세기 (물리)

물리학 및 기타 여러 과학과 공학 분야에서, 세기() 또는 선속() 또는 강도(強度)는 복사 에너지가 전파되는 방향에 수직인 평면의 단위 넓이당 전달되는 일률을 의미한다. SI 단위계에서 세기의 단위는 제곱미터당 와트(W/m2)이며, SI 기본 단위로는 kg⋅s−3이다. 세기는 소리(음파)와 같은 파동, 전자현미경의 전자와 같은 물질파, 또는 빛이나 전파와 같은 전자기파에서 가장 자주 사용되며, 이 경우 파동의 한 주기 동안의 시간 평균 에너지 전달률을 사용한다. 세기는 에너지가 전달되는 다른 상황에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 정원용 스프링클러에서 나오는 물방울이 운반하는 운동 에너지의 세기를 계산할 수 있다.

여기에서 사용되는 "세기(intensity)"라는 단어는 일상적인 대화에서 가끔 쓰이는 것처럼 "강도"(strength), "진폭", "등급" 또는 "수준"과 동의어가 아니다.

세기는 공간의 한 지점에서의 에너지 밀도(단위 부피당 에너지)에 에너지가 이동하는 속도를 곱하여 구할 수 있다. 그 결과로 나오는 벡터는 일률을 넓이로 나눈 단위(즉, 표면 일률 밀도)를 갖는다. 파동의 세기는 진폭의 제곱에 비례한다. 예를 들어, 전자기파의 세기는 파동의 전기장 진폭의 제곱에 비례한다.

 수학적 묘사 
전자기 복사의 세기 또는 선속은 파동의 주기 동안 포인팅 벡터의 시간 평균과 같다. 일반적인 매질을 통해 전파되는 복사의 경우, 복사의 에너지 밀도 와 포인팅 벡터 의 관계는 다음과 같다.

이 식은 포인팅의 정리로부터 유도된다.

공간의 부피에 대해 적분하면 다음과 같다.

여기서 는 전자기 복사의 에너지이다.

발산 정리를 적용하면, 부피 밖으로 나가는 에너지 흐름의 비율은 공간 부피의 표면에 대한 포인팅 벡터의 면적분과 관련이 있음을 알 수 있다.

 포인트 소스 
흔한 예로 주어진 출력 일률 를 가진 포인트 소스의 세기 또는 선속이 있다. 광원을 중심으로 하는 구형 부피를 고려하면, 위의 공식은 다음과 같이 된다.

여기서 꺾쇠괄호는 파동 주기에 대한 시간 평균을 나타낸다. 반지름 인 구의 겉넓이는 이므로 다음과 같다.

따라서 거리 에서 포인트 소스로부터의 세기는 다음과 같다.

이것은 역제곱 법칙으로 알려져 있다.

 전자기파 
비자성 매질에서 진행하는 평면파나 가우시안 빔과 같은 단색 전파 전자기파의 경우, 시간 평균 포인팅 벡터는 전기장의 진폭 와 다음과 같은 관계가 있다.

여기서 는 진공에서의 빛의 속력이고, 은 매질의 굴절률이며, 은 진공 유전율이다.

세기와의 관계는 파동의 시간 평균 에너지 밀도를 고려해서도 확인할 수 있다.

국소적 세기는 단지 에너지 밀도에 파동 속도 를 곱한 것이다.

단색파가 아닌 경우, 서로 다른 스펙트럼 성분의 세기 기여분을 단순히 더할 수 있다.

위의 처리는 임의의 전자기장에는 적용되지 않지만, 시간 평균 포인팅 벡터의 크기가 시간 평균 에너지 밀도에 계수 를 곱한 것에 비례한다는 사실은 여전히 유효한 경우가 많다. 

에바네센트 파는 전력을 전혀 전달하지 않으면서도 유한한 전기적 진폭을 가질 수 있다. 에바네센트 파의 세기는 포인팅 벡터의 크기로 정의될 수 있다.

 전자빔 
전자빔의 경우, 세기는 검출기(예: 전하결합소자)의 특정 위치에 전자가 도달할 확률이다. 이는 무기물 또는 생물학적 재료의 미세구조뿐만 아니라 원자 규모 구조의 관점에서 해석되는 이미지를 생성하는 데 사용된다. 방향의 함수로서 산란된 전자 또는 X선의 세기 지도는 결정학에서도 광범위하게 사용된다.

 대안적 정의 
광도계측학 및 복사계측학에서 세기(intensity)는 다른 의미를 갖는다. 즉, 단위 입체각당 광도 또는 복사 일률이다. 이는 광학에서 혼란을 야기할 수 있는데, 용어를 사용하는 사람의 배경에 따라 세기가 복사 세기, 광도 또는 복사조도 중 어느 하나를 의미할 수 있기 때문이다. 방사휘도 또한 때때로 세기라고 불리기도 하며, 특히 천문학자와 천체물리학자들에 의해, 그리고 열전달 분야에서 그렇게 사용된다.

 같이 보기 
 전계 강도
 음향 인텐시티
 등급 (천문학)

 각주 

 내용주

분류:물리량