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
Общее название излучения
| Отдельный участок излучения \
| Длина волны, нм
| Инфракрасное
| Декамикронное
| (100...10)103
|
| Микронное
| 10000...760
| Видимое
| Красное
| 760...620
|
| Оранжевое
| 620... 590
|
| Желтое
| 590...560
|
| Зеленое
| 560...500
|
| Голубое
| 500...480
|
| Синее
| 480...450
|
| Фиолетовое
| 450...380
| Ультрафиолетовое
| УФЛ области А
| 380...320
|
| УФЛ области В
| 320...275
|
| УФЛ области С
| 275...200
|
| Вакуумное
| 200...10
| Рентгеновское
| Мягкое, жесткое
| 10...10-5
|
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 ФЭф.
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:
Фэф = Ф, (1.6)
где с — коэффициент пропорциональности; а — коэффициент поглощения излучения; Т1е — 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:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|