Éclairement énergétique

Données clés
Unités SI	watt par mètre carré
Dimension	M·T −3
Nature	Grandeur scalaire intensive
Symbole usuel
Lien à d'autres grandeurs	=

L’éclairement énergétique ou irradiance est un terme radiométrique qui quantifie la puissance d'un rayonnement électromagnétique reçue par unité de surface perpendiculaire à sa direction. C'est la densité surfacique du flux énergétique arrivant au point considéré de la surface. Dans le Système international d'unités, elle s’exprime en watts par mètre carré (W/m² ou W m⁻²). La grandeur d'émission associée est l'exitance énergétique.

La distribution hémisphérique de l'éclairement énergétique reçu sur un élément de surface est la luminance énergétique. L'équivalent en photométrie de l'éclairement énergétique est l'éclairement lumineux.

L'éclairement énergétique ne considère que l'énergie arrivant sur l'élément de surface, par opposition à l'énergie émise par cet élément, qui est l'exitance.

L'irradiance peut être mesuré à l'aide d'un albédomètre.

Photométrie

En photométrie l'éclairement qualifie communément la puissance du flux lumineux reçu par unité de surface. Voici quelques ordres de grandeur :

l'éclairement solaire au sommet de l'atmosphère terrestre (constante solaire) est de 1 360,8 W m⁻². Cette puissance par unité de surface au sol est de l'ordre de 1 000 W m⁻² à midi solaire. L'effet d'une simple loupe permet d'atteindre un éclairement presque mille fois supérieur, égal à environ 1 MW m⁻² ou, dans une unité plus pratique, 100 W cm⁻². Il est capable d'enflammer un papier ou un corps organique fin et sec ;
un banal stylo laser émet un flux lumineux cohérent d'environ 1 mW par une fine section circulaire de 2 mm de diamètre. Ce flux de photons peut être dangereusement focalisé par le récepteur oculaire performant qu'est l'œil humain en un point de 10 µm de diamètre, ce qui représente 167 fois la vision directe du Soleil ;
un bistouri laser au CO₂, émettant à une longueur d'onde infrarouge de 10,6 µm, éclaire de 5 à 50 mW mm⁻², ce qui est suffisant pour découper en la chauffant légèrement une tranche de chair.

Détermination

L'éclairement d'une onde lumineuse monochromatique en question est déterminé par son champ électrique par^[1] :

I\approx {\frac {c\,n\,\varepsilon _{0}}{2}}|E|^{2}

,

avec :

E

, l'amplitude complexe de l'onde du champ électrique ;

n

, l'indice de réfraction du milieu ;

c

, la vitesse de la lumière dans le vide ;

\varepsilon _{0}

, la permittivité du vide.

On considère dans cette formule que la susceptibilité magnétique est négligeable, c'est-à-dire que $\mu _{r}\approx 1$ , où $\mu _{r}$ est la susceptibilité magnétique du rayon lumineux. Cette approximation est notamment valide pour une onde dans le spectre visible et dans un milieu transparent.

L'éclairement énergétique est également la moyenne temporelle de la composante du vecteur de Poynting perpendiculaire à la surface.

Grandeurs et unités photométriques et radiométriques

Le tableau ci-dessous rassemble les grandeurs, symboles, unités et dimensions des grandeurs énergétiques ou radiométriques, ainsi que des grandeurs lumineuses ou photométriques qui leur sont associées^[2] selon la norme ISO 80000-7^[3].

Grandeurs et unités radiométriques et photométriques
Grandeur radiométrique	Symbole	Unité SI (symbole)	Dimension^[4]	Grandeur photométrique	Symbole	Unité SI (symbole)	Dimension
Énergie rayonnée	$Q_{e}$	joule (J)	M L² T⁻²	Quantité de lumière	$Q_{v}$	lumen seconde (lm s)	J Ω T
Flux énergétique (puissance rayonnée)^[5]	$\phi _{e}$	watt (W)	M L² T⁻³	Flux lumineux^[5]	$\phi _{v}$	lumen (lm)	J Ω
Intensité énergétique^[5]	$I_{e}$	watt par stéradian (W sr⁻¹)	M L² T⁻³ Ω⁻¹	Intensité lumineuse^[5]	$I_{v}$	candela (cd)	J
Luminance énergétique / Radiance^[6]	$L_{e}$	watt par mètre carré et par stéradian (W m⁻² sr⁻¹)	M T⁻³ Ω⁻¹	Luminance lumineuse / Luminance^[7]	$L_{v}$	candela par mètre carré (cd m⁻²)	J L^-2
Éclairement énergétique / Irradiation / Irradiance^[8]	$E_{e}$	watt par mètre carré (W m⁻²)	M T⁻³	Éclairement lumineux^[5]	$E_{v}$	lux (lx)	J Ω L^-2
Exitance / Émittance énergétique	$M_{e}$	watt par mètre carré (W m⁻²)	M T⁻³	Exitance / Émittance lumineuse^[9]	$M_{v}$	lux (lx)	J Ω L^-2
Exposition énergétique	$H_{e}$	joule par mètre carré (J m⁻²)	M T^-2	Exposition lumineuse / Lumination^[10]	$H_{v}$	lux seconde (lx s)	J Ω T L^-2

Le tableau ci-dessous présente les relations entre les grandeurs radiométriques et les grandeurs photométriques.

