Intensidad (física)

Potencia transferida por unidad de área

En física y muchas otras áreas de la ciencia y la ingeniería, la intensidad o flujo de energía radiante es la potencia transferida por unidad de área , donde el área se mide en el plano perpendicular a la dirección de propagación de la energía. ^[a] En el sistema SI , tiene unidades vatios por metro cuadrado (W/m2 ⁾ , o kg ⋅ s ⁻³ en unidades base . La intensidad se utiliza con mayor frecuencia con ondas como las ondas acústicas ( sonido ), ondas de materia como los electrones en microscopios electrónicos y ondas electromagnéticas como la luz o las ondas de radio , en cuyo caso se utiliza la transferencia de potencia promedio durante un período de la onda. La intensidad se puede aplicar a otras circunstancias en las que se transfiere energía. Por ejemplo, se podría calcular la intensidad de la energía cinética transportada por gotas de agua de un aspersor de jardín .

La palabra "intensidad" tal como se utiliza aquí no es sinónimo de "fuerza", "amplitud", "magnitud" o "nivel", como a veces lo es en el lenguaje coloquial.

La intensidad se puede hallar tomando la densidad de energía (energía por unidad de volumen) en un punto del espacio y multiplicándola por la velocidad a la que se mueve la energía. El vector resultante tiene las unidades de potencia divididas por el área (es decir, la densidad de potencia superficial ). La intensidad de una onda es proporcional al cuadrado de su amplitud. Por ejemplo, la intensidad de una onda electromagnética es proporcional al cuadrado de la amplitud del campo eléctrico de la onda .

Descripción matemática

Si una fuente puntual irradia energía en todas direcciones (lo que produce una onda esférica ) y el medio no absorbe ni dispersa energía, la intensidad disminuye en proporción al cuadrado de la distancia al objeto. Este es un ejemplo de la ley del cuadrado inverso .

Aplicando la ley de conservación de la energía , si la potencia neta emanada es constante, donde $P=\int \mathbf {I} \,\cdot d\mathbf {A} ,$

$P$ es la potencia neta radiada;
$I$ es el vector de intensidad en función de la posición;
la magnitud $| I |$ es la intensidad en función de la posición;
$d A$ es un elemento diferencial de una superficie cerrada que contiene la fuente.

Si se integra una intensidad uniforme, $| I | = const.$ , sobre una superficie que es perpendicular al vector de intensidad, por ejemplo sobre una esfera centrada alrededor de la fuente puntual, la ecuación se convierte en donde $P=|I|\cdot A_{\mathrm {surf}}=|I|\cdot 4\pi r^{2},$

$| I |$ es la intensidad en la superficie de la esfera;
$r$ es el radio de la esfera;
$A_{\mathrm {surf} }=4\pi r^{2}$ es la expresión para el área de superficie de una esfera.

Resolviendo para $| I |$ se obtiene $|I|={\frac {P}{A_{\mathrm {surf} }}}={\frac {P}{4\pi r^{2}}}.$

Si el medio está amortiguado, la intensidad disminuye más rápidamente de lo que sugiere la ecuación anterior.

Todo lo que puede transmitir energía puede tener una intensidad asociada. Para una onda electromagnética monocromática que se propaga, como una onda plana o un haz gaussiano , si $E$ es la amplitud compleja del campo eléctrico , entonces la densidad de energía promediada en el tiempo de la onda, que viaja en un material no magnético, viene dada por: y la intensidad local se obtiene multiplicando esta expresión por la velocidad de la onda, ⁠ ⁠ donde $\left\langle U\right\rangle ={\frac {n^{2}\varepsilon _ {0}}{2}}|E|^{2},$ ${\tfrac {\mathrm {c} }{n}}\!:$ $I={\frac {\mathrm {c} n\varepsilon _ {0}}{2}}|E|^{2},$

$n$ es el índice de refracción ;
$c$ es la velocidad de la luz en el vacío ;
$ε 0$ es la permitividad del vacío .

En el caso de las ondas no monocromáticas, se pueden sumar las contribuciones de intensidad de los diferentes componentes espectrales. El tratamiento anterior no se aplica a campos electromagnéticos arbitrarios. Por ejemplo, una onda evanescente puede tener una amplitud eléctrica finita sin transferir ninguna potencia. La intensidad se debe definir entonces como la magnitud del vector de Poynting . ^[1]

haces de electrones

Para los haces de electrones , la intensidad es la probabilidad de que los electrones alcancen una posición particular en un detector (por ejemplo, un dispositivo acoplado a carga ^[2] ) que se utiliza para producir imágenes que se interpretan en términos tanto de microestructura de materiales inorgánicos o biológicos, como de estructura a escala atómica . ^[3] El mapa de la intensidad de los electrones dispersos o rayos X en función de la dirección también se utiliza ampliamente en cristalografía . ^[3]^[4]

Definiciones alternativas

En fotometría y radiometría, la intensidad tiene un significado diferente: es la potencia luminosa o radiante por unidad de ángulo sólido . Esto puede causar confusión en óptica , donde intensidad puede significar cualquiera de los dos: intensidad radiante , intensidad luminosa o irradiancia , dependiendo del contexto de la persona que utilice el término. A la radiancia también se la denomina a veces intensidad , especialmente por astrónomos y astrofísicos, y en transferencia de calor .

Véase también

Notas al pie

^ Los términos intensidad y flujo tienen múltiples definiciones inconsistentes en física y campos relacionados. Este artículo trata el concepto de potencia por unidad de área, como quiera que se le llame. En radiometría, los términos intensidad y flujo tienen significados diferentes, que no se abordan aquí.

Referencias

^ Paschotta, Rüdiger. "Intensidad óptica". Enciclopedia de física y tecnología láser . RP Photonics.
^ Spence, JCH; Zuo, JM (1988-09-01). "Sistema de detección paralela de amplio rango dinámico para difracción de electrones y formación de imágenes". Review of Scientific Instruments . 59 (9): 2102–2105. doi :10.1063/1.1140039. ISSN 0034-6748.
^ ab Cowley, JM (1995). Física de la difracción. Biblioteca personal de Holanda Septentrional (3.ª ed.). Ámsterdam: Elsevier. ISBN 978-0-444-82218-5.
^ Cullity, BD; Stock, Stuart R. (2001). Elementos de difracción de rayos X (3.ª ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 978-0-201-61091-8.

[1] Los términos intensidad y flujo tienen múltiples definiciones inconsistentes en física y campos relacionados. Este artículo trata el concepto de potencia por unidad de área, como quiera que se le llame. En radiometría, los términos intensidad y flujo tienen significados diferentes, que no se abordan aquí.

[2] Paschotta, Rüdiger. "Intensidad óptica". Enciclopedia de física y tecnología láser . RP Photonics.

[3] Spence, JCH; Zuo, JM (1988-09-01). "Sistema de detección paralela de amplio rango dinámico para difracción de electrones y formación de imágenes". Review of Scientific Instruments . 59 (9): 2102–2105. doi :10.1063/1.1140039. ISSN 0034-6748.

[:0-4] Cowley, JM (1995). Física de la difracción. Biblioteca personal de Holanda Septentrional (3.ª ed.). Ámsterdam: Elsevier. ISBN 978-0-444-82218-5.

[5] Cullity, BD; Stock, Stuart R. (2001). Elementos de difracción de rayos X (3.ª ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 978-0-201-61091-8.