Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Видимый свет, такой как солнечный свет, несет лучистую энергию, которая используется в производстве солнечной энергии .

В физике и , в частности , как измерено с помощью радиометрии , лучистая энергия является энергией из электромагнитного и гравитационного излучения . [1] В системе СИ единица измерения энергии - джоуль (Дж). Количество лучистой энергии может быть вычислено путем интегрирования лучистого потока (или мощности ) по времени . Символ Q eв литературе часто используется для обозначения лучистой энергии («е» означает «энергичный», чтобы избежать путаницы с фотометрическими величинами). В отраслях , отличных от радиометрию физики, электромагнитная энергия называется использованием E или W . 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]

Использование терминологии и история [ править ]

Термин «лучистая энергия» чаще всего используется в областях радиометрии , солнечной энергии , отопления и освещения , но также иногда используется в других областях (например, в телекоммуникациях ). В современных приложениях , связанных с передачей энергии от одного места к другому, «лучистая энергия» иногда используются для обозначения электромагнитных волн самого , а не их энергии (свойство волн). В прошлом также использовался термин «электроизлучательная энергия». [4]

Термин «лучистая энергия» также относится к гравитационному излучению . [5] [6] Например, первые когда-либо наблюдавшиеся гравитационные волны были вызваны столкновением черной дыры, которая испустила около 5,3 × 10 47 джоулей энергии гравитационных волн. [7]

Анализ [ править ]

Черенковское излучение в активной зоне реактора TRIGA .

Поскольку электромагнитное (ЭМ) излучение можно представить как поток фотонов , лучистую энергию можно рассматривать как энергию фотона - энергию, переносимую этими фотонами. С другой стороны, электромагнитное излучение можно рассматривать как электромагнитную волну, которая переносит энергию в своих колебательных электрических и магнитных полях. Эти два взгляда полностью эквивалентны и согласованы друг с другом в квантовой теории поля (см. Дуальность волна-частица ).

ЭМ излучение может иметь разные частоты . Полосы частот, присутствующие в данном электромагнитном сигнале, могут быть четко определены, как видно из атомных спектров , или могут быть широкими, как в излучении черного тела . На изображении частицы энергия, переносимая каждым фотоном, пропорциональна его частоте. На волновой картине энергия монохроматической волны пропорциональна ее интенсивности . Это означает, что если две электромагнитные 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 преобразуется в электричество в случае фотоэлектрического материала). Это очень знакомый эффект, поскольку солнечный свет нагревает поверхности, которые он облучает. Часто это явление связано, в частности, с инфракрасным излучением, но любое электромагнитное излучение согревает объект, который его поглощает. ЭМ волны также могут отражаться или рассеиваться , и в этом случае их энергия также перенаправляется или перераспределяется.

Открытые системы [ править ]

Лучистая энергия - это один из механизмов, с помощью которого энергия может входить в открытую систему или выходить из нее . [8] [9] [10] Такая система может быть искусственной, например, коллектор солнечной энергии , или естественной, например , атмосферой 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 (в основном инфракрасного излучения), часть которого поглощается атмосферными парниковыми газами. В результате ядерного синтеза на Солнце вырабатывается лучистая энергия .[11]

Приложения [ править ]

Лучистая энергия используется для лучистого отопления . [12] Он может генерироваться электрически с помощью инфракрасных ламп или может поглощаться солнечным светом и использоваться для нагрева воды. Тепловая энергия излучается от теплого элемента (пол, стена, потолочная панель) и нагревает людей и другие предметы в комнатах, а не напрямую нагревает воздух. Из-за этого температура воздуха может быть ниже, чем в здании с традиционным отоплением, даже если комната кажется такой же комфортной.

Были изобретены различные другие применения лучистой энергии. [13] К ним относятся обработка и осмотр, разделение и сортировка, средство контроля и средство коммуникации. Многие из этих приложений включают источник лучистой энергии и детектор, который реагирует на это излучение и выдает сигнал, представляющий некоторые характеристики излучения. Детекторы лучистой энергии реагируют на падающую лучистую энергию либо в виде увеличения или уменьшения электрического потенциала или тока, либо в виде некоторых других ощутимых изменений, таких как экспонирование фотопленки .

