Ergänzung 1.7: Strahlungsgrößen und Radiometrie (1/7)
In den SEOS-Lerneinheiten werden vielfach ähnlich lautende Strahlungsgrößen wie etwa die Bestrahlungsstärke, die Strahldichte oder die Strahlstärke genutzt. Ihre unterschiedliche Bedeutung ist nicht immer ganz offensichtlich. Dies gilt auch für die Methoden ihrer Messung, die sogenannte Radiometrie. Manche Größen werden etwa in der Astronomie oder Kernphysik anders bezeichnet als in der physikalischen Optik, an der wir uns hier orientieren.
Hinzu kommt, dass manche Größen - sehr verwirrend - in verschiedenen Sprachen ähnlich heißen, aber nicht das Gleiche bedeuten. So entspricht die intensity im Englischen einer Strahlungsleistung (Watt) in einem Raumwinkel (Steradiant), aber das deutsche Wort Intensität ist physikalisch gar nicht definiert und wird nur umgangssprachlich genutzt; die intensity ist auf deutsch die Strahlstärke.
Hier werden daher die wichtigsten Größen auch mit den englischen Bezeichnungen dargestellt.
Anders als Strahlungsgrößen beziehen sich physiologische Größen auf die subjektive Wahrnehmung des Lichts mit dem Auge und sind durch das spektrale visuelle Sehvermögen zu erklären: im Blauen und Grünen wird die gleiche physikalische Strahlungsleistung unterschiedlich hell empfunden, was für die Beleuchtungstechnik sehr bedeutsam ist. Beispiele solcher Größen aus der Lichttechnik oder Fotometrie sind das Lumen für die visuelle Helligkeit einer Lampe und das Lux für ihre Beleuchtungsstärke auf einer Fläche. Dies hat in der physikalischen Optik eher geringe Bedeutung und wird daher hier nicht weiter betrachtet.
Die Strahlungsleistung (engl.: radiant flux oder radiant power)
Die Strahlungsleistung, auch als Strahlungsfluss bezeichnet, entspricht der
in allen Richtungen vorhandenen Leistung elektromagnetischer Wellen oder Photonen. Dies kann die
Emission eines Strahlers sein, die auf ein Objekt fallende Strahlung, oder auch die an einer bestimmten
Stelle im Raum vorhandene Strahlung entfernter Quellen.
Formelzeichen: oder P; wir verwenden
Maßeinheit: Watt,
Beispiele
- Die Gesamtstrahlung der Sonne in den Weltraum hat die Leistung 387,5·1024 W.
- Die an einem wolkenfreien Sommertag mittags bei uns ankommende Strahlung der Sonne ist beeindruckende 1000 W/m².
- Die Strahlungsleistung einer LED-Leuchte, die 9 W elektrische Leistung aufnimmt, ist etwa 4 W. Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 40 bis 50%; viel höher als der Wirkungsgrad einer Glühlampe, die nur etwa 5% beträgt, da sie vor allem im Infrarot emittiert.
Messung der Strahlungsleistung
Die Strahlungsleistung spektral breiter Lichtquellen kann mit thermischen Detektoren direkt gemessen werden, da ihre Empfindlichkeit nicht von der Wellenlänge abhängt. Die Absorption auf einer geschwärzten Fläche ist von der Wellenlänge unabhängig und lässt sich daher für diesen Zweck vorteilhaft nutzen. Hier kommt das Wellenmodell des Lichts zum Tragen, bei dem die Wellenlänge für die Intensität (oder: die Strahlungsleistung) keine Rolle spielt. Die durch Absorption entstehende Wärme ändert die Eigenschaften des Detektors, zum Beispiel seinen elektrischen Widerstand, woraus die Strahlungsleistung berechnet wird. In einer weiteren Ergänzung finden Sie mehr Informationen über thermische Detektoren.
Bei Quantendetektoren, zu denen beispielsweise die Halbleiter-Fotodioden gehören, ist die Photonenenergie und damit die Wellenlänge für die Messung entscheidend und muss bei der Messung von Strahlungsleistungen berücksichtigt werden. Für die Leistungsmessung schmalbandiger Strahler wie z.B. Laser wird die spektrale Empfindlichkeit der Fotodiode dem Datenblatt entnommen oder für Präzisionsmessungen mit einer Kalibrierung bestimmt. Bei breitbandigen Strahlungsquellen muss mit einem spektral kalibrierten Spektrometer das gesamte Spektrum gemessen und über alle Wellenlängen integriert werden; hier sind spektral unabhängige thermische Detektoren von Vorteil.
Mit beiden Detektortypen kann man auch die Temperatur schwarzer Strahler messen. Sie werden dann als Pyrometer bezeichnet.
