Intensität (Physik)

Intensität (Physik)

Physikalische Größe
Name Intensität
Formelzeichen $ I $
Größen- und
Einheitensystem
Einheit Dimension
SI W·m−2 = kg·s−3 M·T−3

Die Intensität oder Strahlungsintensität ist in der Physik die Flächenleistungsdichte beim Transport von Energie. Die Bezeichnung wird meist für Wellenphänomene wie Schall oder elektromagnetische Strahlung verwendet, seine Definition umfasst aber auch alle anderen Arten von Energietransport. Für eine gegebene Fläche im Raum berechnet sie sich als Quotient aus der durch die Fläche übertragenen Leistung und der Größe der Fläche oder als Produkt aus der Energiedichte der Geschwindigkeit des Energietransports.

Als Intensität wird außerhalb der Physik auch „Stärke“, „Kraft“, „Amplitude“, oder „Pegel“ bezeichnet.

Verwandte Größen in der Radio- und Photometrie sind[1]:

  • Bestrahlungsstärke (radiometrisch): die Intensität elektromagnetischer Strahlung
  • Strahlungsintensität (radiometrisch): auf den Raumwinkel bezogene (meist abgehende) Leistung elektromagnetischer Strahlung
  • Lichtstärke (photometrisch): Strahlungsintensität gewichtet mit der Empfindlichkeit des Auges

Intensität in der Wellenlehre

Die Intensität elektromagnetischer Strahlung ist das zeitliche Mittel ($ \textstyle\langle \dots\rangle_t $) des Poynting-Vektors $ \textstyle S $

$ I = \langle S\rangle_t $

In Medien ohne Dispersion mit der Energiedichte $ \textstyle W $ gilt der Zusammenhang mit der Gruppengeschwindigkeit $ \textstyle v_\mathrm{gr} $ als

$ I = \langle W\rangle_t \; v_\mathrm{gr} \, $

Die Intensität ist proportional zum Quadrat der Amplitude $ \textstyle A $ der Welle:

$ I \propto A^2 \, $.

Bei einer monochromatischen, linear polarisierten elektromagnetischen Welle im Vakuum ist die Intensität[2]:

$ I = \frac{c \varepsilon_0}{2} E_0^2 = \frac{c}{2 \mu_0} B_0^2 $

Dabei ist $ \textstyle c $ die Lichtgeschwindigkeit, $ \textstyle \varepsilon_0 $ die elektrische Feldkonstante sowie $ \textstyle E_0 $ und $ \textstyle B_0 $ die maximale Amplitude des elektrischen bzw. magnetischen Felds der Welle.

In linearen dielektrischen Medien mit dem Brechungsindex $ \textstyle n $ gilt:

$ I = \frac{1}{2} c n \varepsilon_0 E_0^2 $

Intensität einer Punktquelle

Strahlt eine Punktquelle die Leistung $ \textstyle P $ in drei Dimensionen aus und gibt es keinen Energieverlust, dann fällt die Intensität quadratisch mit dem Abstand $ \textstyle r $ vom Objekt ab:

$ I = \frac{P}{4 \pi r^2} \, $.

Einfluss eines Mediums

Wenn das Medium dämpft (absorbiert), verliert die Welle Energie, welche beispielsweise in Wärmeenergie umgewandelt wird. Nimmt man an, dass die Intensitätsabnahme proportional der am jeweiligen Ort vorhandenen Intensität ist, ergibt sich analog zum Zerfallsgesetz ein exponentieller Verlauf, das sogenannte Lambert-Beersche Gesetz:

$ I(r) = I_0 \cdot e^{-\mu r} \,. $

Mit zunehmender Ausbreitung der Welle im Medium nimmt also deren Intensität exponentiell ab. Der Absorptionskoeffizient $ \mu $ beschreibt dabei die Materialeigenschaften des durchquerten Mediums.

Siehe auch

  • Lambert-Strahler (Optik)
  • Kugelstrahler, isotroper Strahler (Antennentechnik)
  • Schallintensität

Weblinks

 Wiktionary: Intensität – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. Frank L. Pedrotti: Optik für Ingenieure: Grundlagen ; mit 28 Tabellen; Introduction to optics dt., 3. Auflage, Springer, DE-832 UGH1219(3) 00000000 (ILL Ausleihe) 2005, ISBN 3-540-22813-6; 978-3-540-22813-6.
  2. David J. Griffiths: Introduction to Electrodynamics, 3rd ed. Auflage, Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J 1999, ISBN 0-13-805326-X.

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