強度 (物理)

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物理學中,強度的定義是單位面積下的能量轉換率。在SI制單位下,瓦特每平方公尺(W/m2)。最常用來表示波的強度(例如:音波光波)。通常用波一次週期下的能量轉換率。

強度(intensity)一詞不同於,力度、力量強度(strength)、震盪強度(amplitude)。

強度也可以被定義為能量密度乘上能量移動的速度,所以結果向量單位等同於(W/m2)。

數學描述[编辑]

如果一個點聲源(光源)輻射能量於三維空間而且沒有能量散失於中途過程,然後強度隨著輻射距離的增加而減弱。此為平方反比定律的其中一個例子。

應用能量守恆定律,如果傳輸功率為定值

P = \int I\, \cdot dA,

其中 P是輻射功率,I是強度, dA面微分元素,封閉曲面於能量來源。

If one integrates over a surface of uniform intensity I, for instance over a sphere centered around a point source radiating equally in all directions, the equation becomes

P = |I| \cdot A_\mathrm{surf} = |I| \cdot 4\pi r^2 \,,

where I is the intensity at the surface of the sphere, and r is the radius of the sphere. (A_\mathrm{surf} = 4\pi r^2 is the expression for the surface area of a sphere).

Solving for I gives

|I| = \frac{P}{A_\mathrm{surf}} = \frac{P}{4\pi r^2}.

如果過程是有阻尼,那麼強度會下降的比以上方程式快速。

Anything that can transmit energy can have an intensity associated with it. For an electromagnetic wave, if E is the complex amplitude of the electric field, then the time-averaged energy density of the wave is given by

\left\langle U \right \rangle = \frac{n^2 \epsilon_0}{2} |E|^2 ,

and the intensity is obtained by multiplying this expression by the velocity of the wave, c/n:

I = \frac{c n \epsilon_0}{2} |E|^2,

where n is the refractive index, c is the speed of light in vacuum and \epsilon_0 is the vacuum permittivity.

The treatment above does not hold for electromagnetic fields that are not radiating, such as for an evanescent wave. In these cases, the intensity can be defined as the magnitude of the Poynting vector.[1]

「強度」定義的轉換[编辑]

光度學輻射度量學中,「強度」有不同的意思,分別是發光或輻射能量每單位立體角。在光學中可能造成混淆,因為強度可以代表輻射強度發光強度輻照度,隨著個人使用的習慣而有不同。輻射率有時也會被稱作強度,特別是天文學家和天體物理學家,在熱傳遞的研究也是如此。

參閱[编辑]

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国际单位制光度单位
物理量 符号 国际单位制 單位符號 注释
光能(Luminous energy) Qv 流明 lm·s 單位有時被稱作"talbots"。
光通量(Luminous flux) Φv 流明lmcd·sr lm 單位時間內由光源(/被照物)所發出(/吸收)的光能。
發光強度(Luminous intensity) Iv 坎德拉(燭光)(cdlm/sr cd 發光強度是一光源所發出的在給定方向上單位立體角內的光通量。
亮度(Luminance) Lv 尼特nitcd/m2 nit 亮度是一光源單位在給定方向上單位面積單位立體角內所發出的的光通量。
照度(Illuminance) Ev 勒克斯lx= lm/m2 lx 每單位面積所吸收可見光的光通量,用於入射表面的光。
光發射度Luminous emittance Mv 勒克斯lx= lm/m2 lx 每單位面積所發出可見光的光通量,用於出射表面的光。
曝光量luminous exposure Hv 勒克斯· lx·s 也称作photometric exposure
光视效能Luminous efficacy η 流明瓦特 lm/W 光通量辐射通量的比值,最大为683.002。
發光效率(luminous efficiency) V 纯数量 无单位 也称作光视效率、发光系数(luminous coefficient)


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國際單位制的輻射量單位
物理量 符号 國際單位制 單位符號 注释
輻射出射度(Radiant exitance) Me 瓦特每平方 W·m−2 表面出射的辐射通量
辐射度(Radiosity) Je or J 瓦特每平方 W⋅m−2 表面出射及反射的辐射通量总和
輻射率(Radiance) Le 瓦特球面度每平方 W·sr−1·m−2 每單位立體角每單位投射表面的辐射通量
輻射能量(Radiant energy) Qe 焦耳 J 能量
辐射能量密度(Radiant energy density) ωe 焦耳每米3 J⋅m−3
辐射强度(Radiant intensity) Ie 瓦特球面度 W·sr−1 每單位立體角的辐射通量。
辐射曝光量(Radiant exposure) He 焦耳每平方米 J⋅m−2
辐射通量(Radiant flux) Φe 瓦特 W 每單位時間的辐射能量,亦作「辐射功率」。
輻照度(Irradiance) Ee 瓦特每平方 W·m−2 入射表面的辐射通量。
光譜辐射出射度(Spectral radiant emittance) M

M
瓦特每米3

瓦特每平方米每赫兹

W⋅m−3
or
W⋅m−2⋅Hz−1
表面出射的辐射通量的波长或频率的分布
光譜輻射率(Spectral radiance) L

L

瓦特球面度3

瓦特球面度每平方赫兹

W⋅sr−1m−3

W⋅sr−1⋅m−2Hz−1
常用W⋅sr−1⋅m−2⋅nm−1
光譜輻照度(Spectral irradiance) Eλ

Eν
瓦特每立方
瓦特每平方赫茲
W·m−3

W·m−2·Hz−1
通常測量單位為 W·m−2·nm−1
光譜功率(Spectral power) Φ 瓦特 W⋅m−1 辐射通量的波长分布
光谱强度(Spectral intensity) I 瓦特球面度 W⋅sr−1⋅m−1 辐射强度的波长分布

參考資料[编辑]

  1. ^ Paschotta, Rüdiger. Optical Intensity. Encyclopedia of Laser Physics and Technology. RP Photonics.