Spīdstošais plūsma: Visaptveroša rokasgrāmata
Radiācijas plūsma ir termins, kas apraksta daudzumu radiācijas enerģijas, ko objekts izdod, atspoguļo, pārraida vai uzsūca laika vienībā. Radiācijas enerģija ir enerģija, kuru nes elektromagnētiskās viļņojuma veida rādītāji, piemēram, gaisma, radio viļņi, mikroviļņi, infrasarkana gaismā, ultraviolets un rentgens. Radiācijas plūsmu arī sauc par radiācijas jaudu vai optisko jaudu (gaišuma gadījumā).
Radiācijas plūsma ir svarīgs jēdziens radiometrijā, kas ir zinātne, kas mēra un analizē elektromagnētisko radiāciju. Radiācijas plūsmu var izmantot, lai raksturotu gaismas avotu, detektoru, optisko komponentu un sistēmu darbību. Tā var tikt izmantota arī, lai aprēķinātu citus radiometriskos lielumus, piemēram, radiācijas intensitāti, radiance, apgaismojumu, radiācijas izlidošanu un radiositāti.
Šajā rakstā mēs izskaidrosim, kas ir radiācijas plūsma, kā tā tiek mērīta un aprēķināta, kā tā saistīta ar citiem radiometriskiem un fotometriskiem lielumiem, un kādi ir tās lietojumi un piemēri.
Kas ir Radiācijas Plūsma?
Radiācijas plūsma ir definēta kā radiācijas enerģijas maiņas ātrums attiecībā pret laiku. Matemātiski to var izteikt šādi:
Kur:
Φe ir radiācijas plūsma vattos (W)
Qe ir radiācijas enerģija džoulēs (J)
t ir laiks sekundēs (s)
Radiācijas enerģija ir kopējais enerģijas daudzums, kas tiek pārnēsāts elektromagnētiskajiem viļņiem virs virsmas vai iekšpusē. To var izdot avots (piemēram, elektrokarsts), atspoguļot virsma (piemēram, spogulis), pārraidīt caur vidu (piemēram, gaisa vai stikla) vai absorbt objektam (piemēram, saules paneļi).
Radiācijas plūsma var būt pozitīva vai negatīva atkarībā no enerģijas pārnešanas virziena. Piemēram, ja gaišuma avots izdod 10 W radiācijas plūsmu, tas nozīmē, ka tas zaudē 10 J enerģiju sekundē. Savukārt, ja detektors uzsūc 10 W radiācijas plūsmu, tas nozīmē, ka tas iegūst 10 J enerģiju sekundē.
Radiācijas plūsma atkarīga no elektromagnētiskās radiācijas garuma vai frekvences. Dažādas garumiem ir dažāda enerģija un atšķirīgi mijiedarbības ar materiju. Piemēram, redzamais gaismas garums ir augstāka enerģija nekā infrasarkanā gaismā un to var redzēt cilvēka acis. Ultravioleta radiācija ir vēl augstāka enerģija nekā redzamais gaismas garums un to var izraisīt saules degunu un auda vēža.
Radiācijas plūsma garuma vai frekvences vienībā sauc par spektra plūsmu vai spektra jaudu. To var apzīmēt kā Φe(λ) garuma vai Φe(ν) frekvences. Kopējo radiācijas plūsmu garuma vai frekvences diapazonā var iegūt integrējot spektra plūsmu:
Kur:
λ ir garums metros (m)
ν ir frekvence hercēs (Hz)
λ1 un λ2 ir garuma robežas
ν1 un ν2 ir frekvences robežas
Kā Mēra Radiācijas Plūsmu?
Radiācijas plūsmu var mērīt, izmantojot dažādus instrumentus, kas sauc par radiometriem. Radiometers sastāv no detektora, kas pārvērš elektromagnētisko radiāciju elektriskā signālā, un rādītāja, kas parāda vai ieraksta šo signālu.
Detektors var balstīties uz dažādiem principiem, piemēram, termiskiem efektiem (piemēram, termopila), fotoelektriskiem efektiem (piemēram, fotodiode) vai kvantu efektiem (piemēram, fotomultiplier tubes). Detektors var arī būt ar dažādām īpašībām, piemēram, jutība, atbildība, līnijveida, dinamiskais diapazons, troksnis, spektra atbilde, leņķa atbilde un kalibrācija.
Rādītājs var būt analogs vai digitāls un var rādīt dažādus mērījuma vienības, piemēram, vatti, volts, amperi vai skaitļi. Rādītājs var arī būt ar dažādām funkcijām, piemēram, displeja rezolūcija, precizitāte, stabilitāte, mērījumu ātrums un datu glabāšana.
