Strålförflöde: En omfattande guide

Strålförflutet är en term som beskriver mängden strålande energi som utstrålas, reflekteras, transmitts eller tas emot av ett objekt per tidsenhet. Strålande energi är energin som bärande elektromagnetiska vågor, såsom ljus, radiovygor, mikrovågor, infraröd, ultraviolett och röntgenstrålning. Strålförflutet kallas också för strålande effekt eller optisk effekt (i fallet med ljus).

Strålförflutet är ett viktigt begrepp inom radiometri, vilket är vetenskapen om att mäta och analysera elektromagnetisk strålning. Strålförflutet kan användas för att karakterisera prestandan hos ljuskällor, detektorer, optiska komponenter och system. Det kan också användas för att beräkna andra radiometriska storheter, såsom strålande intensitet, strålighet, strålningsintensitet, strålande emittans och strålningsförmåga.

I denna artikel kommer vi att förklara vad strålförflutet är, hur det mäts och beräknas, hur det hänger ihop med andra radiometriska och fotometriska storheter, och vilka några av dess tillämpningar och exempel är.

Vad är strålförflutet?

Strålförflutet definieras som den hastighet med vilken strålande energi ändras med avseende på tid. Matematiskt kan det uttryckas som:

Där:

• Φe är strålförflutet i watt (W)

• Qe är strålande energi i joule (J)

• t är tiden i sekunder (s)

Strålande energi är den totala mängden energi som överförs av elektromagnetiska vågor över en yta eller inuti ett volym. Den kan utstrålas av en källa (som en glödlampa), reflekteras av en yta (som en spegel), transmitts genom ett medium (som luft eller glas) eller absorberas av ett objekt (som en solcell).

Strålförflutet kan vara positivt eller negativt beroende på energiöverföringens riktning. Till exempel, om en ljuskälla utstrålar 10 W strålförflutet, innebär det att den förlorar 10 J energi per sekund. Å andra sidan, om en detektor tar emot 10 W strålförflutet, innebär det att den vinner 10 J energi per sekund.

Strålförflutet beror på våglängden eller frekvensen av elektromagnetisk strålning. Olika våglängder har olika energier och interagerar på olika sätt med materia. Till exempel har synligt ljus högre energi än infraröd strålning och kan ses av människögon. Ultraviolett strålning har ännu högre energi än synligt ljus och kan orsaka solbränna och hudcancer.

Strålförflutet per enhetsvåglängd eller frekvens kallas för spektralt förflutet eller spektral effekt. Det kan betecknas som Φe(λ) för våglängd eller Φe(ν) för frekvens. Det totala strålförflutet över ett våglängds- eller frekvensintervall kan erhållas genom att integrera det spektrala förflutet:

Där:

• λ är våglängden i meter (m)

• ν är frekvensen i hertz (Hz)

• λ1 och λ2 är de nedre och övre gränserna för våglängdsintervallet

• ν1 och ν2 är de nedre och övre gränserna för frekvensintervallet

Hur mäts strålförflutet?

Strålförflutet kan mätas med hjälp av olika typer av instrument som kallas radiometer. En radiometer består av en detektor som konverterar elektromagnetisk strålning till ett elektriskt signal och en visningsenhet som visar eller registrerar signalen.

Detektorn kan baseras på olika principer, som termiska effekter (t.ex. termopil), fotoelektriska effekter (t.ex. fotodiod) eller kvanteffekter (t.ex. fotomultiplikatorrör). Detektorn kan också ha olika egenskaper, som känslighet, responsivitet, linjäritet, dynamiskt område, brusnivå, spektral respons, vinkellagd respons och kalibrering.

Visningsenheten kan vara analog eller digital och kan visa olika måttenheter, som watt, volt, ampere eller antal. Visningsenheten kan också ha olika funktioner, som upplösning, precision, stabilitet, provtagningsfrekvens och datalagring.

Några exempel på radiometer är:

• Pyranometer: mäter global solirradiation (strålförflutet per enhetsarea från solen och himlen) på en horisontell yta

• Pyrheliometer: mäter direkt solirradiation (strålförflutet per enhetsarea från solen endast) på en yta normal mot solen

• Pyrgeometer: mäter långvågsirradiation (strålförflutet per enhetsarea från infraröd strålning) på en horisontell yta

• Radiometer: mäter strålförflutet från valfri källa eller riktning

• Spektroradiometer: mäter spektralt förflutet (strålförflutet per enhetsvåglängd eller frekvens) från valfri källa eller riktning

• Fotometer: mäter ljusflöde (strålförflutet vägt med mänsklig ögas känslighet) från valfri källa eller riktning.

Hur beräknas strålförflutet?

