Длина волны излучения λ и частота электромагнитных колебаний V связаны между собой соотношением
λ = с/V, где с = 3 • 108 м/с — скорость света.
Длину волны оптического излучения принято измерять в нанометрах (нм): 1 нм = 10 -9 м.
Электромагнитное излучение характеризуется чрезвычайно широким интервалом длин волн. Однако лишь небольшая часть этого интервала, лежащая между рентгеновскими лучами и радиоволнами, называется оптическим излучением.
Оптическое излучение делят на видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное.
Видимое излучение может непосредственно вызывать зрительные ощущения. Излучение этого диапазона (от 380 до 780 нм) применяют для создания необходимого уровня освещенности, ускорения реакций фотосинтеза у зеленых растений, увеличения продуктивности и регулирования биологических ритмов сельскохозяйственных животных и птицы.
Видимый свет представляет собой сочетание семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Перед красными лучами в оптическим спектре находятся тепловые (инфракрасные) лучи, а за фиолетовыми — ультрафиолетовые. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения невидимы для человеческого глаза.
Ультрафиолетовое излучение (УФ) занимает диапазон волн от 1 до 380 нм. Свойства ультрафиолетовых лучей различны в зависимости от длины волны. Поэтому весь диапазон ультрафиолетового излучения условно разделен на три зоны: А — 320…380 нм; В — 280…320, С — 1…280 нм.
Длинноволновое ультрафиолетовое излучение (зона А) способно вызывать свечение некоторых веществ. Сельскохозяйственные продукты при облучении УФ-лучами зоны А начинают светиться видимым светом, т. е. происходит своеобразная трансформация невидимых УФ-лучей в лучи видимого диапазона оптического излучения. Это явление называется люминесценцией. С помощью люминесценции можно быстро определить качество и биологическое состояние мяса, рыбы, масла, молока и молочных продуктов, яиц, зерна, овощей и фруктов. Качество и биологическое состояние исследуемых продуктов оценивают по цвету и интенсивности люминесценции. Например, свежее зерно пшеницы светится зеленым светом, лежалое — голубым, а пострадавшее от сырости — желтым. Эффект люминесценции также используется в современных системах автоматической сортировки овощей и фруктов.
Средневолновое ультрафиолетовое излучение (зона В) оказывает сильное биологическое воздействие на живые организмы. Оно способно вызывать эритему (загар), и под его действием в коже животных и человека из провитамина D (стерина) синтезируется витамин D, играющий важную роль в регулировании обмена веществ. При недостатке в организме витамина D нарушается обмен веществ, вследствие чего у молодняка животных развиваются рахит и другие болезни.
Поэтому облучение молодняка животных УФ-лучами зоны В снижает заболеваемость, повышает усвояемость корма и общий жизненный тонус организма.
Коротковолновое ультрафиолетовое излучение (зона С) обладает сильным бактерицидным действием, поэтому его используют для обеззараживания воздуха в животноводческих помещениях, стерилизации питьевой воды, молока и молочной посуды, обеззараживания и предохранения от микробного загрязнения пищевых продуктов.
Инфракрасное излучение занимает самую большую часть оптического спектра (от 780 до 106 нм). Глубоко проникая в поверхностные слои тканей живого организма, инфракрасное излучение большую часть энергии своих фотонов расходует на образование теплоты. Глубина его проникновения в тело животных составляет 2,5мм, в зерно — до 2, в сырой картофель — 6, в хлеб (при выпечке) — до 7, в слой воды — 30…45 мм. Инфракрасное излучение практически не поглощается воздухом.
В сельскохозяйственном производстве инфракрасное излучение используют в основном для обогрева молодняка животных и птицы, сушки и дезинсекции сельскохозяйственных продуктов (зерна, фруктов и т. д.), пастеризации молока, сушки лакокрасочных и пропиточных покрытий.
Поток излучения — это количество лучистой энергии, излучаемой источником в единицу времени:
Ф = Q/t,
Где Ф — поток излучения, Вт; Q — энергия излучения, Дж; t — время, с.
Энергия излучения, попавшая на поверхность какого-либо тела, частично отражается от этой поверхности, частично пропускается сквозь тело и частично поглощается самим телом. Из всей энергии излучения только та часть может быть преобразована в другой вид энергии (биологическую, тепловую и т. д.), которая поглощается. Тела, в которых происходит преобразование энергии излучения в биологическую, электрическую и другие виды энергии, называют приемниками.
Большинство приемников энергии оптического излучения (лист растения, кожа животных, фотоэлемент и т. д.) обладают избирательной чувствительностью к излучениям различных длин волн. Если подводить к приемнику поочередно монохроматические излучения (излучения волн одной длины) одинаковой мощности, но разных длин волн, то реакция приемника на эти излучения будет неодинаковой. Избирательная чувствительность приемника к монохроматическим излучениям различных длин волн называется спектральной чувствительностью приемника.