Daži radiometru piemēri ir:
Piranometers: mēra globālo saules apgaismojumu (radiācijas plūsma vienībai laukuma no saules un debesīm) horizontālā virsmai
Pirheliotrons: mēra tiešo saules apgaismojumu (radiācijas plūsma vienībai laukuma tikai no saules) virsmai, kas normāla saulei
Pirgeometers: mēra ilggara apgaismojumu (radiācijas plūsma vienībai laukuma no infrasarkanās gaismā) horizontālā virsmai
Radiometers: mēra radiācijas plūsmu no jebkura avota vai virziena
Spektoradiometers: mēra spektra plūsmu (radiācijas plūsma vienībai garuma vai frekvences) no jebkura avota vai virziena
Fotometers: mēra luminācijas plūsmu (radiācijas plūsma, kas sverēta pēc cilvēka acu jūtības) no jebkura avota vai virziena.
Kā Aprēķina Radiācijas Plūsmu?
Radiācijas plūsmu var aprēķināt, izmantojot dažādas formulas un modeļus atkarībā no avota, vidē un saņēmēja tipa un ģeometrijas. Dažas no visbiežāk izmantotajām formulām un modeļiem ir:
Plancka likums: aprēķina melna ķermeņa (ideālizēts objekts, kas absorbē un izdod visus radiācijas garumus) spektra plūsmu pie noteiktas temperatūras
Stefana-Boltzmāna likums: aprēķina melna ķermeņa kopējo radiācijas plūsmu pie noteiktas temperatūras
Lamberta kosīna likums: aprēķina Lamberta avota (ideālizēts objekts, kas izdod vai atspoguļo radiāciju vienādi visos virzienos) radiācijas intensitāti (radiācijas plūsma vienībai steradiana) pie noteiktā leņķa
Apvērsus kvadrāta likums: aprēķina punkta avota (ideālizēts objekts, kas izdod radiāciju no viena punkta) apgaismojumu (radiācijas plūsma vienībai laukuma) pie noteiktas attāluma
Beer-Lamberta likums: aprēķina radiācijas plūsmas samazināšanos, kad tā ieiet absorbējošā vidē
Fresnela vienādojumi: aprēķina radiācijas plūsmas atspoguļojumu un pārraidīšanu, kad tā saskaras ar divu vidu ar atšķirīgu refrakcijas indeksu robežu
Snella likums: aprēķina radiācijas plūsmas refractions (krustojumu), kad tā ieiet no vienas vidē uz otru ar atšķirīgu refrakcijas indeksu
Reilija scatterings: aprēķina radiācijas plūsmas scatterings (novirzīšanu) no daudz mazākiem nekā radiācijas garums daudzumiem
Mie scatterings: aprēķina radiācijas plūsmas scatterings no daudzumiem, kas salīdzināmi ar vai lielāki nekā radiācijas garums
Kā Radiācijas Plūsma Saistīta ar Citiem Radiometriskajiem un Fotometriskajiem Lielumiem?
Radiācijas plūsma ir viens no pamata radiometriskajiem lielumiem, ko var izmantot, lai izvestu citus radiometriskus un fotometriskus lielumus. Daži no citiem lielumiem ir:
Radiācijas intensitāte: radiācijas plūsma vienībai steradiana, ko izdod punkta avots noteiktā virzienā. SI vienība ir vatss steradianā (W/sr).
Radiance: radiācijas plūsma vienībai steradiana un kvadrātmētra, ko izdod virsma vai tilpums noteiktā virzienā. SI vienība ir vatss steradianā kvadrātmērā (W/sr/m2).
Apgaismojums vai radiācijas eksponēšana: radiācijas plūsma vienībai laukuma, kas ieiet uz virsmas vai iekšpusē. SI vienība ir vatss kvadrātmērā (W/m2) vai džouls kvadrātmērā (J/m2).
Radiācijas izlidošana vai emisija: radiācijas plūsma vienībai laukuma, ko izdod virsma vai iekšpusē. SI vienība ir vatss kvadrātmērā (W/m2).
Radiositāte: radiācijas izlidošana plus atspoguļots apgaismojums virsmai. SI vienība ir vatss kvadrātmērā (W/m2).
Fotometriskie lielumi ir līdzīgi radiometriskajiem lielumiem, bet tie sverēti pēc cilvēka acu jūtības dažādiem gaismas garumiem. Sverīšanas funkcija sauc par luminous efficacy funkciju, un tai ir maksimālā vērtība 683 lm/W pie 555 nm. Daži no fotometriskajiem lielumiem ir:
Luminous flux: radiācijas plūsma, kas sverēta pēc luminous efficacy funkcijas. SI vienība ir lumens (lm).
Luminous intensity: luminous flux vienībai steradiana, ko izdod punkta avots noteiktā virzienā. SI vienība ir candela (cd).
Luminance: luminous flux vienībai steradiana un kvadrātmēra, ko izdod virsma vai tilpums noteiktā virzienā. SI vienība ir candela kvadrātmērā (cd/m2).
Illuminance vai illuminance exposure: luminous flux vienībai laukuma, kas ieiet uz virsmas vai iekšpusē. SI vienība ir lux (lx) vai lumen sekunda kvadrātmērā (lm·s/m2).
Luminous exitance vai luminous emittance: luminous flux vienībai laukuma, ko izdod virsma vai iekšpusē. SI vienība ir lux (lx).
Luminosity: luminous exitance plus atspoguļots illuminance virsmai. SI vienība ir lux (lx).
