الشدة (الفيزياء)

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 24 صور
الموسوعة الحرة

في الفيزياء والعديد من مجالات العلوم والهندسة الأخرى، تُعرَّف شدة أو تدفق الطاقة الإشعاعية بأنها القدرة المنقولة لكل وحدة مساحة ، حيث تُقاس المساحة على المستوى العمودي على اتجاه انتشار الطاقة. [ أ ] في النظام الدولي للوحدات (SI )، تُقاس الشدة بوحدة واط لكل متر مربع (W/m² ) ، أو كيلوغرام في الثانية ( kg⋅s⁻³ ) في الوحدات الأساسية . تُستخدم الشدة بكثرة مع الموجات ، مثل الموجات الصوتية ( الصوت )، وموجات المادة ، مثل الإلكترونات في المجاهر الإلكترونية ، والموجات الكهرومغناطيسية ، مثل الضوء أو موجات الراديو ، حيث يُستخدم متوسط ​​القدرة المنقولة خلال دورة واحدة للموجة. يمكن تطبيق الشدة على حالات أخرى يتم فيها نقل الطاقة. على سبيل المثال، يمكن حساب شدة الطاقة الحركية التي تحملها قطرات الماء من مرشّ الحديقة .

إن كلمة "الشدة" كما تستخدم هنا ليست مرادفة لـ " القوة " أو " السعة " أو " الحجم " أو " المستوى "، كما هو الحال أحيانًا في الكلام العامي.

يمكن حساب شدة الموجة بضرب كثافة الطاقة (الطاقة لكل وحدة حجم) عند نقطة معينة في الفضاء في سرعة انتقال الطاقة. ويكون متجه الناتج بوحدات القدرة مقسومة على المساحة (أي كثافة القدرة السطحية ). تتناسب شدة الموجة طرديًا مع مربع سعتها. على سبيل المثال، تتناسب شدة الموجة الكهرومغناطيسية طرديًا مع مربع سعة مجالها الكهربائي .

الوصف الرياضي

تُساوي شدة أو تدفق الإشعاع الكهرومغناطيسي المتوسط ​​الزمني لمتجه بوينتينغ خلال دورة الموجة. بالنسبة للإشعاع المنتشر عبر وسط نموذجي، فإن كثافة طاقة الإشعاع،u{\displaystyle u}، يرتبط بمتجه بوينتينغS{\displaystyle \mathbf {S} }بواسطة

-∂u∂ت=∇⋅S،{\displaystyle -{\frac {\partial u}{\partial t}}=\nabla \cdot \mathbf {S} ,} والتي تستمد من نظرية بوينتينغ .

التكامل على حجم من الفضاء يعطي -∭∂∂تديودVدV=∭(∇⋅S)دV{\displaystyle -\iiint {\frac {\partial }{\partial t}}{\frac {dU}{dV}}\,dV=\iiint (\nabla \cdot \mathbf {S} )\,dV} أينيو{\displaystyle U}هي طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي.

بتطبيق نظرية التباعد ، يتضح أن معدل تدفق الطاقة خارج الحجم يرتبط بالتكامل السطحي لمتجه بوينتينغ على سطح حجم الفضاء:

ديودت=-{\displaystyle {\frac {dU}{dt}}=-}\oiintأ{\displaystyle \scriptstyle A}S⋅دأ،{\displaystyle \mathbf {S} \cdot d\mathbf {A} ,}

مصادر نقطية

ومن الأمثلة الشائعة شدة أو تدفق مصدر نقطي ذي قدرة خرج معينةP{\displaystyle P}باعتبار حجم كروي متمركز حول المصدر، تصبح الصيغة أعلاه

P=⟨-ديودت⟩={\displaystyle P=\left\langle -{\frac {dU}{dt}}\right\rangle =}⟨S⟩{\displaystyle \langle S\rangle }\oiintأ{\displaystyle \scriptstyle A}دأ،{\displaystyle d\mathbf {A} ,}

حيث تشير الأقواس الزاوية إلى المتوسط ​​الزمني خلال فترة الموجات. بما أن مساحة سطح كرة نصف قطرهار{\displaystyle r}يكونأ=4πر2{\textstyle A=4\pi r^{2}}هذا يعطي P=⟨S⟩⋅4πر2،{\displaystyle P=\langle S\rangle \cdot 4\pi r^{2},} وبالتالي فإن شدة المصدر النقطي على مسافةر{\displaystyle r}يكون أنا=P4πر2.{\displaystyle I={\frac {P}{4\pi r^{2}}}.} يُعرف هذا بقانون التربيع العكسي .

الموجات الكهرومغناطيسية

بالنسبة لموجة كهرومغناطيسية أحادية اللون تنتشر، مثل الموجة المستوية أو شعاع غاوسي ينتقل في وسط غير مغناطيسي، يرتبط متجه بوينتينغ المتوسط ​​زمنيًا بسعة المجال الكهربائي E بالعلاقة التالية: ⟨S⟩=جنϵ02هـ2،{\displaystyle \left\langle {\mathsf {S}}\right\rangle ={\frac {cn\epsilon _{0}}{2}}E^{2},} حيث c هي سرعة الضوء في الفراغ ، و n هو معامل انكسار الوسط، وϵ0{\displaystyle \epsilon _{0}}هي سماحية الفراغ .

