在物理学中,强度的定义是单位面积下的能量转换率。在SI制单位下,瓦特每平方米(W/m2)。最常用来表示波的强度(例如:音波、光波)。通常指波在一个周期内的能量转换率。
强度(intensity)一词不同于“力度、力量强度”(strength)或振幅(amplitude)。
强度也可以被定义为能量密度乘上能量移动的速度;向量运算结果的单位等同于 W/m2。
数学描述
如果一个点声源(光源)于三维空间向四面八方辐射能量,且能量没有于中途因为被介质吸收或散射而散失,则强度随着与辐射源距离的增加呈平方反比减弱。此为平方反比定律的一个例子。
如果传输功率为定值
- ,
其中 P 是辐射功率, I 是强度,dA 是面微分元素,封闭曲面包围着辐射源。
若强度 I 在选定的表面上是一个定值,则有(假设选定一个半径为 r 的球面作为积分的曲面):
- ,
即
- .
如果过程中有阻尼参与,那么强度随距离的减弱会快于以上的方程。 任何能够传递能量的东西都有一个相关的“强度”。对于电磁辐射,如果 E 是电场的复值振幅,则电磁波的能量密度的时间平均可由下式给出:
强度则是将上式乘上波速 :
其中 n 表示折射率, 表示真空中的光速, 表示真空介电常数.
以上的推导过程不适用于某些场,例如渐逝波。在这些情况下,强度可用坡印廷向量的大小来定义[1]。
“强度”定义的转换
在光度学和辐射度量学中,“强度”有不同的意思,分别是发光或辐射能量每单位立体角。在光学中可能造成混淆,因为强度可以代表辐射强度、发光强度或辐照度,随着个人使用的习惯而有不同。辐射率有时也会被称作强度,特别是天文学家和天体物理学家,在热传递的研究也是如此。
参阅
物理量 | 英文 | 符号 | 计量单位 | 单位符号 | 注释 |
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光通量 | Luminous flux | Φv | 流明 | lm(lm= cd·sr) | 单位时间内由光源所发出或由被照物所吸收的总光能。 |
发光强度(光度) | Luminous intensity | Iv | 坎德拉(烛光) | cd(cd= lm/sr) | 光源在给定方向上,每单位立体角内所发出的光通量。 |
亮度(辉度) | Luminance | Lv | 坎德拉每平方米 | cd/m2 | 单位面积光源在给定方向上,在每单位面积内所发出的总光通量。其单位有时也称尼特(nit)。 |
光能(光视效能) | Luminous energy | Qv | 流明·秒 | lm·s | 单位有时被称作"talbot"。 |
照度 | Illuminance | Ev | 勒克斯 | lx(lx= lm/m2= cd·sr/m2) | 物体表面每单位面积所吸收可见光的光通量,用于入射表面的光。 |
光出射度 | Luminous exitance | Mv | 勒克斯 | lx(lx= lm/m2= cd·sr/m2) | 物体表面每单位面积所发出可见光的光通量,用于出射表面的光。 |
曝光量 | luminous exposure | Hv | 勒克斯·秒 | lx·s | 也称作photometric exposure。 |
发光效率/光效 | Luminous efficacy | η | 流明每瓦特 | lm/W= cd·sr/W | 通常指光源光通量与光源输入电功率的比值,有时也指光通量与辐射通量的比值。 |
光源能量利用率 | luminous efficiency | V | 纯数量 | 无单位 | 光源辐射通量与光源输入电功率的比值。 |
物理量 | 符号 | 国际单位制 | 单位符号 | 注释 |
---|---|---|---|---|
辐射出射度(Radiant exitance) | Me | 瓦特每平方米 | W·m−2 | 表面出射的辐射通量 |
辐射度(Radiosity) | Je or Jeλ | 瓦特每平方米 | W⋅m−2 | 表面出射及反射的辐射通量总和 |
辐射率(Radiance) | Le | 瓦特每球面度每平方米 | W·sr−1·m−2 | 每单位立体角每单位投射表面的辐射通量。 |
辐射能(Radiant energy) | Qe | 焦耳 | J | 能量。 |
辐射能量密度(Radiant energy density) | ωe | 焦耳每立方米 | J⋅m−3 | |
辐射强度(Radiant intensity) | Ie | 瓦特每球面度 | W·sr−1 | 每单位立体角的辐射通量。 |
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 | 每单位时间的辐射能量,亦作“辐射功率”。 |
辐照度(Irradiance) | Ee | 瓦特每平方米 | W·m−2 | 入射表面的辐射通量。 |
光谱辐射出射度(Spectral radiant emittance) | Meλ 或 Meν |
瓦特每立方米 或 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 |
光谱辐射率(Spectral radiance) | Leλ 或 Leν |
瓦特每球面度每立方米 或 |
W⋅sr−1⋅m−3 或 W⋅sr−1⋅m−2⋅Hz−1 |
常用W⋅sr−1⋅m−2⋅nm−1 |
光谱辐照度(Spectral irradiance) | Eλ 或 Eν |
瓦特每立方米 或 瓦特每平方米每赫兹 |
W·m−3 或 W·m−2·Hz−1 |
通常测量单位为 W·m−2·nm−1 |
光谱功率(Spectral power) | Φeλ | 瓦特每米 | W⋅m−1 | 辐射通量的波长分布 |
光谱强度(Spectral intensity) | Ieλ | 瓦特每球面度每米 | W⋅sr−1⋅m−1 | 辐射强度的波长分布 |
参考资料
- ↑ Paschotta, Rüdiger. Optical Intensity. Encyclopedia of Laser Physics and Technology. RP Photonics. [2013-07-21].