Relation entre les grandeurs radiométriques et les grandeurs photométriques
Grandeur	Symbole	Unité SI (symbole)	Dimension^[4]	Description
Efficacité lumineuse (d'un rayonnement)	$K$	lumen par watt (lm W⁻¹)	JΩM⁻¹L⁻²T³	Quotient du flux lumineux sur le flux énergétique
Efficacité lumineuse (d'une source)	$η$ ^[11]	lumen par watt (lm W⁻¹)	JΩM⁻¹L⁻²T³	Quotient du flux lumineux sur la puissance consommée
Coefficient lumineux	$V$		1	Efficacité lumineuse normalisée par l'efficacité maximale possible

Références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Irradiance » (voir la liste des auteurs).

↑ (en) David J. Griffiths, Introduction to electrodynamics, Upper Saddle River, NJ u.a., Prentice-Hall, 1999, 3^e éd. (ISBN 0-13-805326-X).
↑ Terrien et Desvignes 1972, p. 30 ; Sève 2009, p. 308-311.
↑ « ISO 80000-7:2008(fr) — Grandeurs et unités — Partie 7 : Lumière », sur iso.org (consulté le 4 juillet 2016)
↑ ^{a et b} Les symboles dans cette colonne indiquent des dimensions : "M", "L", "T" et "J" correspondent à la masse, la longueur, la durée et l'intensité lumineuse, et non aux symboles des unités mètre, litre, tesla et joule.
↑ ^{a b c d et e} Bureau international des poids et mesures 2019, p. 28
↑ Le terme « radiance » est utilisé sous l'influence de la langue anglaise : Sève 2009, p. 308-311. Le terme « luminance énergétique » est conseillé par le Bureau international des poids et mesures 2019, p. 28.
↑ La plupart des auteurs utilisent le terme « luminance » bien que le Bureau international des poids et mesures conseille l'utilisation du terme « luminance lumineuse » : Bureau international des poids et mesures 2019, p. 28.
↑ Le Bureau international des poids et mesures 2019, p. 28 préconise l'expression « éclairement énergétique ».
↑ Le mot « exitance » remplace « émittance » ; le terme « radiance » a été abandonné pour éviter la confusion car il signifie luminance énergétique en anglais et est actuellement utilisé dans ce sens : Sève 2009, p. 308-311.
↑ Le terme « lumination » est essentiellement utilisé dans le domaine de la photographie où l'on utilise plutôt la notion d'indice de lumination IL (exposure value EV) : Bouillot 2005, p. 147-149.
↑ Le symbole alternatif $ρ$ est parfois utilisé pour l'efficacité lumineuse d'une source.

Voir aussi

Bibliographie

Alain Chiron de la Casinière, Le rayonnement solaire dans l'environnement terrestre, 264 p., éd. Publibook, 2003 (ISBN 9782748302424).
Evelyn Gil, D'où vient la lumière Laser, coll. « Les Petites Pommes du Savoir », Le Pommier, 2006, 64 p.

Articles connexes

[griffiths-1] (en) David J. Griffiths, Introduction to electrodynamics, Upper Saddle River, NJ u.a., Prentice-Hall, 1999, 3^e éd. (ISBN 0-13-805326-X).

[2] Terrien et Desvignes 1972, p. 30 ; Sève 2009, p. 308-311.

[3] « ISO 80000-7:2008(fr) — Grandeurs et unités — Partie 7 : Lumière », sur iso.org (consulté le 4 juillet 2016)

[dimension-4] {a et b} Les symboles dans cette colonne indiquent des dimensions : "M", "L", "T" et "J" correspondent à la masse, la longueur, la durée et l'intensité lumineuse, et non aux symboles des unités mètre, litre, tesla et joule.

[BIPM-5] {a b c d et e} Bureau international des poids et mesures 2019, p. 28

[6] Le terme « radiance » est utilisé sous l'influence de la langue anglaise : Sève 2009, p. 308-311. Le terme « luminance énergétique » est conseillé par le Bureau international des poids et mesures 2019, p. 28.

[7] La plupart des auteurs utilisent le terme « luminance » bien que le Bureau international des poids et mesures conseille l'utilisation du terme « luminance lumineuse » : Bureau international des poids et mesures 2019, p. 28.

[8] Le Bureau international des poids et mesures 2019, p. 28 préconise l'expression « éclairement énergétique ».

[9] Le mot « exitance » remplace « émittance » ; le terme « radiance » a été abandonné pour éviter la confusion car il signifie luminance énergétique en anglais et est actuellement utilisé dans ce sens : Sève 2009, p. 308-311.

[10] Le terme « lumination » est essentiellement utilisé dans le domaine de la photographie où l'on utilise plutôt la notion d'indice de lumination IL (exposure value EV) : Bouillot 2005, p. 147-149.

[11] Le symbole alternatif $ρ$ est parfois utilisé pour l'efficacité lumineuse d'une source.

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