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복사 에너지

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1. 개요

복사 에너지는 발생원에서 자유 공간으로 이동하는 에너지로, 전자기파, 음파, 물질파 등에 적용되는 개념이다. SI 단위는 줄(J)이며, 단위 시간당 복사 에너지를 복사속이라고 한다. 에너지 보존의 법칙에 따라, 에너지 발생원을 둘러싼 면을 통과하는 총 복사속은 에너지 발생원이 잃는 단위 시간당 에너지와 같다. 복사 에너지는 광자의 흐름 또는 진동하는 전기장과 자기장으로 볼 수 있으며, 주파수에 따라 다양한 에너지를 가질 수 있다. 물체에 흡수되면 열로 변환되거나 반사, 산란될 수 있으며, 개방계로 에너지가 들어가거나 나가는 메커니즘으로 작용한다. 복사 에너지는 복사 측정, 태양 에너지, 난방, 조명 등 다양한 분야에서 사용되며, 방사선량 측정에도 활용된다. 또한 복사 난방, 치료, 검사, 통신 등 다양한 응용 분야에서 활용된다.

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복사 에너지
기본 정보
종류전자기파 또는 중력파에 의해 운반되는 에너지
단위 (SI)(J)
상세 정보
설명물체에서 방출, 물체에 흡수되는 에너지의 형태
관련 물리량복사
전자기 복사
흑체 복사
열복사
복사 플럭스
복사 강도
분광 복사 휘도
특징파동의 형태로 공간을 전파
활용
예시태양 에너지

2. 정의

복사 에너지는 발생원에서 자유 공간으로 이동하는 에너지로, 물리량 중 하나이다. SI 단위(J)이다. 자유 공간의 어떤 면을 통과하는 단위 시간당 복사 에너지를 복사속이라고 한다. 에너지 보존의 법칙에 따라, 에너지 발생원(방사원)을 둘러싼 면을 통과하는 총 복사속은 에너지 발생원이 잃는 단위 시간당 에너지(일률)와 같다. 에너지의 복사라면 무엇이든 복사 에너지의 개념을 적용할 수 있다. 전자기파, 음파, 물질파 등이 이에 해당한다.

3. 분석

체렌코프 복사는 TRIGA 원자로의 노심에서 빛을 낸다.


전자기파(EM) 복사는 광자의 흐름으로 개념화될 수 있으므로 복사 에너지는 광자 에너지로 볼 수 있다. 즉, 이러한 광자가 전달하는 에너지로 볼 수 있다. 또는 EM 복사는 진동하는 전기장과 자기장에서 에너지를 전달하는 전자기파로 볼 수 있다. 이 두 가지 관점은 완전히 동일하며 양자장론에서 서로 일치한다 (파동-입자 이중성 참조).

EM 복사는 다양한 주파수를 가질 수 있다. 주어진 EM 신호에 존재하는 주파수 대역은 원자 스펙트럼에서 볼 수 있듯이 날카롭게 정의되거나, 흑체 복사에서와 같이 넓을 수 있다. 입자 관점에서 각 광자가 전달하는 에너지는 주파수에 비례한다. 파동 관점에서 단색파의 에너지는 세기에 비례한다. 이는 두 개의 EM 파동이 같은 세기를 가지지만 주파수가 다른 경우, 각 광자가 더 에너지가 많으므로 더 높은 주파수를 갖는 파동에 더 적은 수의 광자가 "포함"되어 있음을 의미한다.

EM 파동이 물체에 흡수되면 파동의 에너지는 로 변환된다 (또는 광전 효과 물질의 경우 전기로 변환된다). 이것은 햇빛이 조사하는 표면을 따뜻하게 하기 때문에 매우 친숙한 효과이다. 종종 이 현상은 특히 적외선 복사와 관련되지만, 모든 종류의 전자기 복사는 그것을 흡수하는 물체를 따뜻하게 한다. EM 파동은 또한 반사되거나 산란될 수 있으며, 이 경우 에너지가 재지향되거나 재분배된다.

3. 1. 개방계

개방계로 에너지가 들어가거나 나가는 메커니즘 중 하나는 복사 에너지이다.[8][9][10] 이러한 시스템은 태양 에너지 집열기와 같은 인공적인 것일 수도 있고, 지구 대기와 같이 자연적인 것일 수도 있다. 지구물리학에서, 온실 기체를 포함한 대부분의 대기 가스는 태양의 단파 복사 에너지가 지구 표면으로 통과하여 지면과 해양을 가열하도록 한다. 흡수된 태양 에너지는 부분적으로 장파 복사(주로 적외선 복사)로 재방출되며, 이 중 일부는 대기 중의 온실 기체에 의해 흡수된다. 복사 에너지는 핵융합의 결과로 태양에서 생성된다.[11]

4. 용어 사용 및 역사

"복사 에너지"라는 용어는 복사 측정법, 태양 에너지, 난방조명 분야에서 가장 일반적으로 사용되지만, 다른 분야(예: 통신)에서도 사용되기도 한다. 현대적인 응용 분야에서 한 위치에서 다른 위치로의 전력 전송과 관련된 경우, "복사 에너지"는 때때로 그들의 '에너지'(파동의 속성)가 아닌 ''전자기파 자체''를 지칭하는 데 사용된다. 과거에는 "전기 복사 에너지"라는 용어도 사용되었다.[4]

"복사 에너지"라는 용어는 중력파에도 적용된다.[5][6] 예를 들어, 최초로 관측된 중력파는 약 5.3줄의 중력파 에너지를 방출한 블랙홀 충돌에 의해 생성되었다.[7]

5. 방사선량

알파선, 베타선, 감마선방사선의 방사 에너지 중 생체의 분자 등에 흡수되는 에너지의 총합을 흡수 선량이라고 부른다. 더욱이, 흡수 선량의 인체에 대한 영향을 방사선 종류별로 가중치를 부여한 선량Sv 단위로 표시된다.

