Спектр излучений в интервале от инфракрасных до рентгеновских

ОТ АВТОРОВ

Предлагаемая книга «Светотехника и электротехно­логия» по своему содержанию соответствует учебной программе с аналогичным названием, рекомендованной для вузов Департаментом кадровой политики и образо­вания Министерства сельского хозяйства и продоволь­ствия Российской Федерации 14 сентября 1999 г. и ут­вержденной Департаментом образовательных про­грамм и стандартов профессионального образования Министерства образования Российской Федерации 5 ноября 2001г. по специальности 110302 «Электри­фикация и автоматизация сельского хозяйства».

В отличие от изданных ранее в данном учебнике рас­смотрены вместе и светотехника и электротехнология, а главное, приведены примеры решения задач по всем разделам. С точки зрения авторов, это делает книгу по­лезной студентам-электрикам не только названной выше специальности, а также учащимся техникумов, бу­дущим инженерам-механикам и просто специалистам, работающим в области механизации и электрификации сельского хозяйства.

Авторы полагают, что материал книги современен. Этому способствуют примеры задач, в том числе решае­мых с помощью персональных компьютеров по про­граммам и алгоритмам.

В книге показаны конструкции светильников, нагре­вательных и других технологических установок, в том числе разработанных в последнее время. Дано их описа­ние, изложены принципы действия и примеры исполь­зования в сельском хозяйстве. В разделах электротехно­логии приведен новый материал, не публиковавшийся ранее в подобных учебниках.

При написании книги использована отечественная и зарубежная литература, а также оригинальный матери­ал, накопленный авторами.

Авторы выражают благодарность рецензентам — за­служенному работнику Высшей школы РФ, доктору технических наук, профессору Л. П. Шичкову (Россий­ский государственный аграрный заочный университет); доктору технических наук, профессору Р. X. Юсупову (Южно-Уральский государственный университет), а также редакции издательства за ценные замечания и со­веты, способствующие улучшению содержания книги.

Отзывы, замечания и пожелания читателей будут с благодарностью приняты авторами. Ждем их по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75, Челябинский го­сударственный агроинженерный университет.

Часть 1

СВЕТОТЕХНИКА В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

В «Светотехнике» как дисциплине изучают принципы и спосо­бы генерирования видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучений; пространственного перераспределения и измерения характеристик оптического излучения; преобразование энергии излучения в другие виды энергии; использование излучения в раз­личных областях сельского хозяйства, а также конструкторскую и технологическую разработки источников излучения и систем уп­равления ими; осветительных, облучательных и светосигнальных приборов, устройств и установок; нормирование; проектирова­ние; монтаж и эксплуатацию [10].

Осветительные установки предназначены для создания необхо­димых условий освещения, обеспечивающих зрительное восприя­тие (видение), дающее человеку около 90 % информации об окру­жающем мире.

Оптическое излучение широко используют в современных тех­нологических процессах в промышленности, а также в сельском хозяйстве для повышения продуктивности животноводства и пти­цеводства, урожайности растительных культур.

Эффективное использование излучения с помощью достиже­ний современной светотехники — важнейший резерв повышения производительности труда и качества продукции, снижения трав­матизма и сохранения здоровья людей.

О масштабах современной светотехники можно судить по сле­дующим цифрам. В нашей стране в настоящее время только в про­мышленности и сельском хозяйстве, в общественных и жилых зданиях и на улицах городов установлено более 1,5 млрд световых точек суммарной мощностью около 150 млн кВт. На освещение ежегодно расходуют свыше 220 млрд кВт • ч электроэнергии, то есть примерно 13% вырабатываемой в стране электроэнергии. Ежегодно в СНГ выпускают более 2,5 млрд различных электри­ческих источников света и более 120 млн светильников и комп­лектующих изделий для них. На производстве светотехнических изделий, в сфере проектирования, монтажа и эксплуатации осве­тительных установок трудится по приближенной оценке более 250 тыс. человек.

Становление и развитие светотехники связано с прогрессом в области физиологии зрения, оптики, учения об электричестве. Большое значение для формирования светотехники имели работы И. Ньютона, И. Ламберта, М. В. Ломоносова, П. Бугера, Т. Юнга, В. В. Петрова, Я. Пуркинье, Г. Гельмгольца. Дальнейшее развитие светотехники связано с появлением электрических источников света. Работы А. Н. Лодыгина, Т. Эдисона, П. Н. Яблочкова, при­ведшие к созданию электрических ламп, послужили основой про­гресса светотехники. Важные вехи на этом пути — разработка и внедрение люминесцентных ламп, разрядных ламп высокого дав­ления, галогенных ламп накаливания.

