الإشعاعية (قياس الإشعاع)

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 19 صور
الموسوعة الحرة

في علم قياس الإشعاع ، تُعرف الإشعاعية بأنها التدفق الإشعاعي الخارج من سطح ما (المنبعث والمنعكس والمنقول عبره) لكل وحدة مساحة، بينما تُعرف الإشعاعية الطيفية بأنها إشعاعية سطح ما لكل وحدة تردد أو طول موجي ، وذلك بحسب ما إذا كان الطيف يُؤخذ كدالة للتردد أو الطول الموجي. [ 1 ] وحدة قياس الإشعاعية في النظام الدولي للوحدات هي الواط لكل متر مربع ( واط/م² ) ، بينما وحدة قياس الإشعاعية الطيفية في التردد هي الواط لكل متر مربع لكل هرتز (واط/م² / هرتز )، ووحدة قياس الإشعاعية الطيفية في الطول الموجي هي الواط لكل متر مربع لكل متر (واط/م³ ) ، وتُعرف عادةً بالواط لكل متر مربع لكل نانومتر ( واط/م² / نانومتر ) . أما وحدة قياس الإرج لكل سنتيمتر مربع في الثانية ( إرج/سم² / ثانية ) فهي شائعة الاستخدام في علم الفلك . غالباً ما يطلق على الإشعاعية اسم الشدة [ 2 ] في فروع الفيزياء الأخرى غير قياس الإشعاع، ولكن في قياس الإشعاع يؤدي هذا الاستخدام إلى الخلط مع الشدة الإشعاعية .

التعريفات الرياضية

راديوسيتي

يتم تعريف الإشعاعية السطحية ، والتي يرمز لها بـ J e ( "e" لـ "الطاقة"، لتجنب الخلط مع الكميات الضوئية ) على النحو التالي [ 3 ]

جهـ=∂Φهـ∂أ=جهـ،هـم+جهـ،ر+جهـ،تر،{\displaystyle J_{\mathrm {e} }={\frac {\partial \Phi _{\mathrm {e} }}{\partial A}}=J_{\mathrm {e,em} }+J_{\mathrm {e,r} }+J_{\mathrm {e,tr} },}

أين

  • ∂ هو رمز المشتقة الجزئية
  • Φهـ{\displaystyle \Phi _{e}}هو التدفق الإشعاعي الخارج (المنبعث والمنعكس والمنفذ)
  • أ{\displaystyle A}هي المنطقة
  • جهـ،هـم=مهـ{\displaystyle J_{e,em}=M_{e}}هو المكون المنبعث من إشعاعية السطح، أي إثارته
  • جهـ،ر{\displaystyle J_{e,r}}هو المكون المنعكس لإشعاعية السطح
  • جهـ،تر{\displaystyle J_{e,tr}}هو المكون المنقول من إشعاعية السطح

بالنسبة للسطح المعتم ، يختفي المكون المنقول للإشعاعية J e,tr ولا يتبقى سوى مكونين:

جهـ=مهـ+جهـ،ر.{\displaystyle J_{\mathrm {e} }=M_{\mathrm {e} }+J_{\mathrm {e,r} }.}

في مجال انتقال الحرارة ، يساعد دمج هذين العاملين في مصطلح واحد للإشعاعية في تحديد صافي تبادل الطاقة بين أسطح متعددة.

الإشعاع الطيفي

الإشعاع الطيفي في تردد سطح ما ، ويرمز له بـ J e,ν ، يتم تعريفه على النحو التالي [ 3 ]

جهـ،ν=∂جهـ∂ν،{\displaystyle J_{\mathrm {e} ,\nu }={\frac {\partial J_{\mathrm {e} }}{\partial \nu }},}

حيث ν هو التردد.

الإشعاع الطيفي في الطول الموجي لسطح ما ، ويرمز له بـ J e,λ ، يتم تعريفه على النحو التالي [ 3 ]

جهـ،λ=∂جهـ∂λ،{\displaystyle J_{\mathrm {e} ,\lambda }={\frac {\partial J_{\mathrm {e} }}{\partial \lambda }},}

حيث λ هو الطول الموجي.

طريقة الإشعاعية

المكونان الإشعاعيان لسطح معتم.

