Stralingsflux: Een Comprehensieve Gids

Stralingsflux is een term die de hoeveelheid stralingsenergie beschrijft die per tijdseenheid door een object wordt uitgezonden, weerspiegeld, doorgelaten of ontvangen. Stralingsenergie is de energie die wordt gedragen door elektromagnetische golven, zoals licht, radiogolven, microgolven, infrarood, ultraviolet en röntgenstraling. Stralingsflux wordt ook wel stralingsvermogen of optisch vermogen (in het geval van licht) genoemd.

Stralingsflux is een belangrijk concept in de radiometrie, de wetenschap die zich bezighoudt met het meten en analyseren van elektromagnetische straling. Stralingsflux kan worden gebruikt om de prestaties van lichtbronnen, detectoren, optische componenten en systemen te karakteriseren. Het kan ook worden gebruikt om andere radiometrische grootheden te berekenen, zoals stralingsintensiteit, straling, belichting, stralingsuitstraling en stralingswaarde.

In dit artikel zullen we uitleggen wat stralingsflux is, hoe deze wordt gemeten en berekend, hoe deze verband houdt met andere radiometrische en fotometrische grootheden, en wat enkele toepassingen en voorbeelden zijn.

Wat is Stralingsflux?

Stralingsflux wordt gedefinieerd als de snelheid waarmee de stralingsenergie verandert ten opzichte van de tijd. Wiskundig kan dit worden uitgedrukt als:

Waarbij:

• Φe is de stralingsflux in watt (W)

• Qe is de stralingsenergie in joules (J)

• t is de tijd in seconden (s)

Stralingsenergie is de totale hoeveelheid energie die door elektromagnetische golven over een oppervlak of binnen een volume wordt overgebracht. Het kan worden uitgezonden door een bron (zoals een gloeilamp), weerspiegeld door een oppervlak (zoals een spiegel), door een medium (zoals lucht of glas) worden doorgegeven, of door een object (zoals een zonnepaneel) worden geabsorbeerd.

Stralingsflux kan positief of negatief zijn, afhankelijk van de richting van de energieoverdracht. Bijvoorbeeld, als een lichtbron 10 W stralingsflux uitstraalt, betekent dit dat het 10 J energie per seconde verliest. Aan de andere kant, als een detector 10 W stralingsflux ontvangt, betekent dit dat het 10 J energie per seconde wint.

Stralingsflux hangt af van de golflengte of frequentie van de elektromagnetische straling. Verschillende golflengten hebben verschillende energieniveaus en interageren op verschillende manieren met materie. Bijvoorbeeld, zichtbaar licht heeft meer energie dan infraroodstraling en kan door mensen worden waargenomen. Ultraviolette straling heeft nog meer energie dan zichtbaar licht en kan zonnebrand en huidkanker veroorzaken.

De stralingsflux per eenheid golflengte of frequentie wordt spectrale flux of spectraal vermogen genoemd. Dit kan worden aangeduid als Φe(λ) voor golflengte of Φe(ν) voor frequentie. De totale stralingsflux over een bereik van golflengtes of frequenties kan worden verkregen door de spectrale flux te integreren:

Waarbij:

• λ is de golflengte in meters (m)

• ν is de frequentie in hertz (Hz)

• λ1 en λ2 zijn de onderste en bovenste grenzen van het golflengtebereik

• ν1 en ν2 zijn de onderste en bovenste grenzen van het frequentiebereik

Hoe wordt Stralingsflux Gemeten?

Stralingsflux kan worden gemeten met behulp van verschillende soorten instrumenten, radiometers genaamd. Een radiometer bestaat uit een detector die elektromagnetische straling omzet in een elektrisch signaal en een uitleesapparaat dat het signaal weergeeft of vastlegt.

De detector kan gebaseerd zijn op verschillende principes, zoals thermische effecten (bijv., thermopiel), foto-elektrische effecten (bijv., fotodiode) of kwantumeffecten (bijv., fotomultiplicatortube). De detector kan ook verschillende eigenschappen hebben, zoals gevoeligheid, responsiviteit, lineariteit, dynamisch bereik, ruisniveau, spectraal respons, hoekrespons en kalibratie.

Het uitleesapparaat kan analoog of digitaal zijn en kan verschillende meeteenheden weergeven, zoals watt, volt, ampère of tellen. Het uitleesapparaat kan ook verschillende functies hebben, zoals scherpte, nauwkeurigheid, precisie, stabiliteit, samplingfrequentie en gegevensopslag.

Enkele voorbeelden van radiometers zijn:

• Pyranometer: meet de globale zonnestraling (de stralingsflux per oppervlakte-eenheid van de zon en de hemel) op een horizontaal oppervlak

• Pyrheliometer: meet de directe zonnestraling (de stralingsflux per oppervlakte-eenheid van de zon alleen) op een oppervlak loodrecht op de zon

• Pyrgeometer: meet de lange golfstralingsflux (de stralingsflux per oppervlakte-eenheid van infraroodstraling) op een horizontaal oppervlak

• Radiometer: meet de stralingsflux van elke bron of richting

• Spectroradiometer: meet de spectrale flux (de stralingsflux per golflengte- of frequentie-eenheid) van elke bron of richting

• Fotometer: meet de lichtstroom (de stralingsflux gewogen door de gevoeligheid van het menselijk oog) van elke bron of richting.

Hoe wordt Stralingsflux Berekend?

