книги из ГПНТБ / Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие

Ч а с т ь в т о р а я

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ И ОБЛУЧЕНИЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

▼

7. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ

7.1. СПЕКТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Английский физик, механик, астроном и математик Исаак Ньютон (1642—1727) в 1666 г. с помощью стеклянной трехгранной призмы разложил луч солнечного света на семь составляющих. Так впервые было обнаружено, что белый солнечный свет представляет собой соче­ тание в определенных пропорциях семи цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. При разложении призмой луча солнечного света перечисленные цвета образуют на экране спектр видимого излучения. Исследуя этот спектр, английский астро­ ном и оптик В. Гершель в 1800 г., поместив термометр в стороне от видимого спектра за красным цветом, обнаружил на этом участке наиболее высокую температуру. Так было открыто существование в сос­ таве солнечного света невидимого излучения, находящегося за красным цветом и вызывающего нагрев тел. Теперь это излучение называется инфракрасным. Приставка «инфра» — латинского происхождения и пе­ реводится как «под», «ниже». В 1801 г. немецкий ученый Риттер по по­ чернению хлористого серебра обнаружил существование еще одного невидимого излучения, входящего в состав солнечного излучения и рас­ полагающегося за фиолетовым цветом видимого спектра. Это излучение сейчас называется ультрафиолетовым. Приставка «ультра» имеет зна­ чение «по ту сторону», «сверх».

В разное время и разными учеными было установлено, что все три вида излучения — инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое имеют одинаковую волновую природу, т. е. распространяются в пространстве как поперечные электромагнитные волны со скоростью 3 - ІО8 м/с (в пустоте). Эти излучения, так же как и цвета в спектре видимого света, различаются длиной волн. В спектре видимого излучения наи­ большую длину волны имеет красный цвет и наименьшую — фиолето­ вый. Соответственно инфракрасное излучение имеет большую длину волны, чем красный цвет, а ультрафиолетовое — меньшую, чем фиоле­ товый цвет. Длина волны обратно пропорциональна частоте электро­ магнитных колебаний

120

где X— длина волны, измеряемая в нанометрах, (Г нм = 1 • ІО“9 м);

с— скорость распространения электромагнитных колебаний в пустоте, 3-1017 нм-с“1;

V — частота электромагнитных колебаний, с“1.

Если постепенно увеличивать длину волны инфракрасного излу­ чения, то можно перейти через промежуточную область к широко применяемым сейчас радиоволнам, а уменьшая длину волны ультра­ фиолетового излучения — к рентгеновским лучам, гамма-излучению и космическим лучам.

Диапазон длин волн, занимаемый каждым из перечисленных видов излучений, приведен в табл. 2.

Указанные в таблице границы диапазонов условны, так как пере­ ход от одного вида излучения к другому происходит постепенно. Анализ табл. 2 показывает, что длина волны излучения определяет и его свой­ ства. Три вида излучения, а именно инфракрасное, видимое и ультра­ фиолетовое, объединяются в один общий вид излучения — о п т и ­

Основой для объединения всех этих видов излучений в общий спектр послужило то, что источником их являются изменения в атомно-моле­ кулярной структуре вещества и что для управления этими излучениями нужна сходная аппаратура (отражатели, линзы, призмы и т. д.). Каждое из перечисленных в таблице излучений заключает в себе энергию. Энергия, которая генерируется, распространяется и погло­ щается в виде электромагнитных волн, часто называется л у ч и с т о й

э н е р г и е й .

7.2. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ЛУЧЕЙ ОПТИЧЕСКОГО СПЕКТРА

Из всех видов излучений оптического спектра в сельском хозяйстве наиболее широко используется видимое излучение (свет).

В и д и м ы м называется такое излучение, которое может непо­ средственно вызвать зрительное ощущение. Границы диапазона види­

121

мого излучения условно принимаются такими: нижняя 380—400 нм, верхняя 760—780 нм. Излучение этого диапазона используется для со­ здания необходимого уровня освещенности в производственных, адми­ нистративных и бытовых помещениях. Необходимый уровень опреде­ ляется условиями видимости. В этом случае менее важна энергети­ ческая сторона процесса облучения.

