세기 (물리)

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1. 개요
2. 수학적 정의
3. 전자빔
- 3.1. 결정학 응용
4. 측광학 및 복사 측정법에서의 정의
- 4.1. 천문학 및 천체 물리학
참조

1. 개요

세기는 물리학에서 단위 면적당 에너지 흐름률을 의미하며, 점 광원으로부터의 거리 제곱에 반비례하여 감소한다. 전자기파의 경우 전기장의 복소 진폭을 이용하여 세기를 계산하며, 비단색파는 각 스펙트럼 성분의 세기를 합하여 계산한다. 전자빔의 세기는 검출기에 전자가 도달할 확률을 나타내며, 결정학에서 구조 분석에 활용된다. 또한, 측광학 및 복사 측정법에서는 단위 입체각당 광도 또는 복사 전력을 의미하며, 문맥에 따라 복사 세기, 광도, 조도, 복사 휘도 등을 지칭하기도 한다.

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물리량 - 전위
전위는 전기장 내 단위 전하의 위치 에너지로, 정전기학에서는 기준점에 따라 정의되며 전위차만이 의미를 갖고, 전기장의 음의 기울기로 표현되고, 전기 공학에서는 회로 해석에 활용된다.
물리량 - 전기장
전기장은 공간의 각 지점에서 단위 전하가 받는 힘으로 정의되는 벡터장으로, 전하 또는 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 발생하며, 전기력선으로 표현되고 맥스웰 방정식으로 기술되는 전자기장의 한 요소이다.

세기 (물리)
일반 정보
정의	단위 면적당 전달되는 에너지의 양
SI 단위	와트 매 제곱미터 (W⋅m⁻²)
차원	L⁻² M T⁻³
파생	복사 플럭스 밀도, 음향 강도
정의
설명	세기는 단위 면적당 전달되는 힘으로, 에너지가 전달되는 비율을 나타낸다.
기호	I
수식	I = P / A
수식 설명	I: 세기 P: 일률 A: 면적
단위	와트 매 제곱미터 (W/m²)
음향 강도
설명	음향 강도는 소리의 세기를 나타내는 물리량이다.
수식	I = p² / (ρv)
수식 설명	I: 음향 강도 p: 음압 ρ: 밀도 v: 음속
전자기파 강도
설명	전자기파 강도는 전자기파의 세기를 나타내는 물리량이다.
수식	I = c ε₀ E² / 2 = c B² / (2 μ₀)
수식 설명	I: 전자기파 강도 c: 광속 ε₀: 진공 유전율 E: 전기장의 크기 B: 자기장의 크기 μ₀: 진공 투자율
다른 양과의 관계
설명	세기는 에너지 플럭스 밀도와 관련이 있다.
관계	세기 = 에너지 플럭스 밀도

2. 수학적 정의

점 광원이 모든 방향으로 에너지를 방출하고, 매질에 의해 에너지가 흡수되거나 산란되지 않는다면, 세기는 물체로부터의 거리의 제곱에 반비례하여 감소한다. 이는 역제곱 법칙의 한 예이다.^[1]

에너지 보존 법칙을 적용하면, 방출되는 순 전력이 일정할 때,

: $P = \int \mathbf I\, \cdot d\mathbf A,$

여기서

P는 방출되는 순 전력,
'''I'''는 위치의 함수로서의 세기 벡터,
|'''I'''|는 위치의 함수로서의 세기,
d'''A'''는 소스를 포함하는 닫힌 표면의 미분 요소이다.

균일한 세기, |''I''| = const를 세기 벡터에 수직인 표면(예: 점 광원을 중심으로 하는 구)에 대해 적분하면, 방정식은 다음과 같다.

:

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

여기서

|''I''|는 구의 표면에서의 세기,
''r''은 구의 반지름,
$A_\mathrm{surf} = 4\pi r^2$ 는 구의 표면적이다.

|''I''|에 대해 풀면 다음과 같다.

:

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

매질이 감쇠되면, 세기는 위의 방정식이 제시하는 것보다 더 빠르게 감소한다.

에너지를 전달할 수 있는 모든 것은 관련된 세기를 가질 수 있다. 평면파 또는 가우시안 빔과 같은 단색 전파 전자기파의 경우, ''E''가 전기장의 복소 진폭이면, 비자성 물질에서 이동하는 파동의 시간 평균 에너지 밀도는 다음과 같다.

:

\left\langle U \right \rangle = \frac{n^2 \varepsilon_0}{2} |E|^2,

그리고 국부 세기는 이 식에 파동 속도(

\frac{\mathrm{c}}{n}

)를 곱하여 얻어진다.

:

I = \frac{\mathrm{c} n \varepsilon_0}{2} |E|^2,

여기서

''n''은 굴절률,
''c''는 진공에서의 빛의 속도,
$\varepsilon_0$ 은 진공 유전율이다.

