Strålefluks: En omfattende guide

Strålingsfluks er et begrep som beskriver mengden stråleenergi som utsendes, reflekteres, overføres eller mottas av et objekt per enhet tid. Stråleenergi er energien bært av elektromagnetiske bølger, som lys, radiobølger, mikrobølger, infrarødt, ultraviolett og røntgenstråler. Strålingsfluks kalles også for stråleeffekt eller optisk effekt (i tilfelle lys).

Strålingsfluks er et viktig konsept i radiometri, som er vitenskapen om måling og analyse av elektromagnetisk stråling. Strålingsfluks kan brukes til å karakterisere ytelsen til lyskilder, detektorer, optiske komponenter og systemer. Den kan også brukes til å beregne andre radiometriske størrelser, som stråleintensitet, strålingsintensitet, belysthet, stråleemittanse og stråling.

I denne artikkelen vil vi forklare hva strålingsfluks er, hvordan den måles og beregnes, hvordan den relatert til andre radiometriske og fotometriske størrelser, og hva noen av dens anvendelser og eksempler er.

Hva er Strålingsfluks?

Strålingsfluks defineres som endringen i stråleenergi med hensyn på tid. Matematisk kan det uttrykkes som:

Der:

• Φe er strålingsfluksen i watt (W)

• Qe er stråleenergien i joule (J)

• t er tiden i sekunder (s)

Stråleenergi er den totale mengden energi som overføres av elektromagnetiske bølger over en flate eller innenfor en volum. Den kan sendes ut av en kilde (som en lyspære), reflekteres av en overflate (som en speil), overføres gjennom et medium (som luft eller glass) eller absorbert av et objekt (som en solcelle).

Strålingsfluks kan være positiv eller negativ avhengig av retningen for energioverføring. For eksempel, hvis en lyskilde sender ut 10 W strålingsfluks, betyr det at den mister 10 J energi per sekund. På den andre siden, hvis en detektor mottar 10 W strålingsfluks, betyr det at den vinner 10 J energi per sekund.

Strålingsfluks avhenger av bølgelengden eller frekvensen av elektromagnetisk stråling. Forskjellige bølgelengder har forskjellige energier og interagerer ulikt med stoff. For eksempel har synlig lys høyere energi enn infrarødt stråling og kan ses av menneskelig øye. Ultraviolett stråling har enda høyere energi enn synlig lys og kan forårsake solbrann og hudkreft.

Strålingsfluks per enhet bølgelengde eller frekvens kalles spektral fluks eller spektral effekt. Det kan notas som Φe(λ) for bølgelengde eller Φe(ν) for frekvens. Total strålingsfluks over et område av bølgelengder eller frekvenser kan fås ved å integrere spektral fluks:

Der:

• λ er bølgelengden i meter (m)

• ν er frekvensen i hertz (Hz)

• λ1 og λ2 er nedre og øvre grensen for bølgelengdeberegningen

• ν1 og ν2 er nedre og øvre grensen for frekvensberegningen

Hvordan Måles Strålingsfluks?

Strålingsfluks kan måles ved hjelp av ulike typer instrumenter kalt radiometer. Et radiometer består av en detektor som konverterer elektromagnetisk stråling til et elektrisk signal, og et visningsenhetsutstyr som viser eller registrerer signalet.

Detektoren kan baseres på ulike prinsipper, som termiske effekter (f.eks. termopil), fotoelektriske effekter (f.eks. fotodiod) eller kvanteeffekter (f.eks. fotomultiplikatorrør). Detektoren kan også ha ulike egenskaper, som sensitivitet, responsivitet, linearitet, dynamisk rekkevidde, støy nivå, spektral respons, vinkelrespons og kalibrering.

Visningsenheten kan være analog eller digital og kan vise ulike måleenheter, som watt, volt, amper eller antall. Visningsenheten kan også ha ulike funksjoner, som skjermoppløsning, nøyaktighet, presisjon, stabilitet, samplingsfrekvens og data lagring.

Noen eksempler på radiometer er:

• Pyranometer: måler global solstråling (strålingsfluks per enhet areal fra solen og himmelen) på en horisontal flate

• Pyrheliometer: måler direkte solstråling (strålingsfluks per enhet areal fra solen alene) på en flate normal til solen

• Pyrgeometer: måler langbølgestråling (strålingsfluks per enhet areal fra infrarødt stråling) på en horisontal flate

• Radiometer: måler strålingsfluks fra enhver kilde eller retning

• Spectroradiometer: måler spektral fluks (strålingsfluks per enhet bølgelengde eller frekvens) fra enhver kilde eller retning

• Fotometer: måler lysfluks (strålingsfluks vekted etter menneskelig øyes følsomhet) fra enhver kilde eller retning.

Hvordan Beregnes Strålingsfluks?