Единицы радиометрии СИ [ править ]

Блоки радиометрии СИ
  • v
  • т
  • е
КоличествоЕдиница измеренияИзмерениеПримечания
ИмяСимвол [nb 1]ИмяСимволСимвол
Энергия излученияQ e [nb 2]джоульJM ⋅ L 2 ⋅ T −2Энергия электромагнитного излучения.
Плотность лучистой энергииж еджоуль на кубический метрДж / м 3M ⋅ L −1 ⋅ T −2Лучистая энергия на единицу объема.
Сияющий потокΦ e [nb 2]ваттW = Дж / сM ⋅ L 2 ⋅ T −3Излучаемая, отраженная, переданная или полученная энергия излучения в единицу времени. Иногда это также называют «сияющей силой».
Спектральный потокΦ e, ν [nb 3]ватт на герцВт / ГцM ⋅ L 2 ⋅ T −2Лучистый поток на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅нм -1 .
Φ e, λ [nb 4]ватт на метрВт / мM ⋅ L ⋅ T −3
Сияющая интенсивностьI e, Ω [nb 5]ватт на стерадианВт / срM ⋅ L 2 ⋅ T −3Излучаемый, отраженный, передаваемый или принимаемый поток излучения на единицу телесного угла. Это направленная величина.
Спектральная интенсивностьI e, Ω, ν [nb 3]ватт на стерадиан на герцW⋅sr −1 ⋅Hz −1M ⋅ L 2 ⋅ T −2Интенсивность излучения на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅ср −1 нм −1 . Это направленная величина.
I e, Ω, λ [nb 4]ватт на стерадиан на метрW⋅sr −1 ⋅m −1M ⋅ L ⋅ T −3
СияниеL e, Ω [nb 5]ватт на стерадиан на квадратный метрW⋅sr −1 ⋅m −2M ⋅ T −3Лучистый поток, излучаемый, отраженный, передаваемый или принимаемый поверхностью , на единицу телесного угла на единицу площади проекции. Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральное сияниеL e, Ω, ν [nb 3]ватт на стерадиан на квадратный метр на герцW⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅Hz −1M ⋅ T −2Яркость поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅sr −1 m −2 nm −1 . Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью».
L e, Ω, λ [nb 4]ватт на стерадиан на квадратный метр, на метрW⋅sr −1 ⋅m −3M ⋅ L −1 ⋅ T −3
Энергия
излучения Плотность потока		E e [nb 2]ватт на квадратный метрВт / м 2M ⋅ T −3Лучистый поток , полученный с помощью поверхности на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная освещенность
Спектральная плотность потока		E e, ν [nb 3]ватт на квадратный метр на герцВт⋅м −2 ⋅Гц −1M ⋅ T −2Освещенность поверхности на единицу частоты или длины волны. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». Единицы измерения спектральной плотности потока, не относящиеся к системе СИ, включают янский (1 Ян = 10 −26  Вт⋅м −2 Гц −1 ) и единицу солнечного потока (1 sfu = 10 −22  Вт⋅м −2 ⋅Гц −1 = 10 4).  Jy).
E e, λ [nb 4]ватт на квадратный метр, на метрВт / м 3M ⋅ L −1 ⋅ T −3
ЛучистостьJ e [nb 2]ватт на квадратный метрВт / м 2M ⋅ T −3Лучистый поток покидает (испускается, отражается и проходит) поверхность на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральное излучениеJ e, ν [nb 3]ватт на квадратный метр на герцВт⋅м −2 ⋅Гц −1M ⋅ T −2Сияние поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅м −2 нм −1 . Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью».
J e, λ [nb 4]ватт на квадратный метр, на метрВт / м 3M ⋅ L −1 ⋅ T −3
Сияющая выходностьM e [nb 2]ватт на квадратный метрВт / м 2M ⋅ T −3Лучистый поток , излучаемый на поверхности на единицу площади. Это излучаемый компонент излучения. «Излучение излучения» - старый термин для обозначения этой величины. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная выходностьM e, ν [nb 3]ватт на квадратный метр на герцВт⋅м −2 ⋅Гц −1M ⋅ T −2Излучение поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅м −2 нм −1 . «Спектральный коэффициент излучения» - старый термин для обозначения этой величины. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью».
M e, λ [nb 4]ватт на квадратный метр, на метрВт / м 3M ⋅ L −1 ⋅ T −3
Сияющее воздействиеH eджоуль на квадратный метрДж / м 2M ⋅ T −2Лучистая энергия, получаемая поверхностью на единицу площади, или, что эквивалентно, освещенность поверхности, интегрированная по времени облучения. Иногда это также называют «сияющим флюенсом».
Спектральная экспозицияH e, ν [nb 3]джоуль на квадратный метр на герцДж⋅м −2 ⋅Гц −1M ⋅ T −1Излучение поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Дж⋅м −2 нм −1 . Иногда это также называют «спектральной плотностью энергии».
H e, λ [nb 4]джоуль на квадратный метр, на метрДж / м 3M ⋅ L −1 ⋅ T −2