Strålförflutet kan beräknas med hjälp av olika formler och modeller beroende på typ och geometri av källan, medium och mottagare. Några av de vanliga formlerna och modellerna är:

• Plancks lag: beräknar det spektrala förflutet av en svart kropp (ett idealiserat objekt som absorberar och utstrålar alla våglängder av strålning) vid en given temperatur

• Stefan-Boltzmanns lag: beräknar det totala strålförflutet av en svart kropp vid en given temperatur

• Lamberts kosinuslag: beräknar strålande intensiteten (strålförflutet per enhetssolidvinkel) av en lambertskälla (ett idealiserat objekt som utstrålar eller reflekterar strålning lika i alla riktningar) vid en given vinkel

• Inverskvadratlagen: beräknar strålningsintensiteten (strålförflutet per enhetsarea) av en punktkälla (ett idealiserat objekt som utstrålar strålning från en enskild punkt) vid en given avstånd

• Beer-Lamberts lag: beräknar dämpningen (minskningen) av strålförflutet när det passerar genom ett absorberande medium

• Fresnels ekvationer: beräknar reflektionen och transmissionen av strålförflutet när det möter ett gränssnitt mellan två medier med olika brytningsindex

• Snells lag: beräknar refraktionen (bukningen) av strålförflutet när det passerar från ett medium till ett annat med olika brytningsindex

• Rayleigh-skattering: beräknar skatteringen (omdirigeringen) av strålförflutet av partiklar som är mindre än våglängden av strålningen

• Mie-skattering: beräknar skatteringen av strålförflutet av partiklar som är jämförbara med eller större än våglängden av strålningen

Hur hänger strålförflutet ihop med andra radiometriska och fotometriska storheter?

Strålförflutet är en av de grundläggande radiometriska storheterna som kan användas för att härleda andra radiometriska och fotometriska storheter. Några av de andra storheterna är:

• Strålande intensitet: strålförflutet per enhetssolidvinkel utstrålad av en punktkälla i en given riktning. SI-enheten är watt per steradian (W/sr).

• Strålighet: strålförflutet per enhetssolidvinkel per enhetsprojicerad area utstrålad av en yta eller ett volym i en given riktning. SI-enheten är watt per steradian per kvadratmeter (W/sr/m2).

• Strålningsintensitet eller strålande exponering: strålförflutet per enhetsarea incident på en yta eller inuti ett volym. SI-enheten är watt per kvadratmeter (W/m2) eller joule per kvadratmeter (J/m2).

• Strålande emittans eller emittans: strålförflutet per enhetsarea utstrålad av en yta eller inuti ett volym. SI-enheten är watt per kvadratmeter (W/m2).

• Strålighetsförmåga: strålande emittans plus den reflekterade strålningsintensiteten av en yta. SI-enheten är watt per kvadratmeter (W/m2).

Fotometriska storheter är liknande med radiometriska storheter, men de vägs av mänsklig ögas känslighet för olika våglängder av ljus. Vägningfunktionen kallas luminösa effektivitetsfunktion, och den har ett maximalt värde av 683 lm/W vid 555 nm. Några av de fotometriska storheterna är:

• Ljusflöde: strålförflutet vägt med luminösa effektivitetsfunktionen. SI-enheten är lumen (lm).

• Luminös intensitet: ljusflödet per enhetssolidvinkel utstrålad av en punktkälla i en given riktning. SI-enheten är candela (cd).

• Ljusstyrka: ljusflödet per enhetssolidvinkel per enhetsprojicerad area utstrålad av en yta eller ett volym i en given riktning. SI-enheten är candela per kvadratmeter (cd/m2).

• Belysningsstyrka eller belysningsexponering: ljusflödet per enhetsarea incident på en yta eller inuti ett volym. SI-enheten är lux (lx) eller lumen sekund per kvadratmeter (lm·s/m2).

• Ljusexittans eller ljusemittans: ljusflödet per enhetsarea utstrålad av en yta eller inuti ett volym. SI-enheten är lux (lx).

• Ljusstyrka: ljusexittans plus den reflekterade belysningsstyrkan av en yta. SI-enheten är lux (lx).

Vilka är några tillämpningar och exempel på strålförflutet?

Strålförflutet är en användbar storhet för många tillämpningar och exempel som involverar elektromagnetisk strålning. Några av dem är:

• Belysning: strålförflutet kan användas för att mäta och jämföra utmatningen och effektiviteten hos olika typer av ljuskällor, såsom glödlampor, fluorescentlampor, LED-lampor eller laser. Det kan också användas för att designa och optimera belysningsystem för olika ändamål, som inomhus-, utomhus- eller teaterbelysning.

• Solenergi: strålförflutet kan användas för att mäta och uppskatta mängden solstrålning som når jordytan eller en solpanel. Det kan också användas för att beräkna effekten och energi