تُعطى إشعاعية سطح معتم ورمادي ومنتشر بالصيغة التالية :

جهـ=مهـ+جهـ،ر=εσتي4+(1-ε)هـهـ،{\displaystyle J_{\mathrm {e}}=M_{\mathrm {e} }+J_{\mathrm {e,r} }=\varepsilon \sigma T^{4}+(1-\varepsilon )E_{\mathrm {e} },}

أين

عادةً، تُعتبر E <sub> e</sub> متغيرًا مجهولًا، وتعتمد على الأسطح المحيطة. لذا، إذا تعرض سطح ما i للإشعاع من سطح آخر j ، فإن طاقة الإشعاع الساقطة على السطح i تُعطى بالعلاقة E <sub>e, j</sub> = F <sub> ji </sub> A <sub> i </sub> J <sub> e, j</sub> ، حيث F <sub>ji</sub> هو عامل الرؤية أو عامل الشكل ، من السطح j إلى السطح i . وبالتالي، فإن شدة الإشعاع على السطح i هي مجموع طاقة الإشعاع من جميع الأسطح الأخرى لكل وحدة مساحة A <sub>i </sub>.

هـهـ،أنا=∑ج=1شمالFجأناأججهـ،جأأنا.{\displaystyle E_{\mathrm {e} ,i}={\frac {\sum _{j=1}^{N}F_{ji}A_{j}J_{\mathrm {e} ,j}}{A_{i}}}.}

الآن، باستخدام علاقة التبادل لعوامل الرؤية F ji A j = F ij A i ،

هـهـ،أنا=∑ج=1شمالFأناججهـ،ج،{\displaystyle E_{\mathrm {e} ,i}=\sum _{j=1}^{N}F_{ij}J_{\mathrm {e} ,j},}

وبإدخال قيمة الإشعاع في معادلة الإشعاعية، ينتج

جهـ،أنا=εأناσتيأنا4+(1-εأنا)∑ج=1شمالFأناججهـ،ج.{\displaystyle J_{\mathrm {e} ,i}=\varepsilon _{i}\sigma T_{i}^{4}+(1-\varepsilon _{i})\sum _{j=1}^{N}F_{ij}J_{\mathrm {e} ,j}.}

بالنسبة لحيز ذي N سطح، فإن عملية الجمع هذه لكل سطح ستولد N معادلة خطية تحتوي على N قيمة إشعاعية مجهولة، [ 4 ] و N درجة حرارة مجهولة. بالنسبة لحيز ذي عدد قليل من الأسطح، يمكن إجراء ذلك يدويًا. أما بالنسبة لغرفة ذات أسطح كثيرة، فيلزم استخدام الجبر الخطي والحاسوب.

بمجرد حساب الإشعاعات، يتم حساب صافي انتقال الحرارةسؤال˙أنا{\displaystyle {\dot {Q}}_{i}}يمكن تحديد قيمة الطاقة عند سطح ما عن طريق إيجاد الفرق بين الطاقة الداخلة والطاقة الخارجة:

سؤال˙أنا=أأنا(جهـ،أنا-هـهـ،أنا).{\displaystyle {\dot {Q}}_{i}=A_{i}\left(J_{\mathrm {e} ,i}-E_{\mathrm {e} ,i}\right).}

باستخدام معادلة الإشعاعية J e, i = ε i σ T i 4 + (1 − ε i ) E e, i ، يمكن حذف الإشعاع من المعادلة أعلاه للحصول على

سؤال˙أنا=أأناεأنا1-εأنا(σتيأنا4-جهـ،أنا)=أأناεأنا1-εأنا(مهـ،أنا∘-جهـ،أنا)،{\displaystyle {\dot {Q}}_{i}={\frac {A_{i}\varepsilon _{i}}{1-\varepsilon _{i}}}\left(\sigma T_{i}^{4}-J_{\mathrm {e} ,i}\right)={\frac {A_{i}\varepsilon _{i}}{1-\varepsilon _{i}}}\left(M_{\mathrm {e} ,i}^{\circ }-J_{\mathrm {e} ,i}\right),}

حيث M e, i ° هي الإشعاعية الخارجة من جسم أسود .

