Supplément 1.7: Grandeurs radiatives et radiométrie      (1/5)

Les modules d'apprentissage SEOS utilisent souvent des grandeurs de rayonnement similaires, telles que l'éclairement, l'intensité énergétique ou la luminance énergétique. Leur signification différente n'est pas toujours évidente. Cela vaut également pour les méthodes utilisées pour les mesurer, appelées radiométrie. Certaines grandeurs sont désignées différemment en astronomie ou en physique nucléaire par rapport à l'optique physique, qui nous sert ici de référence.

De plus, certaines unités ont des noms similaires dans différentes langues, mais ne signifient pas la même chose, ce qui peut prêter à confusion. Par exemple, le terme intensity en anglais correspond au flux énergétique (watts) dans un angle solide (stéradian), mais le mot allemand Intensität n'est pas défini en physique et n'est utilisé que dans le langage courant ; intensity en français est intensité énergétique. C'est pourquoi les principales grandeurs sont également indiquées ici avec leurs désignations anglaises.

Le flux énergétique (en englais: radiant flux ou radiant power)

Le flux énergétique, ou la puissance rayonnée, correspond à la puissance des ondes électro­magnétiques ou des photons présents dans toutes les directions. Il peut s'agir de l'émission d'un radiateur, du rayonnement incident sur un objet ou du rayonnement provenant de sources éloignées et présent à un endroit donné dans l'espace.

Symbole : $\Phi$ ou P ; nous utilisons $\Phi$
Unité de mesure : Watt, $\left[\Phi \right]=\text{W}$

Exemples

• La puissance de rayonnement d'une lampe LED qui consomme 9 W d'électricité est d'environ 4 W. Cela correspond à un rendement de 40 à 50 %, bien supérieur à celui d'une ampoule à incandescence, qui n'est que d'environ 5 %, car elle émet principalement dans l'infrarouge.
• Le rayonnement solaire qui nous parvient à midi lors d'une journée d'été sans nuages atteint l'impressionnante valeur de 1000 W/m².
• Le rayonnement total du soleil dans l'espace a une puissance de 387,5·10²⁴ W.

Mesure du flux énergétique

l faut un capteur dont la sensibilité est connue, généralement indiquée sous forme de signal de sortie électrique (ampères ou volts) par puissance rayonnée (watts). Exemple : une photodiode à semi-conducteur a une sensibilité de 0,5 A/W pour un rayonnement d'une certaine longueur d'onde. Le capteur a une surface sensible de taille connue. Le signal électrique est divisé par la sensibilité, ce qui donne la puissance rayonnante tombant sur la surface du capteur, puis multiplié par la surface du capteur. On obtient ainsi la puissance rayonnante tombant sur le capteur.

Le flux énergétique des sources lumineuses à large spectre peut être mesurée directement à l'aide de détecteurs thermiques, car leur sensibilité ne dépend pas de la longueur d'onde. L'absorption sur une surface noircie est indépendante de la longueur d'onde et peut donc être utilisée à cette fin. C'est ici que le modèle ondulatoire de la lumière entre en jeu, selon lequel la longueur d'onde n'a aucune incidence sur l'intensité (ou la puissance de rayonnement). La chaleur générée par l'absorption modifie les propriétés du détecteur, par exemple sa résistance électrique, à partir de laquelle la puissance de rayonnement est calculée. Vous trouverez plus d'informations sur les détecteurs thermiques dans un autre supplément.

Dans le cas des détecteurs quantiques, dont font partie par exemple les photodiodes à semi-conducteurs ou les photomultiplicateurs (en anglais : Photomultiplier, PMT), l'énergie photonique et donc également la longueur d'onde sont déterminantes pour la mesure et doivent être prises en compte lors de la mesure du flux énergétique. Pour les mesures de précision, un détecteur peut être calibré à l'aide d'un étalon lumineux. Dans le cas de sources de rayonnement à large bande, en raison de la sensibilité variable du détecteur, l'ensemble du spectre doit être mesuré à l'aide d'un spectromètre calibré spectralement, puis intégré sur toutes les longueurs d'onde ; les détecteurs thermiques indépendants du spectre sont ici très avantageux.

Les deux types de détecteurs permettent également de mesurer la température des émetteurs noirs. Ils sont alors appelés pyromètres.

Ces capteurs sont présentés plus en détail dans le Supplément 1.10 : Détecteurs de rayonnement.