Однако в сельскохозяйственном производстве свет применяется не только как средство освещения. При искусственном облучении рас­ тений, например в теплицах, видимое излучение облучающих устано­ вок является единственным источником энергии, которая в процессе

цессом.

Действие видимого излучения на животных и птиц пока еще недос­ таточно изучено, но установлено, что его влияние на продуктивность зависит не только от уровня освещенности, но и от продолжительности светового периода в сутки, чередования световых и темновых периодов

ит. д.

Внастоящее время в сельском хозяйстве широко используется и

ин ф р а к р а с н о е и з л у ч е н и е . Его диапазон начинается от верхней границы видимого света (780 нм) и заканчивается условно на длине волны 1 мм. Весь диапазон условно разбит на три зоны: ИК-А (780—1400 нм), ИК-В (1400—3000 нм), ИК-С (3000 нм—1 мм).

На одно из свойств этих лучей уже указывалось. Инфракрасные * лучи невидимы, значит, не могут вызвать зрительного ощущения.

Основным свойством инфракрасных лучей является тепловое дей­ ствие: при поглощении инфракрасных лучей тела нагреваются. По­ этому применяют их в основном для нагрева различных объектов и ма­ териалов и для сушки.

При облучении растений следует учитывать, что избыток инфра­ красных лучей может привести к чрезмерному перегреву и гибели рас­ тений.

При облучении животных инфракрасными лучами улучшается их общее развитие, обмен веществ, кровообращение, уменьшается вос­ приимчивость к болезням и т. д. Наиболее эффективны лучи зоны ИК-А. Они имеют наилучшую проникающую способность в ткани организма. Избыток инфракрасных лучей приводит к перегреву и ги­ бели клеток живых тканей (при температуре выше 43,5 °С). Это обстоя­ тельство используют, например, в целях дезинсекции зерна. Амбарные вредители при облучении нагреваются значительно сильнее зерна и погибают.

У л ь т р а ф и о л е т о в о е и з л у ч е н и е занимает диапазон длин волн от 400 до 1 нм. В интервале между 100 и 400 нм различают три зоны: УФ-А (315—400 нм), УФ-В (280—315 нм), УФ-С (100— 280 нм). Лучи этих зон обладают различными свойствами и, следова­ тельно, находят различное применение. Ультрафиолетовое излучение тоже является невидимым, но опасным для зрения. На растения ультра­ фиолетовое излучение с длиной волны короче 295 нм действует угне­

122

тающе, поэтому при искусственном облучении должно исключаться из общего потока источника.

Излучение зоны УФ-А способно при облучении вызывать свечение некоторых веществ. Такое свечение называется ф о т о л ю м и н е с ­ ц е н ц и е й , или просто л ю м и н е с ц е н ц и е й . Лучи этой зоны используют для люминесцентного анализа химического состава неко­ торых веществ, оценки биологического состояния продуктов (всхожесть и поврежденность зерна, степень загнивания картофеля и т. п.) и в дру­ гих случаях, когда вещество может светиться видимым светом в потоке ультрафиолетовых лучей.

Излучение зоны УФ-В оказывает сильное биологическое действие на животных. При облучении провитамин D превращается в витамин D, способствующий усвоению организмом фосфорно-кальциевых соеди­ нений. От степени усвоения кальция зависит прочность костей скелета, поэтому излучение УФ-В используется как антирахитное средство для молодняка животных и птиц. Эта же область спектра обладает способ­ ностью наибольшего эритемного действия, т. е. она может вызвать длительное покраснение кожи (эритему). Эритема является следствием расширения кровеносных сосудов, приводящего к другим благотвор­ ным реакциям в организме.

Ультрафиолетовое излучение зоны УФ-С способно убивать бактерии, т. е. обладает бактерицидным действием, и испфіьзуется для обеззара­ живания воды, тары, воздуха и т. п.

7.3. ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ

Оптическое излучение может быть оценено энергетическими и све­ товыми величинами. В основе первой оценки лежит энергия, перено­ симая излучением (лучистая энергия), в основе второй — эффек­ тивность зрительного воздействия излучения. Такое разделение вели­ чин предусмотрено Международной комиссией по освещению (МКО).