6. 응용

복사 에너지는 복사 난방에 사용된다.[12] 이는 적외선 램프를 통해 전기적으로 생성되거나, 햇빛으로부터 흡수되어 물을 데우는 데 사용될 수 있다. 열 에너지는 따뜻한 요소(바닥, 벽, 천장 패널)에서 방출되어 공기를 직접 데우는 대신 방 안의 사람과 다른 물체를 따뜻하게 한다. 이 때문에 실내 온도는 기존 난방 건물보다 낮을 수 있지만, 방은 똑같이 편안하게 느껴진다.

복사 에너지의 다양한 다른 응용 분야가 고안되었다.[13] 여기에는 치료 및 검사, 분리 및 분류, 제어 매체, 통신 매체가 포함된다. 이러한 많은 응용 분야에는 복사 에너지원과 해당 복사에 반응하여 복사의 일부 특성을 나타내는 신호를 제공하는 감지기가 포함된다. 복사 에너지 감지기는 전위 증가 또는 감소, 전류 흐름 또는 사진 필름 노출과 같은 기타 인지 가능한 변화로 입사 복사 에너지에 반응한다.

7. SI 복사량 단위

플럭스 밀도Ee와트 매 제곱미터W/m2MT−3단위 면적당 표면수신된 복사속. 때때로 "강도"라고도 한다.스펙트럼 조사도
스펙트럼 플럭스 밀도Ee,ν와트 매 제곱미터 매 헤르츠W⋅m−2⋅Hz−1MT−2단위 주파수 또는 파장당 표면의 조사도. 때때로 "스펙트럼 강도"라고도 한다. 스펙트럼 플럭스 밀도의 비 SI 단위에는 잔스키 및 태양 플럭스 단위 가 포함된다.Ee,λ와트 매 제곱미터 매 미터W/m3ML−1T−3방사율Je와트 매 제곱미터W/m2MT−3단위 면적당 표면에서 발산 (방출, 반사 및 투과)되는 복사속. 때때로 "강도"라고도 한다.스펙트럼 방사율Je,ν와트 매 제곱미터 매 헤르츠W⋅m−2⋅Hz−1MT−2단위 주파수 또는 파장당 표면의 방사율. 후자는 일반적으로 W⋅m−2⋅nm−1으로 측정된다. 때때로 "스펙트럼 강도"라고도 한다.Je,λ와트 매 제곱미터 매 미터W/m3ML−1T−3복사 발산도Me와트 매 제곱미터W/m2MT−3단위 면적당 표면에서 방출되는 복사속. 방사율의 방출 구성 요소이다. "복사 방출"은 이 물리량에 대한 오래된 용어이다. 때때로 "강도"라고도 한다.스펙트럼 발산도Me,ν와트 매 제곱미터 매 헤르츠W⋅m−2⋅Hz−1MT−2단위 주파수 또는 파장당 표면의 복사 발산도. 후자는 일반적으로 W⋅m−2⋅nm−1으로 측정된다. "스펙트럼 방출"은 이 물리량에 대한 오래된 용어이며, 때때로 "스펙트럼 강도"라고도 한다.Me,λ와트 매 제곱미터 매 미터W/m3ML−1T−3복사 노출He줄 매 제곱미터J/m2MT−2단위 면적당 표면에 수신된 복사에너지, 또는 등가적으로 조사의 시간 동안 적분된 표면의 조사도. "복사 유량"이라고도 한다.스펙트럼 노출He,ν줄 매 제곱미터 매 헤르츠J⋅m−2⋅Hz−1MT−1단위 주파수 또는 파장당 표면의 복사 노출. 후자는 일반적으로 J⋅m−2⋅nm−1으로 측정된다. "스펙트럼 유량"이라고도 한다.He,λ줄 매 제곱미터 매 미터J/m3ML−1T−2


참조

[1] 웹사이트 Radiant energy https://web.archive.[...] Federal standard 1037C
[2] 서적 Physics: Advanced Course
[3] PDF Visibility of Radiant Energy https://nvlpubs.nist[...]
[4] 특허 Transmitting apparatus, Signaling by electroradiant energy, Radio apparatus
[5] 서적 Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves https://books.google[...] Princeton University Press 2007-04-15
[6] 학술지 Cutting the Galaxy's losses https://books.google[...] 1972-02-17
[7] 학술지 Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger 2016-02-11
[8] 서적 Fundamentals of Engineering Thermodynamics John Wiley and Sons
[9] 서적 Elemental Geosystems Prentice Hall 2003
[10] 웹사이트 The Earth as a System http://www.newciv.or[...] 2021-04-22
[11] 웹사이트 Energy transformation http://assets.cambri[...]
[12] 특허 Method of generating radiant energy and projecting same through free air for producing heat
[13] 웹사이트 Class 250, Radiant Energy http://www.uspto.gov[...] USPTO 2006-03
[14] 웹사이트 Radiant energy http://www.its.bldrd[...] Federal standard 1037C 2017-11-15
[15] 서적 Physics: Advanced Course
[16] PDF Visibility of Radiant Energy http://nvl.nist.gov/[...] 2009-09-29



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