Спектральная чувствительность приемника — это отношение монохроматического потока Фλэ, полезно превращенного в приемнике в новый вид энергии, к полному монохроматическому лучистому потоку Фλп, падающему на приемник. Спектральная чувствительность приемника при длине волны λ
Qλ= Фλэ / Фλп.
Спектральная чувствительность приемников достигает наибольшего значения при длине волны λ mах. Например, спектральная чувствительность человеческого глаза имеет максимальное значение при λ mах = 555 нм. При другой длине волны λ, спектральная чувствительность глаза будет меньше.
Эффективный поток — это поток излучения, поглощенный приемником и преобразованный в нем в полезную мощность другого вида энергии. Определяя эффективный поток по уровню реакции образцового приемника, можно построить систему эффективных величин и единиц их измерения, облегчающую количественную оценку процесса преобразования энергии излучения и упрощающую расчеты, связанные с ее использованием. В зависимости от действия оптического излучения приемника различают следующие системы эффективных величин: световую, витальную (эритемную), бактерицидную и фотосинтетическую.
Для количественной оценки способности потока оптического излучения создавать видимость окружающих нас предметов введена система световых величин и единиц их измерения. В качестве образцового приемника в этой системе принят усредненный человеческий глаз.
В системе световых величин эффективным потоком является световой поток. За единицу измерения светового потока принят люмен (лм). Установлено, что при воздействии монохроматическим излучением с длиной волны 555 нм и мощностью 1 Вт на глаз стандартного наблюдателя создается световой поток 683 лм.
Отношение светового потока Фс, падающего на поверхность, к площади этой поверхности S называется освещенностью: Ес = Фс /S. За единицу измерения освещенности принят люкс (лк), равный освещенности поверхности площадью 1 м2, на которой равномерно распределен световой поток в 1 лм (1 лк= 1 лм/м2).
Принято считать, что общее благоприятное действие ультрафиолетового излучения на животных и птицу пропорционально его витальному действию. Исходной величиной в системе витальных величин служит витальный поток. За единицу измерения витального потока принято воздействие монохроматического лучистого потока с длиной волны 297 нм и мощностью 1 Вт на образцовый приемник — кожу человека. Плотность витального потока Фв на поверхности S облучаемого объекта называется витальной облученностью, которая определяется как Ев = Фв /S. Единица измерения витальной облученности — вит/м2.
Витальная экспозиция (количество витального облучения) Нв характеризует количество энергии витального излучения, попавшее на единицу облучаемой поверхности за время t. Ее определяют по формуле Нв = EBt. Единица измерения витальной экспозиции — вит — с/м2.
В бактерицидной системе величин эффективным потоком, определяемым по бактерицидному действию коротковолнового ультрафиолетового излучения на различные виды бактерий, является бактерицидный поток Ф6. Наибольшим бактерицидным действием, т. е. способностью вызывать гибель бактерий, обладает ультрафиолетовое излучение с диной волны 254 нм. Поэтому за единицу измерения бактерицидного потока принят бакт (бк), который соответствует разрушающему действию на бактерии монохроматического излучения с длиной волны 254 нм и мощностью 1 Вт. Остальные величины и единицы этой системы образованы аналогично приведенным выше системам (световой и витальной).
Фотосинтетическая система величин и единиц измерения по — 1 строена на базе понятия фитопотока. Фитопоток Фф количественно определяет содержание в интегральном потоке излучения энергии, потенциально доступной растениям для осуществления реакции фотосинтеза. За единицу измерения фитопотока принят фит, численно равный монохроматическому потоку оптического излучения мощностью 1 Вт с длиной волны 680 нм. Остальные величины и единицы этой системы образованы аналогично вышеприведенным системам.
Эффективное тепловое действие инфракрасных излучений оценивают в абсолютных единицах энергетической системы величин: поток инфракрасного излучения — Вт; инфракрасная облученность — Вт/м2; экспозиция (количество облучения) инфракрасного излучения — Дж/м2.
Электрическим источником оптического излучения называется устройство, преобразующее электрическую энергию в лучистую энергию оптического спектра.
Различают следующие классы электрических источников:
- теплового излучения (лампы накаливания);
- газоразрядные оптического излучения низкого, высокого и сверхвысокого давления;
- смешанного излучения (теплового и газоразрядного);
- люминесцирующего действия (электролюминесцентные панели);
- лазеры (жидкие, газовые и твердотельные).