Особое значение имели работы по созданию и освоению про­изводства металлогалогенных ламп, натриевых ламп высокого давления и компактных люминесцентных ламп, с появлением ко­торых открылись перспективы высококачественного освещения и эффективного использования электроэнергии.

В нашей стране светотехника получила развитие с созданием собственной промышленности, научной и проектной баз. Отече­ственная светотехническая школа внесла значительный вклад в прогресс мировой светотехники. Работы С. И. Вавилова (люми­несценция, действие света), М. А. Шателена (фотометрия, норми­рование), С. О. Майзеля (физические основы процесса зрения), А. А. Гершуна (теоретическая фотометрия), П. М. Тиходеева (нор­мирование, световые эталоны и измерения), В. В. Мешкова (принципы нормирования и проектирования), В. А. Фабриканта (теория и создание люминесцентных ламп, открытие принципа действия квантовых генераторов), Г. М. Кнорринга (принципы светотехнических расчетов и проектирования осветительных уста­новок) имели большое значение в развитии отечественной и ми­ровой светотехники.

Главная задача современной светотехники — эффективное применение оптического излучения в технологических процессах при рациональном использовании электрической энергии, а так­же создание комфортной световой среды для труда и отдыха чело­века.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Излучение — перенос энергии от излучающего тела к поглоща­ющему. Понятие излучения можно определить как материю фор­мы, имеющую массу покоя, равную нулю, и движущуюся в про­странстве с постоянной скоростью.

Энергия излучения — количественная мера движения материи, представляет собой одну из качественных разновидностей энер­гии.

Свойства электромагнитных излучений от у-излучений до диа­пазона радиоволн существенно различны и определяются в зна чительной мере энергией фотонов. Излучения с длинами волн в диапазоне от 1,0 нм до 1,0 мм выделены из общего спектра элек­тромагнитных излучений и названы оптическим излучением. Они объединены общим названием «оптическое излучение», потому что принципы возбуждения оптического излучения, его распрос­транение в пространстве и преобразования в другие виды энер­гии общие. В данный диапазон входят инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения. [Напомним, что 1 нм (нанометр) = = 10"⁹ м.]

В таблице 1.1 приведена общая характеристика спектра излуче­ний от инфракрасных до рентгеновских [3].

Спектр излучений в интервале от инфракрасных до рентгеновских

Инфракрасное излучение (ИК) — излучение с длиной волны от 760 до 10 нм. Проникая в поверхностные слои тканей живого организма или растения, оно большую часть своей энергии расхо­дует на образование теплоты. Глубина проникновения инфра­красного излучения в тело животного доходит до 2,5 мм, в зерно — до 1 ...2 мм, в сырой картофель — до 6 мм, в хлеб при выпечке — до 7 мм.

В сельском хозяйстве инфракрасные излучения используют для обогрева молодняка животных и птиц, сушки и дезинсекции сель­скохозяйственных продуктов (зерно, фрукты, чай, хмель, табак и др.), пастеризации молока, сушки лакокрасочных покрытий и пропитанных изделий и т. д.

Видимое излучение (ВИ) — излучение, которое может вызвать непосредственно зрительное ощущение. Как видно из таблицы 1.1, границы диапазона видимого излучения следующие: ниж­няя — 380 нм, верхняя — 760 нм. Излучение с длиной волны 550 нм, наилучшим образом воспринимаемое глазом человека, принято за единицу.

Излучение этого диапазона используют в сельском хозяйстве для создания рационального освещения в производственных и других сельскохозяйственных помещениях. Применяя электри­ческое освещение, обеспечивают необходимую производитель­ность труда, требуемое качество продукции и безопасность работы обслуживающего персонала. В ряде производств оно важнейший производственный фактор: в птичниках — для увеличения свето­вого дня, в теплицах — для дополнительного освещения растений и т. п.

Правильно выполненное освещение уменьшает зрительное и общее утомление работника, способствует поддержанию чистоты и порядка в производственных и жилых помещениях.

Видимое излучение представляет собой сочетание излучений семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого. голубого, синего и фиолетового. Перед красными лучами в спект­ре находятся тепловые (инфракрасные) излучения, а за фиолето­выми — ультрафиолетовые.

