Flusso Radiante: Una Guida Completa

Il flusso radiante è un termine che descrive la quantità di energia radiante emessa, riflessa, trasmessa o ricevuta da un oggetto per unità di tempo. L'energia radiante è l'energia trasportata dalle onde elettromagnetiche, come la luce, le onde radio, i microonde, l'infrarosso, l'ultravioletto e i raggi X. Il flusso radiante è anche noto come potenza radiante o potenza ottica (nel caso della luce).

Il flusso radiante è un concetto importante nella radiometria, che è la scienza della misurazione e dell'analisi della radiazione elettromagnetica. Il flusso radiante può essere utilizzato per caratterizzare le prestazioni di sorgenti luminose, rilevatori, componenti ottici e sistemi. Può anche essere utilizzato per calcolare altre quantità radiometriche, come intensità radiante, radianza, irradiazione, emissività radiante e radiosità.

In questo articolo, spiegheremo cos'è il flusso radiante, come viene misurato e calcolato, come si relaziona con altre quantità radiometriche e fotometriche, e quali sono alcune delle sue applicazioni ed esempi.

Cos'è il Flusso Radiante?

Il flusso radiante è definito come il tasso di variazione dell'energia radiante rispetto al tempo. Matematicamente, può essere espresso come:

Dove:

• Φe è il flusso radiante in watt (W)

• Qe è l'energia radiante in joule (J)

• t è il tempo in secondi (s)

L'energia radiante è la quantità totale di energia trasferita dalle onde elettromagnetiche attraverso una superficie o all'interno di un volume. Può essere emessa da una sorgente (come una lampadina), riflessa da una superficie (come uno specchio), trasmessa attraverso un mezzo (come l'aria o il vetro) o assorbita da un oggetto (come un pannello solare).

Il flusso radiante può essere positivo o negativo a seconda della direzione del trasferimento di energia. Ad esempio, se una sorgente luminosa emette 10 W di flusso radiante, significa che perde 10 J di energia al secondo. D'altra parte, se un rilevatore riceve 10 W di flusso radiante, significa che guadagna 10 J di energia al secondo.

Il flusso radiante dipende dalla lunghezza d'onda o dalla frequenza della radiazione elettromagnetica. Diverse lunghezze d'onda hanno energie diverse e interagiscono diversamente con la materia. Ad esempio, la luce visibile ha un'energia maggiore della radiazione infrarossa e può essere vista dagli occhi umani. La radiazione ultravioletta ha un'energia ancora maggiore della luce visibile e può causare scottature solari e cancro alla pelle.

Il flusso radiante per unità di lunghezza d'onda o frequenza è chiamato flusso spettrale o potenza spettrale. Può essere denotato come Φe(λ) per la lunghezza d'onda o Φe(ν) per la frequenza. Il flusso radiante totale su un intervallo di lunghezze d'onda o frequenze può essere ottenuto integrando il flusso spettrale:

Dove:

• λ è la lunghezza d'onda in metri (m)

• ν è la frequenza in hertz (Hz)

• λ1 e λ2 sono i limiti inferiore e superiore dell'intervallo di lunghezza d'onda

• ν1 e ν2 sono i limiti inferiore e superiore dell'intervallo di frequenza

Come viene Misurato il Flusso Radiante?

Il flusso radiante può essere misurato utilizzando vari tipi di strumenti chiamati radiometri. Un radiometro è composto da un rilevatore che converte la radiazione elettromagnetica in un segnale elettrico e da un dispositivo di lettura che visualizza o registra il segnale.

Il rilevatore può essere basato su principi diversi, come effetti termici (ad esempio, termopila), effetti fotoelettrici (ad esempio, fotodiodo) o effetti quantistici (ad esempio, tubo fotomoltiplicatore). Il rilevatore può anche avere caratteristiche diverse, come sensibilità, responsività, linearità, range dinamico, livello di rumore, risposta spettrale, risposta angolare e taratura.

Il dispositivo di lettura può essere analogico o digitale e può mostrare unità di misura diverse, come watt, volt, ampere o conteggi. Il dispositivo di lettura può anche avere funzionalità diverse, come risoluzione di visualizzazione, accuratezza, precisione, stabilità, frequenza di campionamento e archiviazione dei dati.

Alcuni esempi di radiometri sono:

• Piranometro: misura l'irradianza solare globale (il flusso radiante per unità di area dal sole e dal cielo) su una superficie orizzontale

• Pirieliometro: misura l'irradianza solare diretta (il flusso radiante per unità di area solo dal sole) su una superficie normale al sole

• Pirgeometro: misura l'irradianza a lunghe onde (il flusso radiante per unità di area dalla radiazione infrarossa) su una superficie orizzontale

• Radiometro: misura il flusso radiante da qualsiasi sorgente o direzione

• Spectroradiometro: misura il flusso spettrale (il flusso radiante per unità di lunghezza d'onda o frequenza) da qualsiasi sorgente o direzione

• Fotometro: misura il flusso luminoso (il flusso radiante ponderato dalla sensibilità dell'occhio umano) da qualsiasi sorgente o direzione.

Come viene Calcolato il Flusso Radiante?