Электрические лампы накаливания — самые массовые источники оптического излучения. Это объясняется их сравнительной простотой устройства и надежностью в эксплуатации, возможностью непосредственного включения в сеть, отработанностью технологии производства и низкой себестоимостью. Несмотря на многообразие типоразмеров ламп накаливания, различающихся номинальным напряжением, мощностью и родом тока, все они объединены единым физическим принципом получения видимого излучения (нагрев электрическим током вольфрамовой нити до температуры 2200…2800 °С) и сходством основных конструктивных составляющих: стеклянный баллон, нить накаливания и цоколь.
Лампы накаливания различаются между собой электрическими, светотехническими и эксплуатационными характеристиками. К электрическим характеристикам относятся номинальное напряжение питающей сети (В), номинальная мощность (Вт) и род тока (постоянный или переменный).
Наиболее распространены лампы накаливания в вакуумном и газонаполненном исполнении мощностью 15…1500 Вт. Из колбы вакуумных ламп откачан воздух до разрежения 1,33 • 10 -3 Па. Мощность таких ламп обычно не превышает 25 Вт. Колбу газонаполненных ламп после откачки воздуха заполняют смесью аргона или криптона с азотом до давления, близкого к атмосферному. Это позволяет повысить температуру нити накаливания до 2600… 2700 °С и тем самым увеличить по сравнению с вакуумными лампами световую отдачу.
Основная светотехническая характеристика источников видимого света — излучаемый ими световой поток, измеряемый в люменах (лм). Световой поток ламп накаливания зависит от их электрической мощности и температуры нити накаливания. Характерной особенностью ламп накаливания является то, что их нормированный в каталогах световой поток излучается только в первые часы работы. В процессе эксплуатации лампы из-за высокой температуры частицы нити накаливания испаряются и оседают на внутренней стороне колбы. Это приводит к уменьшению толщины нити накаливания, а следовательно, и к снижению ее температуры из-за соответствующего увеличения электрического сопротивления. Кроме того, значительно уменьшается прозрачность колбы. Все это вызывает значительное уменьшение светового потока (на 75…80 %).
Эксплуатационные характеристики, определяющие экономические показатели работы ламп накаливания, — световая отдача и срок службы.
Световая отдача лампы определяется отношением светового потока, излучаемого лампой, к потребляемой ею электрической мощности. Для ламп накаливания световая отдача находится в пределах 7…20 лм/Вт. Это означает, что в видимый свет преобразуется лишь незначительная (1…3 %) часть потребляемой лампой электрической энергии, а все остальное превращается в инфракрасное излучение и тепловые потери.
Средний срок службы ламп накаливания при номинальном напряжении составляет 1000 ч.
Отклонение питающего напряжения от его номинального значения существенно влияет на характеристики ламп накаливания. При небольших отклонениях напряжения в сети (до ± 7,5 %) можно приближенно считать, что отклонение напряжения на ± 1 % изменяет световой поток лампы на ± 2,7 %, а среднюю продолжительность горения на ± 14 %.
Представляют интерес галогенные лампы, т. е. кварцевые лампы накаливания с йодным (галоидным) циклом.
В обычной лампе накаливания вольфрамовая нить накала постепенно распыляется и частицы вольфрама оседают на внутренней поверхности колбы, снижая ее прозрачность и, следовательно, световой поток. В галогенных лампах колба выполнена из кварцевого стекла и в нее введено небольшое количество йода.
Частицы вольфрама, отрываясь от раскаленной нити накаливания, оседают на стенках колбы и соединяются с йодом. При этом образуется газообразное соединение — йодитовольфрам, которое, попадая в зону высоких температур вблизи нити накаливания вновь распадается на йод и вольфрам. Вольфрам остается на нити накаливания, а частицы йода возвращаются к колбе и вновь принимают участие в цикле.
Срок службы галогенных ламп вдвое больше, чем ламп накаливания, спектральный состав излучения более близок к естественному, световая отдача на 15…20 % больше, а размеры этих ламп значительно меньше, что позволяет существенно уменьшить габаритные размеры и массу осветительных приборов. Галогенные лампы обладают высокой механической прочностью и термостойкостью.
Газоразрядным источником лучистой энергии называется устройство, в котором оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах металлов или в их смесях. Из всех газоразрядных источников видимого излучения в сельскохозяйственном производстве наиболее распространены люминесцентные лампы и лампы типа ДРЛ.
Люминесцентные лампы низкого давления благодаря высокой световой отдаче, улучшенному спектральному составу излучения и значительному сроку службы широко применяют для общего освещения производственных и общественных помещений.
Люминесцентная лампа представляет собой длинную стеклянную трубку (колбу), внутренняя поверхность которой покрыта слоем специального порошка — люминофора 4. В герметически закрытых торцах колбы на молибденовых электродах, прикрепленных к стеклянной ножке, смонтирована вольфрамовая спираль, концы которой припаяны к штырькам, изолированным от цоколя лампы специальной мастикой. Из колбы лампы через отверстие в стеклянных ножках откачивают воздух и вводят в нее инертный газ (аргон) и небольшое количество ртути. Электрический разряд в такой лампе начинается в среде инертного газа, а затем по мере испарения ртути продолжается в ее парах.
