Mfukoni wa Mzunguko: Uongozaji Wazi

Upeo wa nishati ni mada inayoelezeka kwa kutaja jumla ya nishati ya mwanga ambayo inatoka, inapungua, inatengenezwa, au inapokea na chombo kila dakika. Nishati ya mwanga ni nishati inayomkosekana na maambukizi ya elektromagnetiki, kama vile mwanga, radiowaves, mikrowaves, infrared, ultraviolet, na X-rays. Upeo wa nishati unatafsiriwa pia kama nguvu ya mwanga au nguvu ya mwanga (kwa kifupi).

Upeo wa nishati ni mada muhimu katika sayansi ya uchanganuzi na utafiti wa maambukizi ya elektromagnetiki. Upeo wa nishati unaweza kutumika kufanya uchanganuzi wa ufanisi wa vyanzo vya mwanga, vitufe, vifaa vya mwanga, na mifumo. Unaweza pia kutumika kwenye hesabu za viwango vingine vya uchanganuzi, kama vile upeo wa nishati, umeme, uwanja wa mwanga, ufanisi wa mwanga, na ufanisi wa mwanga.

Katika makala hii, tutaelezea kuhusu upeo wa nishati, jinsi anavyohesabiwa na anavyotathmini, jinsi anavyohusiana na viwango vingine vya uchanganuzi na photometric, na kwa mfano mazoezi na mifano yake.

Kuhusu Upeo wa Nishati

Upeo wa nishati unaelezwa kama haraka ya mabadiliko ya nishati ya mwanga kulingana na muda. Kwa hisabati, unaweza kutafsiriwa kama:

Hapa:

• Φe ni upeo wa nishati kwa watts (W)

• Qe ni nishati ya mwanga kwa joules (J)

• t ni muda kwa sekunde (s)

Nishati ya mwanga ni jumla kamili ya nishati inayokidhiwa na maambukizi ya elektromagnetiki kwenye sivyo au ndani ya mizigo. Inaweza kutoka kwa chanzo (kama chanzo cha mwanga), kupungua kwa sivyo (kama darakasi), kutengeneza kwa njia (kama hewa au gilasi), au kukutwa na chombo (kama solar panel).

Upeo wa nishati unaweza kuwa chanya au hasi kulingana na mwelekeo wa kutokana na nishati. Kwa mfano, ikiwa chanzo cha mwanga kinatoka 10 W ya upeo wa nishati, inamaanisha kwamba kinafuta 10 J ya nishati kila sekunde. Kwa upande mwingine, ikiwa tufu anapokea 10 W ya upeo wa nishati, inamaanisha kwamba anakusanya 10 J ya nishati kila sekunde.

Upeo wa nishati unategemea na urefu au sauti ya maambukizi ya elektromagnetiki. Vigelegele vya urefu vinahitaji nishati tofauti na vinajihusiana tofauti na mazingira. Kwa mfano, mwanga unaoonekana una nishati zaidi kuliko infrared radiation na inaweza kuonekana na macho ya binadamu. Ultraviolet radiation una nishati zaidi kuliko mwanga unaoonekana na unaweza kusababisha sunburn na saratani ya ngozi.

Upeo wa nishati kwa urefu au sauti ya wavelength unatafsiriwa kama spectral flux au spectral power. Inaweza kutambuliwa kama Φe(λ) kwa wavelength au Φe(ν) kwa frequency. Jumla kamili ya upeo wa nishati kwenye mstari wa wavelengths au frequencies inaweza kupata kwa kutumia integral ya spectral flux:

Hapa:

• λ ni wavelength kwa mita (m)

• ν ni frequency kwa hertz (Hz)

• λ1 na λ2 ni mizingo ya chini na juu ya mstari wa wavelength

• ν1 na ν2 ni mizingo ya chini na juu ya mstari wa frequency

Jinsi Upeo wa Nishati Anatumika?

Upeo wa nishati unaweza kutathmini kwa kutumia aina mbalimbali za vifaa vilivyotajwa radiometers. Radiometer unajumuisha tufu unayobadilisha maambukizi ya elektromagnetiki kwa ishara ya umeme na kitufe kilichoonyesha au kuhifadhi ishara hiyo.

Tufu unaweza kuwa na misemo tofauti, kama vile athari za moto (kama thermopile), athari za photoelectric (kama photodiode), au athari za quantum (kama photomultiplier tube). Tufu unaweza pia kuwa na sifa tofauti, kama vile ukubwa, responsivity, linearity, range, noise level, spectral response, angular response, na calibration.

Kitufe kilichoonyesha unaweza kuwa analog au digital na unaweza kuonyesha vipimo tofauti, kama volts, amperes, au counts. Kitufe kilichoonyesha unaweza pia kuwa na sifa tofauti, kama display resolution, accuracy, precision, stability, sampling rate, na data storage.

Mifano ya radiometers ni:

• Pyranometer: anatathmini global solar irradiance (upeo wa nishati kwa unit area kutoka jua na anga) kwenye sivyo horizontal

• Pyrheliometer: anatathmini direct solar irradiance (upeo wa nishati kwa unit area kutoka jua tu) kwenye sivyo normal kwa jua

• Pyrgeometer: anatathmini longwave irradiance (upeo wa nishati kwa unit area kutoka infrared radiation) kwenye sivyo horizontal

• Radiometer: anatathmini upeo wa nishati kutoka chochote chanzo au mwelekeo

• Spectroradiometer: anatathmini spectral flux (upeo wa nishati kwa unit wavelength au frequency) kutoka chochote chanzo au mwelekeo

• Photometer: anatathmini luminous flux (upeo wa nishati uliyotolewa na sensitivity ya macho ya binadamu) kutoka chochote chanzo au mwelekeo.

