Интенсивность (физика)

В физике , интенсивность по лучистой энергии является мощность передана на единицу площади , где площадь измеряется на плоскости , перпендикулярной к направлению распространения энергии. В системе СИ он имеет единицы ватт на квадратный метр (Вт / м ² ) или кг⋅с ⁻³ в основных единицах . Интенсивность чаще всего используется с волнами, такими как акустические волны ( звук ) или электромагнитными волнами, такими как свет или радиоволны , и в этом случаеиспользуется средняя передача мощности за один период волны. Интенсивность можно применить к другим обстоятельствам, при которых передается энергия. Например, можно рассчитать интенсивность кинетической энергии, переносимой каплями воды из садового дождевателя .

Слово «интенсивность», используемое здесь, не является синонимом « сила », « амплитуда », « величина » или « уровень », как это иногда бывает в разговорной речи.

Интенсивность можно найти, взяв плотность энергии (энергию на единицу объема) в точке пространства и умножив ее на скорость, с которой движется энергия. Результирующий вектор имеет единицы мощности, разделенные на площадь (то есть удельную мощность на поверхности ).

Математическое описание [ править ]

Если точечный источник излучает энергию во всех направлениях (создавая сферическую волну ), а энергия не поглощается и не рассеивается средой, то интенсивность уменьшается пропорционально квадрату расстояния от объекта. Это пример закона обратных квадратов .

Применяя закон сохранения энергии , если чистая излучаемая мощность постоянна,

${\ Displaystyle P = \ int \ mathbf {I} \, \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A}}$,

где P - излучаемая полезная мощность, I - интенсивность как функция положения, а d A - дифференциальный элемент замкнутой поверхности, на которой находится источник.

Если интегрировать по поверхности однородной интенсивности I , например, по сфере с центром вокруг точечного источника, уравнение принимает вид

${\ Displaystyle P = | I | \ cdot A _ {\ mathrm {surf}} = | I | \ cdot 4 \ pi r ^ {2} \,}$,

где I - интенсивность на поверхности сферы, а r - радиус сферы. ( это выражение для площади поверхности сферы). ${\ displaystyle A _ {\ mathrm {surf}} = 4 \ pi r ^ {2}}$

Решая, что я даю

${\ displaystyle | I | = {\ frac {P} {A _ {\ mathrm {surf}}}} = {\ frac {P} {4 \ pi r ^ {2}}}}$.

Если среда демпфирована, то интенсивность падает быстрее, чем предполагает приведенное выше уравнение.

Все, что может передавать энергию, может иметь связанную с этим интенсивность. Для монохроматического распространяющейся электромагнитной волны, например, плоской волны или гауссова пучка , если Е представляет собой комплексную амплитуду от электрического поля , то усредненный по времени плотность энергии волны, путешествия в немагнитного материала, задается :

${\displaystyle \left\langle U\right\rangle ={\frac {n^{2}\varepsilon _{0}}{2}}|E|^{2}}$,

а локальная интенсивность получается умножением этого выражения на скорость волны c / n :

${\displaystyle I={\frac {\mathrm {c} n\varepsilon _{0}}{2}}|E|^{2}}$,

где n - показатель преломления , c - скорость света в вакууме и - диэлектрическая проницаемость вакуума .${\displaystyle \varepsilon _{0}}$

Для немонохроматических волн можно просто сложить вклады интенсивности различных спектральных компонентов. Приведенное выше рассмотрение неприменимо к произвольным электромагнитным полям. Например, затухающая волна может иметь конечную электрическую амплитуду, не передавая никакой энергии. Затем интенсивность следует определять как величину вектора Пойнтинга . ^[1]

Альтернативные определения «интенсивности» [ править ]

В фотометрии и радиометрии интенсивность имеет другое значение: это световая или лучистая мощность на единицу телесного угла . Это может вызвать путаницу в оптике , где интенсивность может означать любую из интенсивности излучения , интенсивности света или освещенности , в зависимости от фона человека, использующего этот термин. Сияние также иногда называют интенсивностью , особенно астрономами и астрофизиками, а также при передаче тепла .

См. Также [ править ]

• Напряженность поля
• Интенсивность звука
• Величина (астрономия)

Ссылки [ править ]