Полусферический коэффициент излученияεN / A1Излучение поверхности , деленное на выход черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.
Спектральная полусферическая излучательная способностьε ν
 или
ε λ		N / A1Спектральная светимость поверхности , деленная на светимость черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.
Направленная излучательная способностьε ΩN / A1Излучение , излучаемый на поверхности , разделенные , что излучаемый черного тела при той же температуре , как эта поверхность.
Спектрально-направленная излучательная способностьε Ω, ν
 или
ε Ω, λ		N / A1Спектральное свечение , излучаемое на поверхность , деленное на том , что из черного тела при той же температуре , как эта поверхность.
Полусферическое поглощениеАN / A1Лучистый поток поглощается на поверхность , деленный на которые получены этой поверхность. Не следует путать с « поглощением ».
Спектральное полусферическое поглощениеA ν
 или
A λ		N / A1Спектральный поток поглощается на поверхности , деленная на которые получены этой поверхности. Это не следует путать со « спектральным поглощением ».
Направленное поглощениеА ОмN / A1Излучение поглощается на поверхности , деленной на сияния падающего на эту поверхность. Не следует путать с « поглощением ».
Спектральное направленное поглощениеA Ω, ν
 или
A Ω, λ		N / A1Спектральный сияния поглощается на поверхности , деленной на спектральной энергетической яркости падающего на эту поверхность. Это не следует путать со « спектральным поглощением ».
Полусферическое отражениерN / A1Лучистый поток, отраженный от поверхности , делится на поток , принимаемый этой поверхностью.
Спектральная полусферическая отражательная способностьR ν
 или
R λ		N / A1Спектральный поток отражается на поверхности , деленная на которые получены этой поверхности.
Направленное отражениеR ОмN / A1Излучение отражается на поверхности , деленной на том , что полученные с помощью этой поверхности.
Спектральная отражательная способностьR Ω, ν
 или
R Ω, λ		N / A1Спектральное сияние отражается на поверхность , деленный на которые получены этой поверхность.
Полусферический коэффициент пропусканияТN / A1Лучевой поток передается по поверхности , деленная на которые получены этой поверхности.
Спектральное полусферическое пропусканиеT ν
 или
T λ		N / A1Спектральный поток передается по поверхности , деленная на которые получены этой поверхности.
Направленное пропусканиеТ ОмN / A1Излучение передается по поверхности , деленная на которые получены этой поверхности.
Спектрально-направленное пропусканиеT Ω, ν
 или
T Ω, λ		N / A1Спектральное сияние передается по поверхности , деленный на которые получены этой поверхность.
Полусферический коэффициент затуханияμобратный счетчикм −1L −1Поток излучения, поглощаемый и рассеиваемый на объем на единицу длины, деленный на полученный этим объемом.
Коэффициент спектрального полусферического ослабленияμ ν
 или
μ λ		обратный счетчикм −1L −1Спектральный лучистого потока поглощается и рассеивается по объему на единицу длины, деленное на том , что полученные этим объемом.
Коэффициент направленного затуханияμ Омобратный счетчикм −1L −1Сияние поглощается и рассеивается на объем на единицу длины, деленный на полученное этим объемом.
Коэффициент направленного спектрального ослабленияμ Ω, ν
 или
μ Ω, λ		обратный счетчикм −1L −1Спектральная яркость поглощается и рассеивается на объем на единицу длины, деленный на полученное этим объемом.
См. Также: SI  · Радиометрия  · Фотометрия.
  1. ^ Организации по стандартизации рекомендуютобозначатьрадиометрические величины суффиксом «e» (от «энергетический»), чтобы избежать путаницы с фотометрическими или фотонными величинами.
  2. ^ a b c d e Иногда можно увидеть альтернативные символы: W или E для лучистой энергии, P или F для лучистого потока, I для энергетической освещенности, W для лучистой светимости.
  3. ^ a b c d e f g Спектральные величины, заданные на единицу частоты , обозначаются суффиксом « ν » (греческий) - не путать с суффиксом «v» (от «визуальный»), обозначающим фотометрическую величину.
  4. ^ a b c d e f g Спектральные величины, заданные на единицу длины волны , обозначаются суффиксом « λ » (греческий).
  5. ^ a b Направленные величины обозначаются суффиксом « Ω » (греческий).