- Ультрафиолетовое излучение (УФ) — излучение с длинами волн 380... 10 нм. Свойства ультрафиолетового излучения зависят от длины волны. Поэтому весь ультрафиолетовый диапазон под­разделяют на три условных поддиапазона: область А — 320...380 нм, область В — 275...320 нм и область С — 200...275 нм.

Длинноволновое УФ-излучение (область А) способно вызывать свечение некоторых веществ, поэтому его используют в основном для люминесцентного анализа химического состава и биологичес­кого состояния продуктов.

Средневолновое УФ-излучение (область В) оказывает сильное биологическое действие на живые организмы. Оно способно вы­зывать эритему (покраснение кожи) и загар, превращать в орга­низме животных необходимый для роста и развития витамин Т) в усвояемую форму и обладает мощным антирахитным действием.

Коротковолновое УФ-излучение (область С) отличается силь­ным бактерицидным действием, поэтому его широко используют для обеззараживания воды и воздуха, для дезинфекции и стерили­зации помещений, различного оборудования, инвентаря и посу­ды.

Энергия излучений носит название «лучистой энергии». Счита­ют, что лучистая энергия передается в пространстве электромаг­нитными волнами, частота которых определяется энергией фото­на, Дж:

(1.1)

где h — постоянная Планка, равная 6,624 • 10^-34 Дж • с; f— частота электромагнит­ных колебаний, с^-1.

Длина волны излучения А, нм, и частота электромагнитных колебаний связаны между собой зависимостью

= с/f, (1.2)

где с — скорость света, равная 3 • 10⁸ м/с.

Передаваемая лучистая энергия Q от тела излучающего к телу поглощающему зависит от количества фотонов. Единица лучис­той энергии — джоуль (Дж). Джоуль равен энергии излучения, эквивалентной работе 1 Дж.

В практических расчетах чаще необходимо знать не всю лучис­тую энергию, а лучистый поток Ф, который характеризует количе­ство энергии, излучаемой источником в единицу времени т.

Поток излучения, Вт (Дж/с),

(1.3)

Единица потока излучения — в а т т (Вт). Ватт равен потоку излучения, при котором за время 1 с излучается энергия 1 Дж: 1 Вт = 1 Дж/с.

Спектральная плотность потока излучения Ф( ), Вт/нм, отража­ет распределение энергии всего излучения по спектру в соответ­ствии с каждой монохроматической однородной составляющей:

(1.4)

Единица спектральной плотности потока излучения — ватт на нанометр (Вт/нм).

Поток излучения связан со спектральной плотностью интегра­лом

(1.5)

Поток излучения, поглощенный приемником и преобразован­ный в нем в полезную мощность другого вида энергии, принято называть эффективным потоком Ф_Эф.

Различают следующие формы преобразования поглощенной энергии излучения: фотоэффект — изменение электрического со­стояния поглощающего тела; фотолюминесценция — излучение энергии молекулами, возбужденными излучением; фотохимичес­кое действие — изменение химического состояния тела, поглоща­ющего излучение; фотобиологическое действие — изменение био­логического состояния живого организма, подвергающегося излу­чению (облучению).

Эффективный поток Фэф составляет лишь долю всего падающе­го на приемник потока Ф:

Ф_эф = Ф, (1.6)

где с — коэффициент пропорциональности; а — коэффициент поглощения излу­чения; Т1_е — энергетический КПД преобразования излучения приемником.

Чувствительность приемника того или иного излучения — это мера «реакции» приемника, отнесенная к мощности падаюшего: на него излучения,

g=Фэф/Ф= Ф/Ф= . (1.7)

Для определения эффективных потоков по уровню реакции того или иного образцового приемника построены системы эф­фективных величин и единиц, облегчающие количественную оценку процессов преобразования энергии излучений и упрощаю­щие расчеты, связанные с ее использованием.

В принятых системах эффективных величин (табл. 1.2 и 1.3) приемники излучения имеют избирательность и существенно от­личаются спектральными характеристиками. Например, глаз че­ловека и зеленый лист растения воспринимают излучения в почти одинаковом спектральном интервале. Однако то монохроматичес­кое излучение, которое глаз воспринимает лучше всего (550 нм). Для зеленого растения менее эффективно. Это говорит о том. Что единицы и величины одной системы не могут быть использованы взамен единиц и величин другой, если неизвестны соотношения между ними. Соотношения эти существенно зависят от спектраль­ного состава излучения.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: