Aliran Cahaya: Panduan Lengkap
Arus pancaran adalah istilah yang menggambarkan jumlah tenaga pancaran yang dipancarkan, dipantulkan, ditransmisikan, atau diterima oleh objek per unit masa. Tenaga pancaran adalah tenaga yang dibawa oleh gelombang elektromagnetik, seperti cahaya, gelombang radio, gelombang mikro, inframerah, ultraviolet, dan sinar-X. Arus pancaran juga dikenali sebagai kuasa pancaran atau kuasa optik (dalam kes cahaya).
Arus pancaran adalah konsep penting dalam radiometri, yang merupakan sains pengukuran dan analisis radiasi elektromagnetik. Arus pancaran boleh digunakan untuk menentukan prestasi sumber cahaya, detektor, komponen optik, dan sistem. Ia juga boleh digunakan untuk mengira kuantiti radiometri lain, seperti intensiti pancaran, kecerahan, penerangan, emisi pancaran, dan radiosit.
Dalam artikel ini, kami akan menerangkan apa itu arus pancaran, bagaimana ia diukur dan dikira, bagaimana ia berkaitan dengan kuantiti radiometri dan fotometri lain, dan apa sahaja aplikasinya dan contoh-contohnya.
Apakah Arus Pancaran?
Arus pancaran didefinisikan sebagai kadar perubahan tenaga pancaran berkenaan dengan masa. Secara matematik, ia boleh dinyatakan sebagai:
Di mana:
Φe adalah arus pancaran dalam watt (W)
Qe adalah tenaga pancaran dalam joule (J)
t adalah masa dalam saat (s)
Tenaga pancaran adalah jumlah tenaga yang ditransfer oleh gelombang elektromagnetik melintasi permukaan atau dalam isipadu. Ia boleh dipancarkan oleh sumber (seperti lampu), dipantulkan oleh permukaan (seperti cermin), ditransmisikan melalui medium (seperti udara atau kaca), atau diserap oleh objek (seperti panel suria).
Arus pancaran boleh positif atau negatif bergantung pada arah aliran tenaga. Sebagai contoh, jika sumber cahaya memancarkan 10 W arus pancaran, ia bermaksud ia kehilangan 10 J tenaga per saat. Di sisi lain, jika detektor menerima 10 W arus pancaran, ia bermaksud ia mendapat 10 J tenaga per saat.
Arus pancaran bergantung pada panjang gelombang atau frekuensi radiasi elektromagnetik. Panjang gelombang yang berbeza mempunyai tenaga yang berbeza dan bertindak balas dengan zat secara berbeza. Sebagai contoh, cahaya terlihat mempunyai tenaga yang lebih tinggi daripada radiasi inframerah dan boleh dilihat oleh mata manusia. Radiasi ultraviolet mempunyai tenaga yang lebih tinggi daripada cahaya terlihat dan boleh menyebabkan sunburn dan kanser kulit.
Arus pancaran per unit panjang gelombang atau frekuensi dikenali sebagai arus spektral atau kuasa spektral. Ia boleh ditandakan sebagai Φe(λ) untuk panjang gelombang atau Φe(ν) untuk frekuensi. Arus pancaran total dalam julat panjang gelombang atau frekuensi boleh diperoleh dengan mengintegrasikan arus spektral:
Di mana:
λ adalah panjang gelombang dalam meter (m)
ν adalah frekuensi dalam hertz (Hz)
λ1 dan λ2 adalah had bawah dan atas julat panjang gelombang
ν1 dan ν2 adalah had bawah dan atas julat frekuensi
Bagaimana Arus Pancaran Diukur?
Arus pancaran boleh diukur menggunakan pelbagai jenis instrumen yang dipanggil radiometer. Radiometer terdiri daripada detektor yang menukar radiasi elektromagnetik menjadi isyarat elektrik dan peranti paparan yang menunjukkan atau merakam isyarat tersebut.
