Интенсивность как физическая величина¶

Интенсивность — физическая величина, количественно характеризующая поток энергии или другой скалярной величины, переносимой через единицу площади поверхности в единицу времени в заданном направлении. В системе СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Понятие применяется в акустике, оптике, радиотехнике, электродинамике, механике сплошных сред и других разделах физики, а также в переносном смысле — для описания меры напряжённости процессов в экономике, спорте и иных областях.

¶Определение и математическая форма

Для точечного источника, излучающего равномерно во все стороны, интенсивность на расстоянии r от источника обратно пропорциональна квадрату расстояния:

I = P / (4πr²),

где P — полная мощность излучения. Эта зависимость отражает закон сохранения энергии: одна и та же мощность распределяется по всё большей площади сферы.

В общем случае интенсивность определяется как модуль среднего значения вектора Умова — Пойнтинга. Для электромагнитной волны в вакууме вектор Умова — Пойнтинга равен векторному произведению напряжённостей электрического и магнитного полей:

S = E × H.

Средняя по времени интенсивность гармонической волны пропорциональна квадрату амплитуды: I = ½ ε₀ c E₀², где ε₀ — электрическая постоянная, c — скорость света, E₀ — амплитуда напряжённости электрического поля.

¶Интенсивность в разных разделах физики

¶Акустика

В акустике интенсивность звука — это средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единицу площади перпендикулярно направлению распространения. Для плоской волны I = p² / (2ρc), где p — звуковое давление, ρ — плотность среды, c — скорость звука. Величина ρc называется удельным акустическим сопротивлением.

Поскольку человеческое ухо воспринимает огромный диапазон интенсивностей — от порога слышимости (около 10⁻¹² Вт/м² на частоте 1 кГц) до болевого порога (порядка 10 Вт/м²), — на практике используют логарифмическую шкалу: уровень интенсивности L = 10 lg(I/I₀), выраженный в децибелах.

¶Оптика

В фотометрии различают энергетические и световые величины. Энергетическая интенсивность (облучённость) измеряется в Вт/м², а световая — в люксах. Для лазерного излучения достижимы интенсивности порядка 10²² Вт/м² и выше при фокусировке сверхкоротких импульсов, что позволяет наблюдать нелинейные эффекты и даже рождение электрон-позитронных пар в вакууме.

¶Радиотехника

Плотность потока мощности радиоволн определяет зону покрытия передатчиков, нормы электромагнитной безопасности и качество радиосвязи. Санитарные нормы в России ограничивают допустимую интенсивность электромагнитного излучения в жилых помещениях.

¶Единицы и измерение

¶Интенсивность в переносном значении

Помимо физики, термин широко используется для описания меры напряжённости нематериальных процессов:

• Интенсивность труда — количество затрат рабочей силы в единицу времени; в экономике труда связана с нормированием и производительностью.
• Интенсивность тренировок — в спорте выражается через процент от максимального потребления кислорода, частоту сердечных сокращений или рабочий вес.
• Интенсивность движения — в транспортной науке означает число автомобилей, проходящих через сечение дороги за час.
• Интенсивность отказов — в теории надёжности характеристика безотказности технических устройств, измеряемая числом отказов в единицу времени.

¶Историческая справка

Понятие потока энергии ввёл в 1874 году русский физик Николай Алексеевич Умов, а независимо от него в 1884 году — английский физик Джон Генри Пойнтинг. Вектор Умова — Пойнтинга стал основой для количественного описания переноса энергии в поле. Значительный вклад в теорию интенсивности звука внесли работы лорда Рэлея, а в оптику — труды Макса Планка и Альберта Эйнштейна, связавшие интенсивность излучения с квантовыми представлениями.

¶См. также

Связанными понятиями являются мощность, поток излучения, освещённость, громкость, доза излучения.

Источники: Сивухин Д. В. «Общий курс физики»; Ландсберг Г. С. «Оптика»; Исакович М. А. «Общая акустика»; ГОСТ 8.417-2002; материалы по электромагнитной безопасности.