強度 (物理)

在物理学中,強度(intensity)也是多义词,若无特别指定,定义是单位面积的功率(能量转换率),单位为 W/m²。

尽管强度(intensity)与通量(flux)这两个术语,在物理学及其相关领域的科学工程中存在多种且互不一致的定义,“辐射能的强度”或“辐射能的通量”,一般是指单位面积传输的功率,其中面积是在垂直于能量传播方向的平面上测量的。在国际单位制(SI system)中,其单位为瓦特每平方米(W/m²),基本单位(base unit)表示为 kg⋅s⁻³。

强度最常用于描述波,例如声波、物质波(电子显微镜中的电子),以及电磁波(光波或无线电波等);在此类情况下,通常使用“波的一个周期内的平均功率传输(average power transfer)”来表示强度。强度亦可应用于其他涉及能量传输的场合,例如:可以计算花园洒水器喷出的水滴所携带的动能强度。

强度的计算方法可以是:取空间中某点的能量密度(单位体积的能量),并乘以能量移动的速度。所得的矢量单位为功率除以面积(即表面功率密度,surface power density)。波的强度与振幅的平方成正比。例如,电磁波的强度与该波电场强度振幅的平方成正比。

强度可以通过取“空间中某点的能量密度(单位体积的能量)”乘以“能量移动的速度”来求得。所得的结果为一矢量,单位仍为功率除以面积(即表面功率密度)。波的强度与振幅的平方成正比。例如:电磁波的强度与该波电场强度振幅的平方成正比。

本条目使用的“强度”一词,与日常口语中的“力量强度”(strength)或“力度”、“振幅”(amplitude)、“幅值”(magnitude)或“电平/能级”(level)并非同义词。

數學描述
如果一個點聲源(光源)於三維空間向四面八方輻射能量,且能量沒有於中途因为被介质吸收或散射而散失,则強度隨著与輻射源距離的增加呈平方反比減弱。此為平方反比定律的一個例子。

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 是面微分元素,封閉曲面包围着輻射源。

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):

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

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

如果過程中有阻尼参与,那麼強度随距离的减弱會快于以上的方程。

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 是電場的複數振幅,则电磁波的能量密度的时间平均可由下式给出:

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

强度则是将上式乘上波速 c/n:

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

其中 n 表示折射率,c 表示真空中的光速,\epsilon_0 表示真空介电常数.

以上的推导过程不适用于某些场,例如漸逝波。在这些情况下,强度可用坡印廷向量的大小来定义。

「強度」定義的轉換
在光度學和輻射度量學中,「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、發光強度或輻照度,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
*

  • 音強
  • 光強
  • 星等

參考資料

评论 (0)

  • 还没有评论,来抢沙发吧。