apa pun
Photometer: mengukur fluks luminos (fluks radiasi yang diberi bobot oleh sensitivitas mata manusia) dari sumber atau arah apa pun.
Bagaimana Cara Menghitung Fluks Radiasi?
Fluks radiasi dapat dihitung menggunakan berbagai rumus dan model tergantung pada jenis dan geometri sumber, medium, dan penerima. Beberapa rumus dan model umum adalah:
Hukum Planck: menghitung fluks spektral dari benda hitam (objek ideal yang menyerap dan memancarkan semua panjang gelombang radiasi) pada suhu tertentu
Hukum Stefan-Boltzmann: menghitung total fluks radiasi dari benda hitam pada suhu tertentu
Hukum Cosinus Lambert: menghitung intensitas radiasi (fluks radiasi per unit solid angle) dari sumber lambertian (objek ideal yang memancarkan atau memantulkan radiasi sama rata dalam semua arah) pada sudut tertentu
Hukum Kuadrat Terbalik: menghitung iradiansi (fluks radiasi per unit area) dari sumber titik (objek ideal yang memancarkan radiasi dari satu titik) pada jarak tertentu
Hukum Beer-Lambert: menghitung penurunan (attenuation) fluks radiasi saat melewati medium yang menyerap
Persamaan Fresnel: menghitung refleksi dan transmisi fluks radiasi saat bertemu antarmuka antara dua media dengan indeks bias yang berbeda
Hukum Snell: menghitung refraksi (penyimpangan) fluks radiasi saat melewati dari satu medium ke medium lain dengan indeks bias yang berbeda
Penceraian Rayleigh: menghitung penceraian (pengalihan) fluks radiasi oleh partikel yang lebih kecil dari panjang gelombang radiasi
Penceraian Mie: menghitung penceraian fluks radiasi oleh partikel yang setara atau lebih besar dari panjang gelombang radiasi
Bagaimana Hubungan Fluks Radiasi dengan Kuantitas Radiometrik dan Fotometrik Lainnya?
Fluks radiasi adalah salah satu kuantitas radiometrik dasar yang dapat digunakan untuk menurunkan kuantitas radiometrik dan fotometrik lainnya. Beberapa kuantitas lainnya adalah:
Intensitas radiasi: fluks radiasi per unit solid angle yang dipancarkan oleh sumber titik dalam arah tertentu. Satuan SI-nya adalah watt per steradian (W/sr).
Kecerahan: fluks radiasi per unit solid angle per unit area proyeksi yang dipancarkan oleh permukaan atau volume dalam arah tertentu. Satuan SI-nya adalah watt per steradian per meter persegi (W/sr/m2).
Iradiansi atau paparan radiasi: fluks radiasi per unit area yang bersinar pada permukaan atau di dalam volume. Satuan SI-nya adalah watt per meter persegi (W/m2) atau joule per meter persegi (J/m2).
Emisi radiasi atau emittansi: fluks radiasi per unit area yang dipancarkan oleh permukaan atau di dalam volume. Satuan SI-nya adalah watt per meter persegi (W/m2).
Radiositas: emisi radiasi plus iradiansi yang dipantulkan oleh permukaan. Satuan SI-nya adalah watt per meter persegi (W/m2).
Kuantitas fotometrik mirip dengan kuantitas radiometrik, tetapi mereka diberi bobot oleh sensitivitas mata manusia terhadap panjang gelombang cahaya yang berbeda. Fungsi bobot ini disebut fungsi efikasi luminosa, dan memiliki nilai maksimum 683 lm/W pada 555 nm. Beberapa kuantitas fotometrik adalah:
Fluks luminos: fluks radiasi yang diberi bobot oleh fungsi efikasi luminosa. Satuan SI-nya adalah lumen (lm).
Intensitas luminosa: fluks luminos per unit solid angle yang dipancarkan oleh sumber titik dalam arah tertentu. Satuan SI-nya adalah candela (cd).
Luminansi: fluks luminos per unit solid angle per unit area proyeksi yang dipancarkan oleh permukaan atau volume dalam arah tertentu. Satuan SI-nya adalah candela per meter persegi (cd/m2).
Iluminansi atau paparan iluminansi: fluks luminos per unit area yang bersinar pada permukaan atau di dalam volume. Satuan SI-nya adalah lux (lx) atau lumen detik per meter persegi (lm·s/m2).
Emittansi luminosa atau emittansi luminosa: fluks luminos per unit area yang dipancarkan oleh permukaan atau di dalam volume. Satuan SI-nya adalah lux (lx).
Luminositas: emittansi luminosa plus iluminansi yang dipantulkan oleh permukaan. Satuan SI-nya adalah lux (lx).
Apa Saja Aplikasi dan Contoh dari Fluks Radiasi?
Fluks radiasi adalah kuantitas yang berguna untuk banyak aplikasi dan contoh yang melibatkan radiasi elektromagnetik. Beberapa di antaranya adalah:
Penerangan: fluks radiasi dapat digunakan untuk mengukur dan membandingkan output dan efisiensi dari berbagai jenis sumber cahaya, seperti pijar, fluorescent, LED, atau laser. Ini juga dapat digunakan untuk merancang dan mengoptimalkan sistem penerangan untuk berbagai tujuan, seperti penerangan indoor, outdoor, atau teater.
Energi surya: fluks radiasi dapat digunakan untuk mengukur dan memperkirakan jumlah radiasi surya yang mencapai permukaan Bumi atau panel surya. Ini juga dapat digunakan untuk menghitung daya dan output energi sel surya dan sistem.
Penginderaan jauh: fluks radiasi dapat digunakan untuk mengukur dan menganalisis sifat dan karakteristik objek dan fenomena dari jarak jauh, seperti suhu, komposisi, vegetasi, polusi, cuaca, atau iklim. Ini juga dapat digunakan untuk membuat gambar dan peta Bumi atau benda angkasa lainnya menggunakan satelit atau teleskop.
Komunikasi optik: fluks radiasi dapat digunakan untuk mengukur dan mengoptimalkan kinerja dan kapasitas sistem komunikasi optik, seperti serat optik, optik bebas ruang, atau nirkabel optik. Ini juga dapat digunakan untuk mengkodekan dan mentransmisikan informasi menggunakan teknik modulasi yang berbeda, seperti modulasi amplitudo, frekuensi, atau fase.
Teknologi laser: fluks radiasi dapat digunakan untuk mengukur dan mengontrol output dan kualitas sinar laser, seperti daya, intensitas, divergensi, koherensi, polarisasi, atau mode. Ini juga dapat digunakan untuk membuat dan memanipulasi berbagai efek dan fenomena menggunakan laser, seperti