Jinsi Upeo wa Nishati Anahesabiwa?

Upeo wa nishati unaweza kutathmini kwa kutumia aina mbalimbali za formula na models kulingana na aina na geometry ya chanzo, medium, na tufu. Baadhi ya formulas na models za mapema ni:

• Planck’s law: anahesabi spectral flux ya black body (object idealized inayotengeneza na inakusanya wazi wote wa maambukizi) kwa temperature moja

• Stefan-Boltzmann law: anahesabi total radiant flux ya black body kwa temperature moja

• Lambert’s cosine law: anahesabi radiant intensity (upeo wa nishati kwa unit solid angle) ya lambertian source (object idealized inayotengeneza au kurudi maambukizi sawa sawa kwa mwelekeo wote) kwa angle moja

• Inverse-square law: anahesabi irradiance (upeo wa nishati kwa unit area) ya point source (object idealized inayotengeneza maambukizi kutoka kitu moja tu) kwa umbali moja

• Beer-Lambert law: anahesabi attenuation (reduction) ya upeo wa nishati kama itapita kwenye medium inayokutengeneza

• Fresnel equations: anahesabi reflection and transmission ya upeo wa nishati kama itakuwa na interface kati ya media mbili na refractive indices tofauti

• Snell’s law: anahesabi refraction (bending) ya upeo wa nishati kama itapita kutoka medium moja hadi nyingine na refractive indices tofauti

• Rayleigh scattering: anahesabi scattering (redirection) ya upeo wa nishati na particles ndogo zaidi kuliko wavelength ya maambukizi

• Mie scattering: anahesabi scattering ya upeo wa nishati na particles sawa na au kubwa kuliko wavelength ya maambukizi

Jinsi Upeo wa Nishati Hunahusiana Na Viwango Vingine Vya Uchanganuzi na Photometric?

Upeo wa nishati ni moja ya viwango vya uchanganuzi vya msingi ambavyo vinaweza kutumiwa kutathmini viwango vingine vya uchanganuzi na photometric. Baadhi ya viwango vingine ni:

• Radiant intensity: upeo wa nishati kwa unit solid angle unayotoka kutoka point source kwenye mwelekeo fulani. SI unit ni watt per steradian (W/sr).

• Radiance: upeo wa nishati kwa unit solid angle kwa unit projected area unayotoka kutoka surface au volume kwenye mwelekeo fulani. SI unit ni watt per steradian per square meter (W/sr/m2).

• Irradiance or radiant exposure: upeo wa nishati kwa unit area unayotoka kwenye surface au ndani ya volume. SI unit ni watt per square meter (W/m2) au joule per square meter (J/m2).

• Radiant exitance or emittance: upeo wa nishati kwa unit area unayotoka kutoka surface au ndani ya volume. SI unit ni watt per square meter (W/m2).

• Radiosity: radiant exitance plus reflected irradiance ya surface. SI unit ni watt per square meter (W/m2).

Viwango vya photometric ni sawa na viwango vya uchanganuzi, lakini vinaweza kutathmini kwa sensitivity ya macho ya binadamu kwa wavelengths tofauti za mwanga. Function ya weighting inatafsiriwa kama luminous efficacy function, na ina thamani ya maximum ya 683 lm/W kwenye 555 nm. Baadhi ya viwango vya photometric ni:

• Luminous flux: upeo wa nishati uliyotolewa na luminous efficacy function. SI unit ni lumen (lm).

• Luminous intensity: luminous flux kwa unit solid angle unayotoka kutoka point source kwenye mwelekeo fulani. SI unit ni candela (cd).

• Luminance: luminous flux kwa unit solid angle kwa unit projected area unayotoka kutoka surface au volume kwenye mwelekeo fulani. SI unit ni candela per square meter (cd/m2).

• Illuminance or illuminance exposure: luminous flux kwa unit area unayotoka kwenye surface au ndani ya volume. SI unit ni lux (lx) au lumen second per square meter (lm·s/m2).

• Luminous exitance or luminous emittance: luminous flux kwa unit area unayotoka kutoka surface au ndani ya volume. SI unit ni lux (lx).

• Luminosity: luminous exitance plus reflected illuminance ya surface. SI unit ni lux (lx).

Mazoezi na Mifano ya Upeo wa Nishati

Upeo wa nishati ni mada muhimu kwa mazoezi mengi na mifano za electromagnetic radiation. Baadhi yake ni:

• Lighting: upeo wa nishati unaweza kutumika kuthibitisha na kulinganisha output na efficiency ya aina mbalimbali za vyanzo vya mwanga, kama vile incandescent, fluorescent, LED, au laser. Unaweza pia kutumika kujenga na kutengeneza mifumo ya mwanga kwa matumizi tofauti, kama vile indoor, outdoor, au theatrical lighting.

• Solar energy: upeo wa nishati unaweza kutumika kuthibitisha na kuhesabia jumla ya solar radiation ambayo inafika kwenye uso wa dunia au solar panel. Unaweza pia kutumika kuhesabia nguvu na nishati output ya solar cells na mifumo.

• Remote sensing: upeo wa nishati unaweza kutumika kuthibitisha na kuchanganulia sifa na characteristics za vitu na viwango kutoka