Detektor boleh berdasarkan prinsip yang berbeza, seperti kesan termal (contohnya, thermopile), kesan fotoelektrik (contohnya, photodiode), atau kesan kuantum (contohnya, photomultiplier tube). Detektor juga boleh mempunyai ciri-ciri yang berbeza, seperti sensitiviti, responsiviti, lineariti, julat dinamik, tahap bunyi, respons spektral, respons sudut, dan kalibrasi.
Peranti paparan boleh analog atau digital dan boleh menunjukkan unit ukuran yang berbeza, seperti watt, volt, ampere, atau hitungan. Peranti paparan juga boleh mempunyai ciri-ciri yang berbeza, seperti resolusi paparan, ketepatan, presisi, kestabilan, kadar sampel, dan penyimpanan data.
Beberapa contoh radiometer adalah:
Pyranometer: mengukur penerangan global suria (arus pancaran per unit kawasan dari matahari dan langit) pada permukaan mendatar
Pyrheliometer: mengukur penerangan langsung suria (arus pancaran per unit kawasan dari matahari sahaja) pada permukaan normal kepada matahari
Pyrgeometer: mengukur penerangan gelombang panjang (arus pancaran per unit kawasan dari radiasi inframerah) pada permukaan mendatar
Radiometer: mengukur arus pancaran dari mana-mana sumber atau arah
Spectroradiometer: mengukur arus spektral (arus pancaran per unit panjang gelombang atau frekuensi) dari mana-mana sumber atau arah
Photometer: mengukur fluks luminos (arus pancaran yang ditimbang oleh sensitiviti mata manusia) dari mana-mana sumber atau arah.
Bagaimana Arus Pancaran Dikira?
Arus pancaran boleh dikira menggunakan pelbagai formula dan model bergantung pada jenis dan geometri sumber, medium, dan penerima. Beberapa formula dan model yang biasa adalah:
Hukum Planck: mengira arus spektral badan hitam (objek ideal yang menyerap dan memancarkan semua panjang gelombang radiasi) pada suhu tertentu
Hukum Stefan-Boltzmann: mengira arus pancaran total badan hitam pada suhu tertentu
Hukum kosinus Lambert: mengira intensiti pancaran (arus pancaran per unit sudut pepejal) sumber lambertian (objek ideal yang memancarkan atau memantulkan radiasi secara sama rata ke segala arah) pada sudut tertentu
Hukum kuasa songsang: mengira penerangan (arus pancaran per unit kawasan) sumber titik (objek ideal yang memancarkan radiasi dari satu titik) pada jarak tertentu
Hukum Beer-Lambert: mengira penurunan (penurunan) arus pancaran apabila ia melalui medium yang menyerap
Persamaan Fresnel: mengira pantulan dan transmisi arus pancaran apabila ia bertemu antara dua media dengan indeks bias yang berbeza
Hukum Snell: mengira pembiasan (pelengkungan) arus pancaran apabila ia melalui dari satu medium ke medium lain dengan indeks bias yang berbeza
Penyebaran Rayleigh: mengira penyebaran (pengalihan) arus pancaran oleh partikel yang lebih kecil daripada panjang gelombang radiasi
Penyebaran Mie: mengira penyebaran arus pancaran oleh partikel yang setanding atau lebih besar daripada panjang gelombang radiasi
Bagaimana Arus Pancaran Berkaitan dengan Kuantiti Radiometri dan Fotometri Lain?
Arus pancaran adalah salah satu kuantiti radiometri asas yang boleh digunakan untuk menurunkan kuantiti radiometri dan fotometri lain. Beberapa kuantiti lain adalah:
Intensiti pancaran: arus pancaran per unit sudut pepejal yang dipancarkan oleh sumber titik dalam arah tertentu. Unit SI adalah watt per steradian (W/sr).
Kecerahan: arus pancaran per unit sudut pepejal per unit kawasan proyeksi yang dipancarkan oleh permukaan atau isipadu dalam arah tertentu. Unit SI adalah watt per steradian per meter persegi (W/sr/m2).