Strålingsfluks kan beregnes ved hjelp av ulike formler og modeller avhengig av typen og geometrien av kilden, mediumet og mottakeren. Noen av de vanlige formlene og modellene er:

• Plancks lov: beregner spektral fluks av en svart stråler (et idealisert objekt som absorberer og emitterer alle bølgelengder av stråling) ved en gitt temperatur

• Stefan-Boltzmanns lov: beregner total strålingsfluks av en svart stråler ved en gitt temperatur

• Lamberts kosinuslov: beregner stråleintensiteten (strålingsfluks per enhet solid vinkel) av en lambertsk kilde (et idealisert objekt som emitterer eller reflekterer stråling likt i alle retninger) ved en gitt vinkel

• Omvendte kvadratloven: beregner belystheten (strålingsfluks per enhet areal) av en punktkilde (et idealisert objekt som emitterer stråling fra et enkelt punkt) ved en gitt avstand

• Beer-Lamberts lov: beregner dempingen (redusering) av strålingsfluks som passerer gjennom et absorbentermedium

• Fresnels ligninger: beregner refleksjon og transmisjon av strålingsfluks når den møter en grenseflate mellom to media med ulike brytningsindekser

• Snells lov: beregner brekkningen (bøyingen) av strålingsfluks når den passerer fra et medium til et annet med ulike brytningsindekser

• Rayleigh-skattering: beregner skattering (omretting) av strålingsfluks av partikler mindre enn bølgelengden av strålingen

• Mie-skattering: beregner skattering av strålingsfluks av partikler sammenlignbare med eller større enn bølgelengden av strålingen

Hvordan Relaterer Strålingsfluks Seg til Andre Radiometriske og Fotometriske Størrelser?

Strålingsfluks er en av de grunnleggende radiometriske størrelsene som kan brukes til å utlede andre radiometriske og fotometriske størrelser. Noen av de andre størrelsene er:

• Stråleintensitet: strålingsfluks per enhet solid vinkel sendt ut av en punktkilde i en gitt retning. SI-enheten er watt per steradian (W/sr).

• Strålingsintensitet: strålingsfluks per enhet solid vinkel per enhet projisert areal sendt ut av en flate eller et volum i en gitt retning. SI-enheten er watt per steradian per kvadratmeter (W/sr/m2).

• Belysthet eller strålingsbelysthet: strålingsfluks per enhet areal innfallende på en flate eller innenfor et volum. SI-enheten er watt per kvadratmeter (W/m2) eller joule per kvadratmeter (J/m2).

• Stråleemittanse eller emittanse: strålingsfluks per enhet areal sendt ut av en flate eller innenfor et volum. SI-enheten er watt per kvadratmeter (W/m2).

• Stråling: stråleemittanse pluss reflektert belysthet av en flate. SI-enheten er watt per kvadratmeter (W/m2).

Fotometriske størrelser er liknende radiometriske størrelser, men de veies av menneskelig øyes følsomhet for ulike bølgelengder av lys. Vektingsfunksjonen kalles lyskraftfunksjonen, og den har maksimal verdi på 683 lm/W ved 555 nm. Noen av de fotometriske størrelsene er:

• Lysfluks: strålingsfluks vekted ved lyskraftfunksjonen. SI-enheten er lumen (lm).

• Lysintensitet: lysfluks per enhet solid vinkel sendt ut av en punktkilde i en gitt retning. SI-enheten er candela (cd).

• Lysstyrke: lysfluks per enhet solid vinkel per enhet projisert areal sendt ut av en flate eller et volum i en gitt retning. SI-enheten er candela per kvadratmeter (cd/m2).

• Belysthet eller belysthet eksponering: lysfluks per enhet areal innfallende på en flate eller innenfor et volum. SI-enheten er lux (lx) eller lumen sekund per kvadratmeter (lm·s/m2).

• Lysemittanse eller lys emittanse: lysfluks per enhet areal sendt ut av en flate eller innenfor et volum. SI-enheten er lux (lx).

• Lysstyrke: lysemittanse pluss reflektert belysthet av en flate. SI-enheten er lux (lx).

Hva er Nogle Anvendelser og Eksempler på Strålingsfluks?

Strålingsfluks er en nyttig størrelse for mange anvendelser og eksempler som involverer elektromagnetisk stråling. Noen av dem er:

• Belysning: strålingsfluks kan brukes til å måle og sammenligne output og effektivitet av ulike typer lyskilder, som glødetråd, fluorescent, LED eller laser. Den kan også brukes til å designe og optimere belysningsystemer for ulike formål, som innendørs, utendørs eller teaterbelysning.

• Solenergi: strålingsfluks kan brukes til å måle og estimere mengden solstråling som når jordoverflaten eller en solcelle. Den kan også brukes til å beregne effekten og energioutputet av solceller og systemer.

• Fjerntjeneste: strålingsfluks kan brukes til å måle og analysere egenskapene og karakteristikkene til objekter og fenomener på avstand, som temperatur, sammensetning, vegetasjon, forurensning, vær eller klima. Den kan også brukes til å lage bilder og kart av jorden eller andre himmellegemer ved hjelp av satellitter eller teleskop.

• Optisk kommunikasjon: strålingsfluks kan brukes til å måle og optimere ytelsen og kapasiteten til optiske kommunikasjonssystemer, som