Практика использования оптического излучения в сельскохозяй­ ственном производстве показала необходимость оценки эффективности не только его зрительного, но и бактерицидного, эритемного, антирахитного и других видов воздействия. Так появились системы эффектив­ ных величин: световых, фитовеличин (приставка «фито» указывает на отношение величины к растениям), бактерицидных, эритемных, антирахитных. Эффективность воздействия инфракрасных лучей оце­ нивается в энергетических величинах.

В существующие ГОСТы вошли системы световых и энергетических величин, остальные считаются сложившимися практически. В основе каждой из перечисленных систем лежит эффективность воздействия падающего потока на образцовый объект.

Предположим, что источник создает лучистый поток в диапазоне длин волн (рис. 59). Этот поток падает на объект, для которого активным оказывается только поток в диапазоне к2 — к3, а эффектив­ ность его имеет различное значение в зависимости от длины волны.

123

Такая зависимость называется с п е к т р а л ь н о й ч у в с т в и ­

те л ь н о с т ь ю о б ъ е к т а . На рис. 59 она показана в виде кривой

вдиапазоне %2 — А,3. Необходимо подчеркнуть, что нужно знать именно спектральную чувствительность объекта, так как только она позволяет

Отношение светового потока Ф, исходящего от источника и распро­ страняющегося равномерно внутри телесного угла со, к величине этогоугла называется силой света /

Ф

определения единицы силы света дается определение единицы свето­ вого потока. Люмен (лм) есть световой поток, излучаемый в единич­

Источник видимого излучения может быть оценен по величине световой отдачи ц, представляющей собой отношение излучаемого

124

Единица измерения — люмен на ватт (лм-Вт-1).

Величины и единицы измерения фотосинтетически активного излучения. Эти величины и единицы применяются при облучении растений. В основе построения системы лежит спектральная чувстви­ тельность «среднего» листа ра­

В основе этой системы лежит спектральная чувствительность кожи чело­ века к ультрафиолетовым лучам эритемной области (рис. 62). Макси­ мальная чувствительность соответствует длине волны 297 нм, поэтому в качестве единицы потока принят 1эр — поток в 1 Вт с длиной волны 297 нм. Остальные величины и единицы образованы аналогично све-

Е — эр -м'2; количество облучения Н — эр -м 2 *с; эффективная от­

дача источника г] — эр -Вт“1.

Величины и единицы измерения антирахитного излучения. Теоре­ тически антирахитная эффективность ультрафиолетовых лучей изу­ чена еще слабо. В качестве единицы потока антирахитного излучения

125

принят 1 ар — поток в 1 Вт с длиной волны 280 нм. По аналогии с дру­ гими системами получены: сила излучения / — ар • ср'1; эффективная облученность Е — ар -м~2; количество облучения Я — ар • м'2 • с; эффек­ тивная отдача источника rj -—ар - Вт'1.

Величины и единицы измерения бактерицидного излучения. В основу системы положена бактерицидная спектральная эффективность уль­ трафиолетовых лучей (рис. 62, б). За единицу эффективного потока принят 1 бакт (б) — поток в 1 Вт с длиной волны 254 нм. Остальные величины и единицы образованы аналогично другим системам.

Величины и единицы измерения, используемые при облучении инфракрасными лучами. При облучении инфракрасными лучами обычно

Контрольные вопросы

1.Какова история открытия оптического спектра? •

2.Из каких видов излучений состоит полный спектр электромагнитных коле­

баний?

3.Что такое лучистая энергия?

4. Для каких целей используется в сельском хозяйстве видимое излучение?

5.Каковы свойства и пути использования инфракрасных лучей?

6.На какие зоны разбивается ультрафиолетовое излучение? Каковы свойства излучений этих зон?

7.Что лежит в основе построения системы единиц измерения, используемых при облучении?

8.Назовите основные величины, характеризующие процесс облучения, и еди­ ницы их измерения.

8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Применяемые в сельскохозяйственном производстве электрические

энергия расходуется на нагрев тела накала, которое является соб­ ственно источником излучения. В газоразрядных источниках проис­ ходит электрический разряд в атмосфере какого-либо газа, сопрово­ ждающийся излучением оптического диапазона.'

8.1. ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ

Лампа накаливания с угольным телом накала была изобретена в 1872 г. русским электротехником А. Н. Лодыгиным (1847—1923).

