Лучистая энергия
В физике и, в частности, при измерении с помощью радиометрии , лучистая энергия — это энергия электромагнитного излучения. [1] и гравитационное излучение . Что касается энергии, ее единицей в системе СИ является джоуль (Дж). Количество лучистой энергии можно рассчитать путем интегрирования лучистого потока (или мощности ) по времени . Символ Q e часто используется в литературе для обозначения лучистой энергии («e» означает «энергетический», чтобы избежать путаницы с фотометрическими величинами). кроме радиометрии, электромагнитная энергия обозначается с помощью E или W. В других разделах физики , Этот термин используется, в частности, когда источник излучает электромагнитное излучение в окружающую среду. Это излучение может быть видимым или невидимым для человеческого глаза. [2] [3]
терминологии история и Использование
Термин «лучистая энергия» чаще всего используется в областях радиометрии , солнечной энергии , отопления и освещения , но также иногда используется и в других областях (например, в телекоммуникациях ). В современных приложениях, связанных с передачей энергии из одного места в другое, «энергия излучения» иногда используется для обозначения самих электромагнитных волн , а не их энергии (свойства волн). В прошлом также использовался термин «электрорадиационная энергия». [4]
Термин «лучистая энергия» также применим к гравитационному излучению . [5] [6] Например, первые когда-либо наблюдавшиеся гравитационные волны были созданы в результате столкновения черной дыры, испускавшего около 5,3 × 10 47 джоули гравитационно-волновой энергии. [7]
Анализ [ править ]
Поскольку электромагнитное (ЭМ) излучение можно представить как поток фотонов , лучистую энергию можно рассматривать как энергию фотонов – энергию, переносимую этими фотонами. Альтернативно, ЭМ-излучение можно рассматривать как электромагнитную волну, которая несет энергию в своих колеблющихся электрических и магнитных полях. Эти два взгляда совершенно эквивалентны и примиряются друг с другом в квантовой теории поля (см. корпускулярно-волновой дуализм ). [ нужна ссылка ]
ЭМ излучение может иметь различные частоты . Полосы частот, присутствующие в данном электромагнитном сигнале, могут быть четко выраженными, как это видно в атомных спектрах , или могут быть широкими, как в излучении черного тела . В картине частиц энергия, переносимая каждым фотоном, пропорциональна его частоте. В волновой картине энергия монохроматической волны пропорциональна ее интенсивности [ нужна ссылка ] . Это означает, что если две ЭМ волны имеют одинаковую интенсивность, но разные частоты, то волна с более высокой частотой «содержит» меньше фотонов, поскольку каждый фотон более энергичен.
Когда электромагнитные волны поглощаются объектом, энергия волн преобразуется в тепло (или в электричество в случае фотоэлектрического материала). Это очень знакомый эффект, поскольку солнечный свет нагревает поверхности, которые он освещает. Часто это явление связано именно с инфракрасным излучением, но любой вид электромагнитного излучения нагревает поглощающий его объект. ЭМ волны также могут отражаться или рассеиваться , и в этом случае их энергия также перенаправляется или перераспределяется.
Открытые системы [ править ]
Лучистая энергия — один из механизмов, с помощью которого энергия может проникать в открытую систему или выходить из нее . [8] [9] [10] Такая система может быть искусственной, например, коллектор солнечной энергии , или естественной, например, атмосфера Земли . В геофизике большинство атмосферных газов, включая парниковые газы , позволяют коротковолновой лучистой энергии Солнца проходить к поверхности Земли, нагревая землю и океаны. Поглощенная солнечная энергия частично переизлучается в виде более длинноволнового излучения (главным образом инфракрасного излучения), часть которого поглощается атмосферными парниковыми газами. Лучистая энергия вырабатывается на Солнце в результате ядерного синтеза . [11]
Приложения [ править ]
Лучистая энергия используется для лучистого отопления . [12] Он может генерироваться электрически с помощью инфракрасных ламп или поглощаться солнечным светом и использоваться для нагрева воды. Тепловая энергия излучается теплым элементом (полом, стеной, потолочной панелью) и согревает людей и другие предметы в помещениях, а не нагревает непосредственно воздух. Из-за этого температура воздуха может быть ниже, чем в традиционно отапливаемом здании, хотя помещение кажется таким же комфортным.