ويمكن أيضاً ملاحظة العلاقة بالشدة من خلال النظر في متوسط ​​كثافة الطاقة للموجة مع مرور الوقت: ⟨يو⟩=ن2ϵ02هـ2.{\displaystyle \left\langle U\right\rangle ={\frac {n^{2}\epsilon _{0}}{2}}E^{2}.} إن شدة الإشعاع المحلية هي ببساطة كثافة الطاقة مضروبة في سرعة الموجة .جن{\displaystyle {\tfrac {c}{n}}}⁠ : أنا=جنϵ02هـ2.{\displaystyle I={\frac {\mathrm {c} n\epsilon _{0}}{2}}E^{2}.}

بالنسبة للأمواج غير أحادية اللون، يمكن ببساطة جمع مساهمات شدة المكونات الطيفية المختلفة.

لا تنطبق المعالجة المذكورة أعلاه على المجالات الكهرومغناطيسية العشوائية، ولكن لا يزال من الصحيح في كثير من الأحيان أن مقدار متجه بوينتينغ المتوسط ​​زمنيًا يتناسب مع كثافة الطاقة المتوسطة زمنيًا بمعاملج{\displaystyle c}: [ 1 ]

أنا=⟨S⟩∝ج⟨يو⟩{\displaystyle I=\langle S\rangle \propto c\langle U\rangle }

قد تمتلك الموجة المتلاشية سعة كهربائية محدودة دون أن تنقل أي طاقة. ويمكن تعريف شدة الموجة المتلاشية بأنها مقدار متجه بوينتينغ . [ 2 ]

حزم الإلكترون

في حزم الإلكترونات ، تُعرَّف الشدة بأنها احتمال وصول الإلكترونات إلى موضع محدد على الكاشف (مثل جهاز اقتران الشحنات [ 3 ] )، والذي يُستخدم لإنتاج صور تُفسَّر من حيث البنية المجهرية للمواد غير العضوية أو البيولوجية، بالإضافة إلى البنية على المستوى الذري . [ 4 ] كما تُستخدم خريطة شدة الإلكترونات أو الأشعة السينية المتناثرة كدالة للاتجاه على نطاق واسع في علم البلورات . [ 4 ] [ 5 ]

تعريفات بديلة

في علم قياس الضوء والإشعاع ، يختلف معنى الشدة : فهي القدرة الضوئية أو الإشعاعية لكل وحدة زاوية مجسمة . قد يُسبب هذا لبسًا في علم البصريات ، حيث قد تعني الشدة أيًا من الشدة الإشعاعية ، أو الشدة الضوئية ، أو الإشعاعية ، وذلك بحسب خلفية الشخص الذي يستخدم المصطلح. كما يُطلق على الإشعاع أحيانًا اسم الشدة ، خاصةً من قِبل علماء الفلك والفيزياء الفلكية، وفي مجال انتقال الحرارة .

انظر أيضاً

الحواشي

  1. ↑ يُستخدم مصطلحا "الشدة" و "التدفق" بتعريفات متعددة وغير متسقة في الفيزياء والمجالات ذات الصلة. تتناول هذه المقالة مفهوم القدرة لكل وحدة مساحة، أياً كان المصطلح المُستخدم. أما في علم قياس الإشعاع، فيحمل مصطلحا "الشدة" و "التدفق" معاني مختلفة، لم يتم التطرق إليها هنا.

مراجع

  1. ↑ كلاين، مايلز؛ فورتاك، توماس (1985). البصريات . جون وايلي وأولاده، ص  49. ISBN 0-471-87297-0.
  2. ↑ باشوتا، روديجر (14 يناير 2008). "الشدة الضوئية" . موسوعة فيزياء الليزر والتكنولوجيا . آر بي فوتونيكس.
  3. ↑ سبنس، جيه سي إتش؛ زو، جيه إم (1988-09-01). "نظام كشف متوازي ذو نطاق ديناميكي واسع لتصوير حيود الإلكترونات" . مجلة الأدوات العلمية . 59 (9): 2102-2105 . رمز Bibcode : 1988RScI...59.2102S . doi : 10.1063/1.1140039 . ISSN 0034-6748 . 
  4. 1 2 كولي، جيه إم (1995). فيزياء الحيود . مكتبة نورث هولاند الشخصية ( الطبعة الثالثة). أمستردام: إلسيفير. ISBN  978-0-444-82218-5.
  5. ↑ كوليتي، ب.د.؛ ستوك، ستيوارت ر. (2001). أساسيات حيود الأشعة السينية ( الطبعة الثالثة). أبر سادل ريفر، نيوجيرسي: برنتيس هول. ISBN  978-0-201-61091-8.