с угольной нитью, подобную по устройству современной. Дальнейшее усовершенствование ламп накаливания связано с использованием различных металлов в качестве тела накала. Вольфрам был впервые

126

применен А. Н. Лодыгиным. Для уменьшения окисления вольфрама

вколбах ламп создавался вакуум, который в свою очередь приводил

кбыстрому испарению вольфрама при высоких температурах. Напри­ мер, при повышении температуры от 2600 до 3000 К вольфрам испа­ ряется более чем в сто раз быстрее. Известный американский ученый И. Ленгмюр (1881—1957) предложил заполнять колбу инертным

газом. Это позволило повысить температуру нити до 2800 К и привело к увеличению световой отдачи в 1,5 раза. Однако наличие газа в колбе увеличило тепловые потери. Следующий шаг в усовершенствовании — уменьшение поверхности тела накала; для этого вольфрамовая нить

вания. Эти лампы представляют собой кварцевую трубку, заполнен­ ную газом с парами иода. Спираль располагается вдоль оси трубки.

Втрубке происходят реакции соединения испарившегося вольфрама

сиодом и обратная реакция разложения соли на вольфрам и иод.

Разложение происходит на нити, поэтому испарившийся вольфрам частично возвращается. Световая отдача этих ламп доходит до 30 лм-Вт“1. Увеличение срока службы ламп накаливания возможно также за счет улучшения технологии изготовления нити, так как иссле­ дования показали, что выход лампы из строя происходит при испаре­ нии относительно малого количества вольфрама (единицы про­ центов).

Возможность повышения светового к. п. д. ламп накаливания ограничена. Идеальный излучатель — абсолютно черное тело — при температуре 7000 К только 14% потока излучения дает в видимой области, а остальное — в инфракрасной и ультрафиолетовой. К повы­ шению светового к. п. д. может привести применение специальных люминофоров, преобразующих н£ колбе лампы инфракрасное излу­ чение в видимое.

1 2 7

стики. Оно определяет при малых приращениях АU и А/ величину и знак динамического сопротивления и линейность характеристики.

Для характеристики дугового разряда это отношение, во-первых, численно непостоянно для разных точек, и во-вторых, отрицательно по знаку. Первая особенность определяет нелинейность характери­ стики, а вторая — так называемый «падающий» характер кривой. Таким образом, дуговой разряд имеет нелинейную падающую вольтамперную характеристику. Если подсчитать статическое сопротивле­

в режиме дугового разряда в сеть. Предположим, что на промежуток подается постоянное по величине и

знаку напряжение Uc и параметры разряда соответствуют точке А (рис. 64). Поскольку промежуток включен в сеть без дополнительных устройств, то, очевидно, при устойчи­ вом разряде должно соблюдаться равенство напряжений сети и газо­ разрядного промежутка Uc = Ur_n,

или Uc — и ГшП— 0.

Ток не может быть меньше і а , так как в этом случае падение напря­ жения на газоразрядном промежутке будет больше, чем напряжение сети. Предположим, что ток возрос до вели­ чины Іх. В этом случае нарушатся оба равенства: Uc> Ut п и і)с— Ut п =

= АU > 0. Положительный избыток напряжения нужно рассматривать как следствие лавинного образования носителей заряда в промежутке и как основание для предположения дальнейшего положительного при­ ращения тока. Следует обратить внимание на то, что с увеличением тока разница между напряжением сети и падением напряжения на газовом промежутке возрастает, что приводит к постоянному возра­ станию тока. Поскольку характеристика не имеет восходящих участ­ ков, то нет оснований ожидать установления режима. Процесс возра­ стания тока теоретически приведет к его увеличению до бесконечности, а практически — к выходу из строя элементов схемы.

Основной вывод, который можно сделать из рассмотрения этой кривой, заключается в том, что при непосредственном включении дуго­ вого разряда в сеть с постоянным по величине напряжением разряд неустойчив и сопровождается бесконечным увеличением тока. Следо­ вательно, в этом случае нужно принимать меры к с т а б и л и з а ц и и р а з р я д а . Стабилизация может быть обеспечена либо использова­ нием источника напряжения с падающей внешней характеристикой (такая характеристика, например, специально создается у сварочного