Были разработаны различные другие применения лучистой энергии. [13] К ним относятся обработка и проверка, разделение и сортировка, средства контроля и средства связи. Многие из этих приложений включают источник лучистой энергии и детектор, который реагирует на это излучение и выдает сигнал, отражающий некоторые характеристики излучения. Детекторы лучистой энергии реагируют на падающую лучистую энергию либо в виде увеличения или уменьшения электрического потенциала или тока , либо в виде какого-либо другого ощутимого изменения, такого как экспонирование фотопленки .
Единицы радиометрии СИ [ править ]
| Количество | Единица | Измерение | Примечания | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Имя | Символ [номер 1] | Имя | Символ | ||
| Лучистая энергия | Вопрос е [номер 2] | джоуль | Дж | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Энергия электромагнитного излучения. |
| Плотность лучистой энергии | мы | Джоуль на кубический метр | Дж/м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | Лучистая энергия на единицу объема. |
| Лучистый поток | Φ е [номер 2] | ватт | Вт = Дж/с | M ⋅ L 2 ⋅ T −3 | Лучистая энергия, излучаемая, отражаемая, передаваемая или принимаемая в единицу времени. Иногда ее также называют «силой излучения» и в астрономии называют светимостью . |
| Спектральный поток | Ф е, н [номер 3] | ватт на герц | Вт/ Гц | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Лучистый поток на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅нм. −1 . |
| Ф е, л [номер 4] | ватт на метр | Вт/м | M ⋅ L ⋅ T −3 | ||
| Интенсивность излучения | Для него Ом [номер 5] | ватты на стерадиан | с сэром | M ⋅ L 2 ⋅ T −3 | Лучистый поток, излучаемый, отраженный, передаваемый или принимаемый, на единицу телесного угла. Это направленная величина. |
| Спектральная интенсивность | To e, Ω, ν [номер 3] | ватты на стерадиан на герц | W⋅sr −1 ⋅Hz −1 | M ⋅ L 2 ⋅ T −2 | Интенсивность излучения на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в W⋅sr. −1 ⋅nm −1 . Это направленная величина. |
| Чтобы е, Ω, λ [номер 4] | ватт на стерадиан на метр | W⋅sr −1 ⋅m −1 | M ⋅ L ⋅ T −3 | ||
| Сияние | L e,Ом [номер 5] | ватт на стерадиан на квадратный метр | W⋅sr −1 ⋅m −2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток, излучаемый, отражаемый, передаваемый или принимаемый поверхностью , на единицу телесного угла на единицу проецируемой площади. Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». |
| Спектральное сияние Удельная интенсивность | Л е, О, н [номер 3] | ватт на стерадиан на квадратный метр на герц | W⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Сияние поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в W⋅sr. −1 ⋅m −2 ⋅nm −1 . Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». |
| Л е, о, л [номер 4] | ватт на стерадиан на квадратный метр, на метр | W⋅sr −1 ⋅m −3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | ||
| Освещенность Плотность потока | Э е [номер 2] | ватт на квадратный метр | Вт/м 2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток, на единицу воспринимаемый поверхностью площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». |
| Спектральное излучение Спектральная плотность потока | Э е, н [номер 3] | ватт на квадратный метр на герц | W⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Освещенность поверхности на единицу частоты или длины волны. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». Единицы спектральной плотности потока, не относящиеся к системе СИ, включают янский ( 1 Ян = 10 −26 W⋅m −2 ⋅Hz −1 ) и единица солнечного потока ( 1 sfu = 10 −22 W⋅m −2 ⋅Hz −1 = 10 4 Ты ). |
| Угорь [номер 4] | ватт на квадратный метр, на метр | Вт/м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | ||
| Радиосити | JДа [номер 2] | ватт на квадратный метр | Вт/м 2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток, покидающий (излучаемый, отражаемый и передаваемый) поверхность на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». |
| Спектральная радиация | I е, ν [номер 3] | ватт на квадратный метр на герц | W⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Излучение поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅м. −2 ⋅nm −1 . Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». |
| I е, λ [номер 4] | ватт на квадратный метр, на метр | Вт/м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | ||