Il flusso radiante può essere calcolato utilizzando varie formule e modelli a seconda del tipo e della geometria della sorgente, del mezzo e del ricevitore. Alcune delle formule e dei modelli comuni sono:

• Legge di Planck: calcola il flusso spettrale di un corpo nero (un oggetto idealizzato che assorbe e emette tutte le lunghezze d'onda di radiazione) a una data temperatura

• Legge di Stefan-Boltzmann: calcola il flusso radiante totale di un corpo nero a una data temperatura

• Legge del coseno di Lambert: calcola l'intensità radiante (il flusso radiante per unità di angolo solido) di una sorgente lambertiana (un oggetto idealizzato che emette o riflette la radiazione in modo uniforme in tutte le direzioni) a un dato angolo

• Legge dell'inverso del quadrato: calcola l'irradiazione (il flusso radiante per unità di area) di una sorgente puntiforme (un oggetto idealizzato che emette radiazione da un singolo punto) a una data distanza

• Legge di Beer-Lambert: calcola l'attenuazione (la riduzione) del flusso radiante mentre passa attraverso un mezzo assorbente

• Equazioni di Fresnel: calcolano la riflessione e la trasmissione del flusso radiante quando incontra un'interfaccia tra due mezzi con indici di rifrazione diversi

• Legge di Snell: calcola la rifrazione (la deviazione) del flusso radiante mentre passa da un mezzo a un altro con indici di rifrazione diversi

• Scattering di Rayleigh: calcola lo scattering (la ridirezione) del flusso radiante da particelle più piccole della lunghezza d'onda della radiazione

• Scattering di Mie: calcola lo scattering del flusso radiante da particelle comparabili o maggiori della lunghezza d'onda della radiazione

Come si Relaziona il Flusso Radiante con Altre Quantità Radiometriche e Fotometriche?

Il flusso radiante è una delle quantità radiometriche di base che possono essere utilizzate per derivare altre quantità radiometriche e fotometriche. Alcune di queste quantità sono:

• Intensità radiante: il flusso radiante per unità di angolo solido emesso da una sorgente puntiforme in una data direzione. L'unità SI è watt per steradiante (W/sr).

• Radianza: il flusso radiante per unità di angolo solido per unità di area proiettata emesso da una superficie o da un volume in una data direzione. L'unità SI è watt per steradiante per metro quadrato (W/sr/m2).

• Irradianza o esposizione radiante: il flusso radiante per unità di area incidente su una superficie o all'interno di un volume. L'unità SI è watt per metro quadrato (W/m2) o joule per metro quadrato (J/m2).

• Emissività radiante o emettanza: il flusso radiante per unità di area emesso da una superficie o all'interno di un volume. L'unità SI è watt per metro quadrato (W/m2).

• Radiosità: l'emissività radiante più l'irradianza riflessa di una superficie. L'unità SI è watt per metro quadrato (W/m2).

Le quantità fotometriche sono simili alle quantità radiometriche, ma sono ponderate dalla sensibilità dell'occhio umano a diverse lunghezze d'onda di luce. La funzione di ponderazione è chiamata funzione di efficacia luminosa, e ha un valore massimo di 683 lm/W a 555 nm. Alcune delle quantità fotometriche sono:

• Flusso luminoso: il flusso radiante ponderato dalla funzione di efficacia luminosa. L'unità SI è lumen (lm).

• Intensità luminosa: il flusso luminoso per unità di angolo solido emesso da una sorgente puntiforme in una data direzione. L'unità SI è candela (cd).

• Luminanza: il flusso luminoso per unità di angolo solido per unità di area proiettata emesso da una superficie o da un volume in una data direzione. L'unità SI è candela per metro quadrato (cd/m2).

• Illuminanza o esposizione luminosa: il flusso luminoso per unità di area incidente su una superficie o all'interno di un volume. L'unità SI è lux (lx) o lumen secondo per metro quadrato (lm·s/m2).

• Emittanza luminosa o emettanza luminosa: il flusso luminoso per unità di area emesso da una superficie o all'interno di un volume. L'unità SI è lux (lx).

• Luminosità: l'emittanza luminosa più l'illuminanza riflessa di una superficie. L'unità SI è lux (lx).

Quali sono alcune Applicazioni ed Esempi del Flusso Radiante?

Il flusso radiante è una quantità utile per molte applicazioni ed esempi che coinvolgono la radiazione elettromagnetica. Alcuni di questi sono:

• Illuminazione: il flusso radiante può essere utilizzato per misurare e confrontare l'output ed l'efficienza di diversi tipi di sorgenti luminose, come incandescenti, fluorescenti, LED o laser. Può anche essere utilizzato per progettare e ottimizzare sistemi di illuminazione per scopi diversi, come interni, esterni o teatrali.

• Energia solare: il flusso radiante può essere utilizzato per misurare e stimare la quantità di radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre o un pannello solare. Può anche essere utilizzato per calcolare la potenza ed l'energia prodotta da celle solari e sistemi.

• Telerilevamento: il flusso radiante può essere utilizzato per misurare e analizzare le proprietà e le caratteristiche di oggetti e fenomeni a distanza, come temperatura, composizione, vegetazione, inquinamento, meteo o clima. Può anche essere utilizzato per creare immagini e mappe della Terra o di altri corpi celesti