Электромагнитные излучения

Лекция 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1.1. 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 γ-излучений до диапазона радиоволн существенно различны и определяются в значительной 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) = 10-9м.] В таблице 1.1 приведена общая характеристика спектра излучений от инфракрасных до рентгеновских [3]. Спектр излучений в интервале от инфракрасных до рентгеновских Таблица 1.1 Общее название излучения Отдельный участок излучения Длина волны, нм . 3 Инфракрасное Декамикронное (100...10)10 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 105нм. 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. 4 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 D 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 λ, нм, и частота электромагнитных колебаний f связаны между собой зависимостью (1.2) где c — 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. 5 В практических расчетах чаще необходимо знать не всю лучистую энергию, а лучистый поток Ф, который характеризует количество энергии, излучаемой источником в единицу времени η. Поток излучения, Вт (Дж/с), (1.3) Единица потока излучения — ватт (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(λ), 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: (1.6) где с — коэффициент пропорциональности; α — коэффициент поглощения излучения; ηe — энергетический КПД преобразования излучения приемником. Чувствительность приемника того или иного излучения — это мера «реакции» приемника, отнесенная к мощности падающего на него излучения, (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) 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. 6 Системы принятых эффективных величин Система эффективных величин Световых Фотосинтезных Витальных Бактерицидных Стандартизированный приемник излучения Глаз среднего человека Зеленый лист среднего растения Кожа среднего человека Бактерии Область спектральной чувствительности, положение максимума, нм 380...760, 50 300...800, 680 280...390, 220...315, 254 Таблица 1.2 Максимальная спектральная эффективность 683 лм/Вт 1 фт/Вт 297 1 вит/Вт 1 бк/Вт Обозначения и единицы светотехнических величин Таблица 1.3 Величина Обозначение Единица Система световых величин Световой поток Сила света Светимость Яркость Освещенность Световая экспозиция ФV IV МV LV ЕV HV лм кд лм/м2 кд/м2 лк лк·ч Фотосинтезный поток Фф фт Сила фотосинтезного излучения Iф фт/ср Фотосинтезная излучательность Мф фт/м2 фт·ч/м2 Система фотосинтезных величин Фотосинтезная экспозиция Hф Система витальных величин Витальный поток Фв Сила витального излучения Iв Витальная излучательность Мв Витальная облученность Ев Витальная экспозиция Hв вит вит/ср вит/м2 вит/м2 вит·ч/м2 Система бактерицидных величинФб Бактерицидный поток бк Сила бактерицидного Iб бк/ср излучения Бактерицидная Мб бк/м2 излучательность Бактерицидная Еб бк/м2 облученность Бактерицидная Hб бк·ч/м2 Для отличия величин, обозначаемых одинаковыми буквами, в светотехнике экспозиция применяют индексы: е — для лучистой величины, V — для световой, ф — для фотосинтезной, в — для витальной; б — для бактерицидной. 7 В системе световых величин за единицу эффективного светового потока Ф V, воздействующего на глаз человека, принят люмен (лм). При однородном излучении с длиной волны, равной 550 нм, 1 лм = 1/683 Вт. При другой длине волны 1 лм не будет равновелик мощности 1/683 Вт. Существует и другое определение: люмен — это поток, излучаемый абсолютно черным телом площадью 0,5305 мм2 при температуре затвердевания платины (2042 К). Упрощенно абсолютно черным считают тело, которое испускает излучения равномерно и в одном направлении, все же приходящие излучения оно поглощает, то есть не обладает отражательной способностью. Некоторое представление о значении люмена могут дать следующие примеры. Световой поток ФV, падающий на 1 м2 поверхности земли летом при ясном небе, достигает 100 000 лм; световой поток лампы накаливания мощностью 100 Вт, напряжением 220 В составляет 1000 лм; световой поток лампы карманного фонаря равен примерно 6 лм. О световом потоке ФV можно также сказать, что это производная от