تشبيه الدوائر الكهربائية

بالنسبة لحيز يتكون من عدد قليل من الأسطح، غالبًا ما يكون من الأسهل تمثيل النظام بدائرة مماثلة بدلاً من حل مجموعة معادلات الإشعاعية الخطية . وللقيام بذلك، يتم التعبير عن انتقال الحرارة عند كل سطح على النحو التالي:

سؤالأنا˙=مهـ،أنا∘-جهـ،أناRأنا،{\displaystyle {\dot {Q_{i}}}={\frac {M_{\mathrm {e} ,i}^{\circ }-J_{\mathrm {e} ,i}}{R_{i}}},}

حيث R i = (1 − ε i )/( A i ε i ) هي مقاومة السطح.

وبالمثل، فإن M e, i ° − J e, i هو ناتج الجسم الأسود مطروحًا منه الإشعاعية، ويُستخدم كـ"فرق جهد". وقد صِيغت هذه الكميات لتُشابه تلك الموجودة في الدائرة الكهربائية V = IR .

والآن نقوم بإجراء تحليل مماثل لانتقال الحرارة من السطح i إلى السطح j ،

سؤال˙أناج=أأناFأناج(جهـ،أنا-جهـ،ج)=جهـ،أنا-جهـ،جRأناج،{\displaystyle {\dot {Q}}_{ij}=A_{i}F_{ij}(J_{\mathrm {e} ,i}-J_{\mathrm {e} ,j})={\frac {J_{\mathrm {e} ,i}-J_{\mathrm {e} ,j}}{R_{ij}}},}

حيث R ij = 1/( A i F ij ).

لأن ما سبق يحدث بين الأسطح، فإن R ij هي مقاومة الفراغ بين الأسطح و J e, i − J e, j بمثابة فرق الجهد.

بدمج عناصر السطح وعناصر الفراغ، تتشكل دائرة كهربائية. ويتم حساب انتقال الحرارة باستخدام فرق الجهد المناسب والمقاومات المكافئة ، على غرار العملية المستخدمة في تحليل الدوائر الكهربائية .

طرق أخرى

في طريقة الإشعاعية وتشبيه الدائرة، وُضعت عدة افتراضات لتبسيط النموذج. أهمها أن السطح باعث منتشر. في هذه الحالة، لا تعتمد الإشعاعية على زاوية سقوط الإشعاع المنعكس، وتُفقد هذه المعلومة على سطح منتشر . لكن في الواقع، سيكون للإشعاعية مُركّبة انعكاسية ناتجة عن الإشعاع المنعكس . لذا، يعتمد انتقال الحرارة بين سطحين على كلٍّ من عامل الرؤية وزاوية الإشعاع المنعكس.

كان يُفترض أيضاً أن السطح جسم رمادي، أي أن انبعاثيته مستقلة عن تردد الإشعاع أو طول موجته. مع ذلك، إذا كان نطاق طيف الإشعاع واسعاً، فلن يكون هذا صحيحاً. في مثل هذه الحالة، يجب حساب الإشعاعية طيفياً ثم تكاملها على نطاق طيف الإشعاع.

ثمة افتراض آخر يتمثل في أن السطح متساوي الحرارة . إذا لم يكن كذلك، فإن الإشعاعية ستتغير تبعًا للموقع على طول السطح. ومع ذلك، تُحل هذه المشكلة ببساطة عن طريق تقسيم السطح إلى عناصر أصغر حتى يتم الحصول على الدقة المطلوبة. [ 4 ]