| Сияющее великолепие | Мне [номер 2] | ватт на квадратный метр | Вт/м 2 | M ⋅ T −3 | Лучистый поток, на единицу излучаемый поверхностью площади. Это излучаемая составляющая излучательности. «Излучение излучения» — старый термин для этой величины. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью». |
| Спектральная яркость | М е, ν [номер 3] | ватт на квадратный метр на герц | W⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −2 | Светимость поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅м. −2 ⋅nm −1 . «Спектральный эмиттанс» — старый термин для этой величины. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». |
| М е, λ [номер 4] | ватт на квадратный метр, на метр | Вт/м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −3 | ||
| Лучистое воздействие | Он | Джоуль на квадратный метр | Дж/м 2 | M ⋅ T −2 | Лучистая энергия, полученная поверхностью на единицу площади, или, что эквивалентно, освещенность поверхности , интегрированная во времени облучения. Иногда это также называют «лучистой плотностью». |
| Спектральная экспозиция | H e, ν [номер 3] | Джоуль на квадратный метр на герц | J⋅m −2 ⋅Hz −1 | M ⋅ T −1 | Лучистая экспозиция поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Дж⋅м. −2 ⋅nm −1 . Иногда это также называют «спектральной флюенсом». |
| He , λ [номер 4] | джоуль на квадратный метр, на метр | Дж/м 3 | M ⋅ L −1 ⋅ T −2 | ||
| См. также: | |||||
- ^ Организации по стандартизации рекомендуют обозначать радиометрические величины суффиксом «e» (от «энергетические»), чтобы избежать путаницы с фотометрическими или фотонными величинами.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и Иногда встречаются альтернативные символы: W или E для энергии излучения, P или F для потока излучения, I для освещенности, W для мощности излучения.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г Спектральные величины, приведенные на единицу частоты, обозначаются суффиксом « ν » (греческая буква nu , не путать с буквой «v», обозначающей фотометрическую величину).
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г Спектральные величины, приведённые на единицу длины волны, обозначаются суффиксом « λ ».
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Направленные величины обозначаются суффиксом « Ом ».
См. также [ править ]
Примечания и ссылки [ править ]
- ^ « Сияющая энергия ». Федеральный стандарт 1037С
- ^ Джордж Фредерик Баркер, Физика: продвинутый курс , стр. 367
- ^ Хардис, Джонатан Э., « Видимость лучистой энергии ». PDF .
- ^ Примеры: US 1005338 «Передающая аппаратура», US 1018555 «Сигнализация электрорадиантной энергией» и США 1597901 «Радиоаппаратура».
- ^ Кеннефик, Дэниел (15 апреля 2007 г.). Путешествие со скоростью мысли: Эйнштейн и поиск гравитационных волн . Издательство Принстонского университета . ISBN 978-0-691-11727-0 . Проверено 9 марта 2016 г.
- ^ Скиама, Деннис (17 февраля 1972 г.). «Сокращение потерь Галактики» . Новый Ученый : 373 . Проверено 9 марта 2016 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Эбботт, BP (11 февраля 2016 г.). «Наблюдение гравитационных волн в результате слияния двойных черных дыр» . Письма о физических отзывах . 116 (6): 061102.arXiv : 1602.03837 . Бибкод : 2016PhRvL.116f1102A . doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 . ПМИД 26918975 .
- ^ Моран, М.Дж. и Шапиро, Х.Н., Основы инженерной термодинамики , Глава 4. «Сохранение массы для открытой системы», 5-е издание, Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-27471-2 .
- ^ Роберт В. Кристоферсон, Элементальные геосистемы , четвертое издание. Прентис Холл, 2003. Страницы 608. ISBN 0-13-101553-2
- ^ Джеймс Гриер Миллер и Джесси Л. Миллер, Земля как система. Архивировано 22 апреля 2021 г. в Wayback Machine .
- ^ Преобразование энергии . assets.cambridge.org. (отрывок)
- ^ US 1317883 «Способ получения лучистой энергии и ее проецирования через свободный воздух для производства тепла»
- ^ Класс 250, Лучистая энергия. Архивировано 3 июля 2009 г. в Wayback Machine , USPTO. Март 2006 года.
- Ланг, Кеннет Р. (1999). Астрофизические формулы . Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3-540-29692-8 .
- Мишлер, Георг (2003). «Сияющая энергия» . База знаний по светодизайну . Проверено 29 октября 2008 г.
- Элион, Гленн Р. (1979). Справочник по электрооптике . CRC Пресс-технологии и промышленное искусство. ISBN 0-8247-6879-5 .
Дальнейшее чтение [ править ]
Радиоспектр (МСЭ) |
|---|