Stralingsflux kan worden berekend met behulp van verschillende formules en modellen, afhankelijk van het type en de geometrie van de bron, het medium en de ontvanger. Enkele van de veelvoorkomende formules en modellen zijn:

• Plancks wet: berekent de spectrale flux van een zwarte straler (een idealiseerd object dat alle golflengten van straling absorbeert en uitstraalt) bij een bepaalde temperatuur

• Stefan-Boltzmann wet: berekent de totale stralingsflux van een zwarte straler bij een bepaalde temperatuur

• Lamberts cosinuswet: berekent de stralingsintensiteit (de stralingsflux per vaste hoek) van een lambertiaanse bron (een idealiseerd object dat straling gelijkmatig in alle richtingen uitstraalt of reflecteert) bij een bepaalde hoek

• Omgekeerde kwadratiewet: berekent de belichting (de stralingsflux per oppervlakte-eenheid) van een puntbron (een idealiseerd object dat straling vanaf één punt uitstraalt) op een bepaalde afstand

• Beer-Lambert wet: berekent de demping (de vermindering) van stralingsflux terwijl deze door een absorberend medium gaat

• Fresnel vergelijkingen: berekenen de reflectie en transmissie van stralingsflux bij een interface tussen twee media met verschillende brekingsindices

• Snells wet: berekent de refractie (het buigen) van stralingsflux terwijl deze van een medium naar een ander met verschillende brekingsindices gaat

• Rayleigh scattering: berekent het verspreiden (de heroriëntatie) van stralingsflux door deeltjes kleiner dan de golflengte van de straling

• Mie scattering: berekent het verspreiden van stralingsflux door deeltjes vergelijkbaar met of groter dan de golflengte van de straling

Hoe Verbindt Stralingsflux Zich met Andere Radiometrische en Fotometrische Grootheden?

Stralingsflux is een van de basisradiometrische grootheden die kan worden gebruikt om andere radiometrische en fotometrische grootheden af te leiden. Enkele van de andere grootheden zijn:

• Stralingsintensiteit: de stralingsflux per vaste hoek die door een puntbron in een bepaalde richting wordt uitgestraald. De SI-eenheid is watt per steradiaal (W/sr).

• Straling: de stralingsflux per vaste hoek per geprojecteerde oppervlakte die door een oppervlak of een volume in een bepaalde richting wordt uitgestraald. De SI-eenheid is watt per steradiaal per vierkante meter (W/sr/m²).

• Belichting of stralingsblootstelling: de stralingsflux per oppervlakte-eenheid die op een oppervlak of binnen een volume valt. De SI-eenheid is watt per vierkante meter (W/m²) of joule per vierkante meter (J/m²).

• Stralingsuitstraling of emissie: de stralingsflux per oppervlakte-eenheid die door een oppervlak of binnen een volume wordt uitgestraald. De SI-eenheid is watt per vierkante meter (W/m²).

• Stralingswaarde: de stralingsuitstraling plus de weerspiegelde belichting van een oppervlak. De SI-eenheid is watt per vierkante meter (W/m²).

Fotometrische grootheden zijn vergelijkbaar met radiometrische grootheden, maar ze zijn gewogen door de gevoeligheid van het menselijk oog voor verschillende golflengten van licht. De gewichtingsfunctie heet de lichtkrachtfunction, en deze heeft een maximale waarde van 683 lm/W bij 555 nm. Enkele fotometrische grootheden zijn:

• Lichtstroom: de stralingsflux gewogen door de lichtkrachtfunction. De SI-eenheid is lumen (lm).

• Lichtsterkte: de lichtstroom per vaste hoek die door een puntbron in een bepaalde richting wordt uitgestraald. De SI-eenheid is candela (cd).

• Lichtsterkte: de lichtstroom per vaste hoek per geprojecteerde oppervlakte die door een oppervlak of een volume in een bepaalde richting wordt uitgestraald. De SI-eenheid is candela per vierkante meter (cd/m²).

• Verlichting of belichtingsblootstelling: de lichtstroom per oppervlakte-eenheid die op een oppervlak of binnen een volume valt. De SI-eenheid is lux (lx) of lumen seconde per vierkante meter (lm·s/m²).

• Lichtuitstraling of lichtemissie: de lichtstroom per oppervlakte-eenheid die door een oppervlak of binnen een volume wordt uitgestraald. De SI-eenheid is lux (lx).

• Lichtwaarde: de lichtuitstraling plus de weerspiegelde verlichting van een oppervlak. De SI-eenheid is lux (lx).

Welke Toepassingen en Voorbeelden Zijn er van Stralingsflux?

Stralingsflux is een nuttige grootheid voor veel toepassingen en voorbeelden die betrekking hebben op elektromagnetische straling. Enkele daarvan zijn:

• Verlichting: stralingsflux kan worden gebruikt om de uitvoer en efficiëntie van verschillende types lichtbronnen te meten en te vergelijken, zoals gloeilampen, tl-buizen, LED's of lasers. Het kan ook worden gebruikt om verlichtingssystemen voor verschillende doeleinden te ontwerpen en optimaliseren, zoals binnenverlichting, buitenverlichting of toneelverlichting.

• Zonne-energie: stralingsflux kan worden gebruikt om de hoeveelheid zonne-energie te meten en te schatten die het aardoppervlak of een zonnepaneel bereikt. Het kan ook worden gebruikt om de vermogens- en energieproductie van zonnecellen en -systemen te berekenen.

• Afstandssensoriek: stralingsflux kan worden gebruikt om de eigenschappen en kenmerken van objecten en fenomenen op afstand te meten en te analyseren, zoals temperatuur, samenstelling, vegetatie, verontre