وحدات قياس الإشعاع في النظام الدولي للوحدات

وحدات قياس الإشعاع في النظام الدولي للوحدات
  • v
  • ت
  • هـ
كميةوحدةالأبعادملحوظات
اسمالرمز [ رقم 1 ]اسمرمز
الطاقة الإشعاعيةQ e [ nb 2 ]جولجM ⋅ L 2 ⋅ T −2طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي.
كثافة الطاقة الإشعاعيةنحن​جول لكل  متر مكعبJ/m 3م ⋅ ل −1 ⋅ ت −2الطاقة الإشعاعية لكل وحدة حجم.
التدفق الإشعاعيΦ e [ nb 2 ]واطW = J/sم ⋅ ل 2 ⋅ ت −3الطاقة الإشعاعية المنبعثة أو المنعكسة أو المنقولة أو المستقبلة، لكل وحدة زمنية. ويُطلق عليها أحيانًا اسم "القدرة الإشعاعية"، وتُسمى في علم الفلك " السطوع ".
التدفق الطيفيΦ e, ν [ nb 3 ]واط لكل هرتزواط/ هرتزM ⋅ L 2 ⋅ T −2التدفق الإشعاعي لكل وحدة تردد أو طول موجي. ويُقاس الأخير عادةً بوحدة واط/ نانومتر .
Φ e, λ [ nb 4 ]واط لكل مترW/mم ⋅ ل ⋅ ت −3
شدة الإشعاعI e,Ω [ nb 5 ]واط لكل ستراديانمع كبار السنم ⋅ ل 2 ⋅ ت −3التدفق الإشعاعي المنبعث أو المنعكس أو المنقول أو المستقبل، لكل وحدة زاوية مجسمة. هذه كمية اتجاهية .
شدة الطيفI e,Ω, ν [ nb 3 ]واط لكل ستراديان لكل هرتزW⋅sr −1 ⋅Hz −1M ⋅ L 2 ⋅ T −2شدة الإشعاع لكل وحدة تردد أو طول موجي. ويُقاس الطول الموجي عادةً بوحدة واط⋅ستراديان⁻¹⋅نانومتر⁻¹ . وهذه كمية اتجاهية .
I e,Ω, λ [ nb 4 ]واط لكل ستراديان لكل مترW⋅sr −1 ⋅m −1م ⋅ ل ⋅ ت −3
إشراقLe ,Ω [ nb 5 ]واط لكل ستراديان لكل  متر مربعW⋅sr −1 ⋅m −2م ⋅ ت −3التدفق الإشعاعي المنبعث أو المنعكس أو المنقول أو المستقبل من سطح ما ، لكل وحدة زاوية مجسمة لكل وحدة مساحة مسقطة. هذه كمية اتجاهية ، وتُسمى أحيانًا "الشدة".
الإشعاع الطيفي، الشدة النوعيةLe ,Ω, ν [ nb 3 ]واط لكل ستيراديان لكل  متر مربع لكل هرتزW⋅sr −1 ⋅m −2 ⋅Hz −1م ⋅ ت −2إشعاع سطح ما لكل وحدة تردد أو طول موجي. يُقاس الطول الموجي عادةً بوحدة واط⋅ستراديان⁻¹⋅م⁻²⋅نانومتر⁻¹ . هذه كمية اتجاهية ، وتُسمى أحيانًا "الشدة الطيفية".
Le ,Ω, λ [ nb 4 ]واط لكل ستيراديان لكل  متر مربع، لكل مترW⋅sr −1 ⋅m −3م ⋅ ل −1 ⋅ ت −3
كثافة تدفق الإشعاعE e [ nb 2 ]واط لكل متر مربعواط/ م²م ⋅ ت −3التدفق الإشعاعي الذي تتلقاه مساحة سطح ما لكل وحدة مساحة. ويُطلق عليه أحيانًا اسم "الشدة".
الإشعاع الطيفي، كثافة التدفق الطيفيE e, ν [ nb 3 ]واط لكل  متر مربع لكل هرتزواط / متر⁻² هرتز⁻¹م ⋅ ت −2شدة الإشعاع على سطح ما لكل وحدة تردد أو طول موجي. ويُطلق عليها أحيانًا اسم "الشدة الطيفية". تشمل وحدات كثافة التدفق الطيفي غير التابعة للنظام الدولي للوحدات (SI) وحدة جانسكي (1  Jy =10 −26  واط⋅م −2 ⋅هرتز −1 ) ووحدة التدفق الشمسي (1  sfu =10 −22  واط⋅م −2 ⋅هرتز −1 =10 4  Jy ).
E e, λ [ nb 4 ]واط لكل  متر مربع، لكل مترواط/ م³م ⋅ ل −1 ⋅ ت −3
راديوسيتيJ e [ nb 2 ]واط لكل متر مربعواط/ م²م ⋅ ت −3التدفق الإشعاعي الخارج من (المنبعث والمنعكس والمنفذ من) سطح ما لكل وحدة مساحة. ويُطلق عليه أحيانًا اسم "الشدة".