силы света IV по телесному (пространственному) углу ω: (1.8) где — элементарный световой поток, лм; IV —сила света, кд (кандела); dω — элементарный пространственный угол, ср (стерадиан). Сила света IV — пространственная плотность светового потока, то есть отношение светового потока ФV к значению телесного угла ω, в котором он равномерно распределяется (1.9) Единица силы видимых излучений - кандела;1кд=1 лм/1 ср. Стерадиан (ср) — это телесный угол, который имеет вершину в центре сферы (шара) и опирается на участок сферы с площадью, равной квадрату радиуса сферы. Другое определение, используемое в расчетах: кандела — это 1/60 силы света, испускаемого с 1 м2 абсолютно черного тела при температуре затвердевания платины. Светимость MV — поверхностная плотность светового потока, испускаемого поверхностью, равная отношению светового потока ФV к площади светящейся поверхности Sп, (1.10) 2 Единица светимости — люмен на квадратный метр (лм/м ). Яркость LV — поверхностная плотность силы света в заданном направлении, равная отношению силы света IV к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к тому же направлению: (1.11) где α — угол между светящейся поверхностью и заданным направлением. Единица яркости — кандела на квадратный метр (кд/м2). Освещенность ЕV — поверхностная плотность светового потока, то есть отношение светового потока ФV к площади S0, на которую он равномерно падает (1.12) Единица освещенности — люкс (лк); 1 лк = 1 лм/м2. Светимость и яркость зависят от коэффициентов отражения освещаемых поверхностей. Освещенность не зависит от коэффициента отражения. Яркость связана с определенным направлением, а освещенность и светимость не связаны с направлением. 8 Физические представления о значениях некоторых величин могут дать следующие примеры: освещенность в хирургической операционной должна быть равна 3000 лк, при чтении книги — 50 лк; светимость чистого снега в солнечный полдень достигает 80 000 лм/м2; светимость вольфрамовой нити лампы накаливания мощностью 100 Вт, напряжением 220 В, при температуре нити T= 2700К равна 17·106 лм/м2; яркость Солнца, находящегося в зените, составляет 150·107 кд/м2, яркость белой бумаги при освещенности в 50 лк равна 0,05 кд/м2. В отличие от общей энергии излучения, измеряемой в джоулях, световую энергию лучше представить как произведение светового потока ФV на продолжительность его действий η, в люмен-секундах (лм·с): (1.13) Световая отдача — это отношение светового потока источника света к мощности, потребляемой источником (1.14) Единица световой отдачи — люмен на ватт (лм/Вт). Существует также понятие о световой экспозиции HV, определяющей продолжительность действия определенной освещенности ЕV, лк, за установленное время, ч, то есть люкс-часы (лк·ч): (1.15) Приведем некоторые сведения о световых свойствах материалов. Световой поток, который падает в общем случае на любую поверхность, частично отражается, частично пропускается и частично поглощается. Если на поверхность падает световой поток ФV, то в зависимости от свойства материала поверхности он разделяется на три составляющие: отраженный поток Фρ = ρФV, пропущенный поток Фη’ = η'ФV и поглощенный поток Фα = αФV. Так что в сумме ФV = ρФV + τ'ФV + αФV. (1.16) Из выражения (1.16) следует, что сумма коэффициентов отражения ρ, пропускания η' и поглощения α равна 1: 1 = ρ + τ' + α (1.17) Проходя через тело или отражаясь от него, световой поток в той или иной мере рассеивается. При отсутствии рассеивания отражение или пропускание потока называют направленным (например, зеркало или оконное стекло). Отражение или пропускание, при котором свет рассеивается настолько, что поверхность приобретает яркость, одинаковую по всем направлениям, называют диффузным (например, мел, гипс, «молочное» стекло). Матовые поверхности дерева, бумаги, ткани близки к диффузным. Лучшей отражающей способностью обладает сернокислый барий (до 95 % падающего на него потока). Свинцовые белила отражают до 90 % падающего потока. Поэтому указанными материалами покрывают киноэкраны для получения более яркого изображения. Зеркало отражает 85% падающего потока, снег — 80...98 %, трава — 7 %, черная кожа — 1,5 %. В системе фотосинтезных