Intensität (Physik)

Begriff und Grunddefinition

Die Intensität oder Strahlungsintensität I ist in der Physik meist die Flächenleistungsdichte beim Transport von Energie. Sie beschreibt also, wie viel Leistung durch eine bestimmte Fläche übertragen wird. Der Begriff kann auch den Betrag der Flächenstromdichte anderer physikalischer Größen bezeichnen.

Besonders häufig wird „Intensität“ bei Wellenphänomenen verwendet, etwa bei elektromagnetischer Strahlung und Schall. In der Quantenmechanik kann der Begriff beispielsweise auch für die Teilchendichte verwendet werden. Das Formelzeichen ist I; die SI-Einheit lautet W·m⁻², die Dimension M·T⁻³. Außerhalb der Physik wird „Intensität“ oft ungenau im Sinn von Stärke, Kraft, Amplitude oder Pegel gebraucht.

Berechnung über Fläche und Transport

Für eine Fläche A ist die Intensität der Quotient aus der pro Zeit t durch diese Fläche übertragenen Menge und der Fläche selbst. Für die Energie E gilt:

I = ((dE/dt) / A) = P/A

Dabei ist P die Leistung.

Alternativ kann die Intensität als Produkt aus der volumenbezogenen Dichte, zum Beispiel der Energiedichte w, und der Transportgeschwindigkeit v berechnet werden:

I = w·v = (dE/dV)·(ds/dt).

Damit lässt sich Intensität entweder über die durch eine Fläche übertragene Leistung oder über Dichte und Geschwindigkeit des Transports bestimmen.

Intensität in Radiometrie und Photometrie

In der Radiometrie und Photometrie bezeichnet „Intensität“ mehrere verwandte Größen. Die Bestrahlungsstärke ist die radiometrische Leistung elektromagnetischer Strahlung pro Fläche. Gemeint sein kann die durchströmte Fläche oder die Fläche, auf die die Strahlung trifft.

Die Beleuchtungsstärke ist die Bestrahlungsstärke, gewichtet mit der Empfindlichkeit des menschlichen Auges, dem photometrischen Strahlungsäquivalent. Ihre Einheit ist Lux: 1 lx = 1 lm/m².

Abweichend von der allgemeinen Definition kann „Intensität“ auch Leistung pro Raumwinkel bedeuten. Die Strahlstärke beschreibt die Leistung elektromagnetischer Strahlung pro Raumwinkel und wird in W/sr angegeben. Bei Radiowellen lautet dafür der Begriff „Strahlungsintensität“. Die Lichtstärke ist die mit dem photometrischen Strahlungsäquivalent gewichtete Strahlstärke; ihre Einheit ist Candela: 1 cd = 1 lm/sr. Strahlstärke und Lichtstärke sind Eigenschaften der Strahlungsquelle und unabhängig von der Position des Strahlungsempfängers. Im Englischen stehen radiant intensity und luminous intensity für Strahlstärke beziehungsweise Lichtstärke; light intensity ist dagegen mehrdeutig.

Intensität elektromagnetischer Wellen

Bei elektromagnetischer Strahlung ist die Intensität der Betrag des zeitlichen Mittels des Poynting-Vektors S:

I = |⟨S⟩ₜ|.

In nichtdispersiven Medien, also Medien ohne Dispersion, mit der Energiedichte W gilt mit der Gruppengeschwindigkeit v_gr:

I = ⟨W⟩ₜ·v_gr.

Für eine monochromatische, linear polarisierte elektromagnetische Welle im Vakuum gilt:

I = 1/2·c·ε₀·E₀² = 1/2·(c/μ₀)·B₀² = 1/2·c·μ₀·H₀².

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, ε₀ die elektrische Feldkonstante, μ₀ die magnetische Feldkonstante, E₀ die maximale Amplitude der elektrischen Feldstärke, B₀ die maximale Amplitude der magnetischen Flussdichte und H₀ die maximale magnetische Feldstärke. Allgemein ist die Intensität proportional zum Quadrat der Wellenamplitude A:

I ∝ A².

In linearen dielektrischen Medien mit dem Brechungsindex n lautet die entsprechende Formel:

I = 1/2·c·n·ε₀·E₀².

Abnahme mit Entfernung und im Medium

Strahlt eine Punktquelle die Leistung P in drei Dimensionen ohne Energieverlust aus, verteilt sich die Leistung auf eine Kugelfläche. Daher nimmt die Intensität mit dem Quadrat des Abstands r von der Quelle ab:

I = P/(4πr²).

Dämpft oder absorbiert ein Medium die Welle, verliert diese Energie, die beispielsweise in Wärmeenergie umgewandelt wird. Nimmt man an, dass die Intensitätsabnahme an jedem Ort r proportional zur dort vorhandenen Intensität ist, ergibt sich analog zu einem Zerfallsgesetz ein exponentieller Verlauf. Das Lambert-Beersche Gesetz lautet:

I(r) = I₀·e^(−μr).

I₀ ist die Anfangsintensität, und μ ist der Absorptionskoeffizient, der die Materialeigenschaften des durchquerten Mediums beschreibt. Mit zunehmender Ausbreitung im Medium nimmt die Intensität somit exponentiell ab.