الإشعاع الطيفيJ e, ν [ nb 3 ]واط لكل  متر مربع لكل هرتزواط / متر⁻² هرتز⁻¹م ⋅ ت −2الإشعاعية السطحية لكل وحدة تردد أو طول موجي. ويُقاس الطول الموجي عادةً بوحدة واط / متر مربع/ نانومتر . ويُطلق عليه أحيانًا اسم "الشدة الطيفية".
J e, λ [ nb 4 ]واط لكل  متر مربع، لكل مترواط/ م³م ⋅ ل −1 ⋅ ت −3
إشعاع متألقأنا [ ملاحظة 2 ]واط لكل  متر مربعواط/ م²م ⋅ ت −3التدفق الإشعاعي المنبعث من سطح ما لكل وحدة مساحة. هذا هو المكون المنبعث من الإشعاعية. "الانبعاث الإشعاعي" مصطلح قديم لهذه الكمية. ويُطلق عليها أحيانًا "الشدة".
الخروج الطيفيMe , ν [ nb 3 ]واط لكل  متر مربع لكل هرتزواط / متر⁻² هرتز⁻¹م ⋅ ت −2الإشعاع المنبعث من سطح ما لكل وحدة تردد أو طول موجي. ويُقاس الطول الموجي عادةً بوحدة واط / متر مربع/ نانومتر . "الانبعاث الطيفي" مصطلح قديم يُستخدم للإشارة إلى هذه الكمية، ويُطلق عليها أحيانًا "الشدة الطيفية".
Me , λ [ nb 4 ]واط لكل  متر مربع، لكل مترواط/ م³م ⋅ ل −1 ⋅ ت −3
التعرض الإشعاعيهو​جول لكل  متر مربعJ/m 2م ⋅ ت −2الطاقة الإشعاعية التي تتلقاها مساحة سطح ما لكل وحدة مساحة، أو ما يعادلها من إشعاع سطح متكامل على مدى فترة الإشعاع. ويطلق على هذا أحيانًا اسم "التدفق الإشعاعي".
التعرض الطيفيHe , ν [ nb 3 ]جول لكل  متر مربع لكل هرتزJ⋅m −2 ⋅Hz −1م ⋅ ت −1التعرض الإشعاعي لسطح ما لكل وحدة تردد أو طول موجي. ويُقاس هذا الأخير عادةً بوحدة جول/متر مربع / نانومتر . ويُطلق عليه أحيانًا اسم "التدفق الطيفي".
He , λ [ nb 4 ]جول لكل  متر مربع، لكل مترJ/m 3م ⋅ ل −1 ⋅ ت −2
انظر أيضاً:
  1. ↑ توصي منظمات المعايير بأن يتم الإشارة إلى الكميات الإشعاعيةباللاحقة "e" (اختصارًا لـ "الطاقة") لتجنب الخلط بينها وبينالكميات الضوئية أو الفوتونية .
  2. 1 2 3 4 5 رموز بديلة تُرى أحيانًا: W أو E للطاقة الإشعاعية، P أو F للتدفق الإشعاعي، I للإشعاعية، W للإخراج الإشعاعي.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 يتم الإشارة إلى الكميات الطيفية المعطاة لكل وحدة تردد باللاحقة " ν " (الحرف اليوناني nu ، لا يجب الخلط بينه وبين الحرف "v"، الذي يشير إلى كمية ضوئية).
  4. 1 2 3 4 5 6 7 الكميات الطيفية المعطاة لكل وحدة طول موجي يتم الإشارة إليها باللاحقة " λ ".
  5. 1 2 يتم الإشارة إلى الكميات الاتجاهية باللاحقة " Ω ".

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ فريق FAIRsharing (2015). "الإشعاعية" . الكميات والوحدات والأبعاد وأنواع البيانات . doi : 10.25504/FAIRsharing.d3pqw7 . تاريخ الاسترجاع: 25 فبراير 2021 .
  2. ↑ غان، غوهوي (سبتمبر 1994). "طريقة عددية لتقييم شامل للراحة الحرارية الداخلية" . الهواء الداخلي . 4 (3): 154-168 . Bibcode : 1994InAir...4..154G . doi : 10.1111/j.1600-0668.1994.t01-1-00004.x .
  3. 1 2 3 ISO 9288:1989 – العزل الحراري — انتقال الحرارة بالإشعاع — الكميات الفيزيائية والتعاريف .
  4. 1 2 سبارو، إفرايم م.؛ سيس ، روبرت د. (1978). انتقال الحرارة بالإشعاع ( الطبعة الثالثة). واشنطن العاصمة: هيمسفير. ISBN  9780070599109.