величин за единицу эффективного фотосинтезного потока Фф, оцененного по реакции на облучение зеленого растения, принят один фит (фт) — поток излучения в 1 Вт при длине волны 680 нм. В системе витальных величин за единицу эффективного потока, названного витальным Фв, принят один вит (вит) — поток излучения в 1 Вт при длине волны 297 нм. В системе бактерицидных величин за единицу эффективного (бактерицидного) потока Фб принят один бакт (бк) — поток излучения в 1 Вт при длине волны 254 нм. 9 Остальные производные величины и их единицы для трех указанных систем приведены в таблице 1.3 [3]. Преобразование оптического излучения происходит в приемниках оптического излучения, под которыми понимают любые объекты независимо от их происхождения и агрегатного состояния, в которых энергия оптического излучения превращается в другие виды энергии. Первичный процесс преобразования — это поглощение приемником фотонов падающего на него излучения. Количественно этот процесс оценивают коэффициентом поглощения α, представляющим собой отношение поглощенной приемником энергии оптического излучения к упавшей на него [4]. В соответствии с законом сохранения энергии для оптического излучения процесс преобразования в общем виде можно описать следующим уравнением: (1.18) где Qα — энергия оптического излучения, поглощенная за промежуток времени dτ, Дж; α — коэффициент поглощения излучения приемником; Ф(τ) — поток излучения, упавший на приемник, в функции времени, Вт; Qэ — эффективная энергия, Дж; Qп — энергия потерь, Дж. Величины Qэ и Qп требуют разъяснения. Энергия оптического излучения принципиально может преобразовываться в любой другой вид энергии: тепловую, электрическую, энергию химических связей и т. п. Установки, в которых используют оптическое излучение, предназначены для воздействия оптического излучения на приемник, в качестве которого может быть человек, животное, растение, сельскохозяйственные продукты, фотоэлемент, фоторезистор и т. п. При решении таких задач предусматривают превращение в приемнике энергии оптического излучения в определенный другой вид энергии, что позволяет получить ожидаемый положительный результат. Но, как и в любом процессе, преобразование одного вида энергии в другой не обходится без потерь, то есть часть энергии излучения преобразуется в такие виды энергии, которые для решения данной задачи не нужны. Таким образом, под Qэ следует понимать ту часть поглощенной приемником энергии излучения, которая преобразовалась в необходимый вид энергии, обеспечивающий ожидаемый положительный эффект. Другие виды энергии, которые при этом образовались побочно, следует отнести к потерям Qп. Вопросы для самоконтроля 1. Какие основные вопросы изучают в дисциплине «Светотехника в сельском хозяйстве»? 2. Какой спектр излучений рассматривают в светотехнике? 3. Каковы системы принятых эффективных величин в светотехнике? 4. Что характеризуют коэффициенты отражения, пропускания и поглощения? 5. Как происходит преобразование излучения в другие виды энергии? 6. Что называют приемником оптического излучения? 7. Дайте определение закона сохранения энергии. 8. Назовите основные световые величины и единицы их измерения. 9. Назовите основные витальные (эритемные) величины и единицы их измерения. 10. Назовите основные бактерицидные величины и единицы их измерения. 11. Назовите основные фотосинтезные величины и единицы их измерения. 12. Охарактеризуйте диапазоны спектра оптических величин. 10 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Основная 1. Баранов, Л.А. Светотехника и электротехнология [Текст]: учебник для вузов / Л.А. Баранов, В.А. Захаров, – М.: КолосС, 2008. – 344 с.: ил. – 50000 экз.– ISBN 978-5-9532-0710-2 2. Баев, В.И. Практикум по электрическому освещению и облучению [Текст]: учебное пособие для вузов / В.И. Баев – М.: КолосС, 2008. – 192 с.: – 8000 экз.– ISBN 978-5-9532-0593-1 Дополнительная 1. Любайкин, С.Н. Электрическое освещение и облучение в сельскохозяйственном производстве [Текст]: учебное пособие для вузов / С.Н. Любайкин, А.В. Львицын, А.Я. Змеев, А.В. Волгин; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ».-Саратов, 2007.-96 с.: – 200 экз.– ISBN 5-7011-0508-3 11