Penerangan atau ekspos penerangan: arus pancaran per unit kawasan yang insiden pada permukaan atau dalam isipadu. Unit SI adalah watt per meter persegi (W/m2) atau joule per meter persegi (J/m2).
Emisi pancaran atau emisi: arus pancaran per unit kawasan yang dipancarkan oleh permukaan atau dalam isipadu. Unit SI adalah watt per meter persegi (W/m2).
Radiosit: emisi pancaran tambah penerangan pantulan permukaan. Unit SI adalah watt per meter persegi (W/m2).
Kuantiti fotometri serupa dengan kuantiti radiometri, tetapi ia ditimbang oleh sensitiviti mata manusia terhadap panjang gelombang cahaya yang berbeza. Fungsi penimbangan dipanggil fungsi efikasi luminos, dan ia mempunyai nilai maksimum 683 lm/W pada 555 nm. Beberapa kuantiti fotometri adalah:
Fluks luminos: arus pancaran yang ditimbang oleh fungsi efikasi luminos. Unit SI adalah lumen (lm).
Intensiti luminos: fluks luminos per unit sudut pepejal yang dipancarkan oleh sumber titik dalam arah tertentu. Unit SI adalah candela (cd).
Luminans: fluks luminos per unit sudut pepejal per unit kawasan proyeksi yang dipancarkan oleh permukaan atau isipadu dalam arah tertentu. Unit SI adalah candela per meter persegi (cd/m2).
Penerangan atau ekspos penerangan: fluks luminos per unit kawasan yang insiden pada permukaan atau dalam isipadu. Unit SI adalah lux (lx) atau lumen saat per meter persegi (lm·s/m2).
Emisi luminos atau emisi luminos: fluks luminos per unit kawasan yang dipancarkan oleh permukaan atau dalam isipadu. Unit SI adalah lux (lx).
Luminosit: emisi luminos tambah penerangan pantulan permukaan. Unit SI adalah lux (lx).
Apakah Aplikasi dan Contoh Arus Pancaran?
Arus pancaran adalah kuantiti yang berguna untuk banyak aplikasi dan contoh yang melibatkan radiasi elektromagnetik. Beberapa di antaranya adalah:
Pencahayaan: arus pancaran boleh digunakan untuk mengukur dan membandingkan output dan kecekapan sumber cahaya yang berbeza, seperti incandescent, fluorescent, LED, atau laser. Ia juga boleh digunakan untuk merancang dan mengoptimumkan sistem pencahayaan untuk pelbagai tujuan, seperti pencahayaan dalaman, luaran, atau teater.
Tenaga suria: arus pancaran boleh digunakan untuk mengukur dan menganggarkan jumlah radiasi suria yang mencapai permukaan Bumi atau panel suria. Ia juga boleh digunakan untuk mengira kuasa dan hasil tenaga sel suria dan sistem.
Penderiaan jauh: arus pancaran boleh digunakan untuk mengukur dan menganalisis sifat dan ciri objek dan fenomena dari jarak jauh, seperti suhu, komposisi, vegetasi, pencemaran, cuaca, atau iklim. Ia juga boleh digunakan untuk membuat imej dan peta Bumi atau benda-benda angkasa lain menggunakan satelit atau teleskop.
Komunikasi optik: arus pancaran boleh digunakan untuk mengukur dan mengoptimumkan prestasi dan kapasiti sistem komunikasi optik, seperti fiber optik, free-space optics, atau wireless optik. Ia juga boleh digunakan untuk mengenkod dan mentransmisikan maklumat menggunakan teknik modulasi yang berbeza, seperti modulasi amplitudo, frekuensi, atau fasa.
Teknologi laser: arus pancaran boleh digunakan untuk mengukur dan mengawal output dan kualiti sinar laser, seperti kuasa, intensiti, divergensi, koheren, polarisasi, atau mod.