См. Также [ править ]

Примечания и ссылки [ править ]

  1. ^ " Лучистая энергия ". Федеральный стандарт 1037С
  2. ↑ Джордж Фредерик Баркер, Физика: Продвинутый курс , стр. 367
  3. ^ Хардис, Джонатан E., « Видимость лучистой энергии ». PDF .
  4. ^ Примеры: US 1005338  «Передающее устройство», US 1018555  «Передача сигналов с помощью электроизлучательной энергии» и US 1597901  «Радиоаппаратура».
  5. ^ Kennefick, Daniel (2007-04-15). Путешествие со скоростью мысли: Эйнштейн и поиски гравитационных волн . Издательство Принстонского университета . ISBN 978-0-691-11727-0. Проверено 9 марта +2016 .
  6. ^ Sciama, Dennis (17 февраля 1972). «Сокращение потерь Галактики» . Новый ученый : 373 . Проверено 9 марта +2016 .
  7. ↑ Abbott, BP (11 февраля 2016 г.). "Наблюдение за гравитационными волнами от двойного слияния черных дыр" . Письма с физическим обзором . 116 (6): 061102. DOI : 10,1103 / PhysRevLett.116.061102 . PMID 26918975 . 
  8. ^ Моран, MJ, и Шапиро, HN, Основы инженерной термодинамики , Глава 4. «Сохранение массы для открытой системы», 5-е издание, John Wiley and Sons. ISBN 0-471-27471-2 . 
  9. ^ Роберт В. Кристоферсон, Элементные геосистемы , четвертое издание. Prentice Hall, 2003. Страницы 608. ISBN 0-13-101553-2 
  10. ^ Джеймс Гриер Миллер и Джесси Л. Миллер, Земля как система .
  11. ^ Преобразование энергии . assets.cambridge.org. (отрывок)
  12. ^ США 1317883  «Способ генерирования энергии излучения и проецирование же путем свободного воздуха для получения тепла»
  13. ^ Класс 250, лучистая энергия , USPTO. Март 2006 г.
  • Лэнг, Кеннет Р. (1999). Астрофизические формулы . Берлин: Springer. ISBN 978-3-540-29692-8.
  • Мишлер, Георг (2003). «Лучистая энергия» . База знаний по световому дизайну . Проверено 29 окт 2008 .
  • Элион, Гленн Р. (1979). Справочник по электрооптике . CRC Press Technology & Industrial Arts. ISBN 0-8247-6879-5.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Каверли, Дональд Филип, Учебник по электронике и лучистой энергии . Нью-Йорк, Макгроу-Хилл, 1952 год.
  • Уиттакер, ET (апрель 1929 г.). «Что такое энергия?». Математический вестник . Математическая ассоциация. 14 (200): 401–406. DOI : 10.2307 / 3606954 . JSTOR  3606954 .