비단색파의 경우, 각 스펙트럼 성분의 세기 기여를 합하여 전체 세기를 계산한다. 위의 처리는 임의의 전자기장에는 적용되지 않는다. 예를 들어, 표면파는 전력을 전달하지 않으면서 유한한 전기적 진폭을 가질 수 있다. 그러면 세기는 포인팅 벡터의 크기로 정의되어야 한다.^[1]

2. 1. 점 광원

점 광원이 모든 방향으로 에너지를 방출하고(구면파 생성), 매질에 의해 에너지가 흡수되거나 산란되지 않는다면, 세기는 물체로부터의 거리의 제곱에 반비례하여 감소한다. 이는 역제곱 법칙의 한 예이다.^[1]

에너지 보존 법칙을 적용하면, 방출되는 순 전력이 일정할 때,

:

P = \int \mathbf I\, \cdot d\mathbf A,

여기서

P는 방출되는 순 전력이고,
I는 위치의 함수로서의 세기 벡터이고,
|I|는 위치의 함수로서의 세기이고,
d'''A'''는 소스를 포함하는 닫힌 표면의 미분 요소이다.

균일한 세기, |''I''| = const를 세기 벡터에 수직인 표면, 예를 들어 점 광원을 중심으로 하는 구에 대해 적분하면, 방정식은 다음과 같다.

:

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

여기서

|''I''|는 구의 표면에서의 세기이고,
''r''은 구의 반지름이고,
$A_\mathrm{surf} = 4\pi r^2$ 는 구의 표면적에 대한 식이다.

|''I''|에 대해 풀면 다음과 같다.

:

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

매질이 감쇠되면, 세기는 위의 방정식이 제시하는 것보다 더 빠르게 감소한다.^[1]

2. 2. 전자기파

평면파 또는 가우시안 빔과 같은 단색 전파 전자기파의 경우, 전기장의 복소 진폭이

E

이면, 비자성 물질에서 이동하는 파동의 시간 평균 에너지 밀도는 다음과 같다.

:

\left\langle U \right \rangle = \frac{n^2 \varepsilon_0}{2} |E|^2,

그리고 국부 세기는 이 표현식에 파동 속도

\frac{\mathrm{c}}{n}

를 곱하여 얻어진다.

:

I = \frac{\mathrm{c} n \varepsilon_0}{2} |E|^2,

여기서

$n$ 은 굴절률이고,
$c$ 는 진공에서의 빛의 속도이고,
$\varepsilon_0$ 은 진공 유전율이다.^[1]

2. 3. 비단색파

비단색파의 경우, 각 스펙트럼 성분의 강도 기여를 합하여 전체 강도를 계산한다. 위의 처리는 임의의 전자기장에는 적용되지 않는다. 예를 들어, 표면파는 전력을 전달하지 않으면서 유한한 전기적 진폭을 가질 수 있다. 그러면 세기는 포인팅 벡터의 크기로 정의되어야 한다.^[1]

2. 4. 감쇠 매질

매질이 감쇠되면, 세기는 역제곱 법칙에서 제시하는 것보다 더 빠르게 감소한다.^[1]

3. 전자빔

전자빔의 '강도'는 전하 결합 소자와 같은 검출기의 특정 위치에 전자가 도달할 확률이며, 이는 무기 또는 생물학적 재료의 미세 구조 및 원자 규모 구조 이미징에 사용된다.^[3]

3. 1. 결정학 응용

전자빔의 경우, ''강도''는 전하 결합 소자와 같은 검출기의 특정 위치에 전자가 도달할 확률이며, 이는 무기 또는 생물학적 재료의 미세 구조뿐만 아니라 원자 규모 구조를 분석하는데 활용된다.^[3] 산란된 전자 또는 X선의 강도 분포는 결정학에서 물질의 구조 분석에 활용된다.^[3]^[4]

4. 측광학 및 복사 측정법에서의 정의

측광학과 복사 측정법에서 ''세기''는 단위 입체각당 광도 또는 복사 전력을 의미한다. 이는 광학에서 혼동을 야기할 수 있는데, 용어를 사용하는 사람의 배경에 따라 ''세기''가 복사 세기, 광도, 조도 중 하나를 의미할 수 있기 때문이다.

4. 1. 천문학 및 천체 물리학

측광학과 복사 측정법에서 세기는 단위 입체각당 광도 또는 복사 전력을 의미한다. 이는 광학에서 혼동을 야기할 수 있는데, 용어를 사용하는 사람의 배경에 따라 세기가 복사 세기, 광도, 조도 중 하나를 의미할 수 있기 때문이다. 복사 휘도는 특히 천문학자, 천체 물리학자 및 열전달 분야에서 세기라고 불리기도 한다.^[1]

참조

_[1] 백과사전 Optical Intensity https://www.rp-photo[...] RP Photonics
_[2] 학술지 Large dynamic range, parallel detection system for electron diffraction and imaging https://doi.org/10.1[...] 1988-09-01
_[3] 서적 Diffraction physics https://en.wikipedia[...] Elsevier 1995
_[4] 서적 Elements of X-ray diffraction https://en.wikipedia[...] Prentice Hall 2001
_[5] 웹인용 intensity http://www.merriam-w[...] 2015-02-15

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