Преобразование электрической энергии в видимое излучение в люминесцентных лампах происходит в две фазы: электрический разряд в парах ртути сопровождается
коротковолновым ультрафиолетовым излучением (первая фаза); возникающее ультрафиолетовое излучение, воздействуя на люминофор, вызывает его фотолюминесценцию (вторая фаза). Люминофор преобразует ультрафиолетовое излучение в видимое.
Люминесцентные лампы различают по форме и размерам колбы, мощности и спектральному составу или цвету излучения. Отечественные люминесцентные лампы типов ЛБ, ЛД, ЛТБ, ЛХЕ и др. отличаются только составом люминофора, а следовательно, и спектральным составом излучения. Буквы, входящие в условное обозначение этих ламп, означают: Л — люминесцентная, Б — белая, Д — дневная, ТБ — тепло-белая, ХБ — холодно-белая, Е — естественная, БЕ — белая естественная, Ф — фотосинтетическая и т. д. Среди ламп указанных цветностей различают еще лампы с улучшенным спектральным составом излучения, обеспечивающим хорошую цветопередачу освещаемых объектов. В обозначении этих ламп после букв, характеризующих цветность излучения, указывают букву Ц (ЛДЦ, ЛХБЦ и т. д.). Сразу после буквенного обозначения лампы следуют цифры, соответствующие номинальной мощности лампы в ваттах.
Обычно люминесцентные лампы выпускают мощностью от 10 до 150 Вт. Средняя продолжительность горения люминесцентных ламп (срок службы) не менее 12 000 ч, световая отдача 25…70 лм/Вт. Включение люминесцентных ламп в сеть. Особенностью электрического разряда в среде большинства инертных газов и паров металлов является падающая вольт-амперная характеристика (сопротивление газового промежутка уменьшается с увеличением силы тока, протекающего через него). Поэтому для стабилизации силы тока электрического разряда газоразрядных источников оптического излучения необходимо последовательно с ними включать балластное сопротивление. В качестве балластного сопротивления в цепях переменного тока можно применять активное, индуктивное и емкостное сопротивления или их комбинацию.
Стартер представляет собой миниатюрную газоразрядную лампу с биметаллическими электродами, заполненную смесью аргона, неона и гелия. Стеклянная колба лампы стартера помещена в металлический корпус цилиндрической формы. В одном корпусе со стартером расположен конденсатор, предназначенный для подавления радиопомех.
При подаче напряжения ток через люминесцентную лампу не проходит, так как газовый промежуток между электродами лампы в достаточной степени не ионизирован и является изолятором. В таком состоянии для электрического пробоя газового промежутка необходима разность электрических потенциалов между электродами лампы, в несколько раз превышающая напряжение питающей сети. В это время в стартере возникает тлеющий разряд, через который по электрической цепи, образованной дросселем и нитями накала электродов люминесцентной лампы, протекает небольшой (20…50мкА) электрический ток. Тлеющий разряд нагревает биметаллические электроды стартера, и они, изгибаясь, накоротко соединяются один с другим и замыкают цепи накала электродов люминесцентной лампы. Протекающий по ним и дросселю достаточно большой ток (0,9…2 номинального тока лампы) обеспечивает интенсивный подогрев электродов. Тлеющий разряд в стартере при этом прекращается, так как разность электрических потенциалов на его электродах равна нулю.
За 1…2 с электроды люминесцентной лампы разогреваются до 800…1000 °С, вследствие чего увеличивается электронная эмиссия с электродов, ионизируется газовый промежуток и облегчаются условия его пробоя. При этом часть электрической энергии запасается в виде магнитного поля в обмотке дросселя.
После прекращения тлеющего разряда в стартере его электроды охлаждаются и, возвращаясь в исходное положение, разрывают цепь накала электродов лампы. В момент разрыва цепи за счет накопленной магнитной энергии в дросселе возникает ЭДС самоиндукции. Образовавшийся за счет ЭДС импульс повышенного напряжения (700…1000 В) прикладывается к электродам лампы, между ними происходят электрический пробой газового промежутка и, следовательно, зажигание люминесцентной лампы. Далее электрический ток протекает через лампу. При этом к стартеру, включенному параллельно работающей люминесцентной лампе, прикладывается приблизительно половина напряжения сети, которого недостаточно для возникновения в нем тлеющего разряда, и поэтому он автоматически отключается. Однако если люминесцентная лампа по какой-либо причине не зажглась, то весь процесс зажигания повторяется.
Стартер является весьма ненадежным аппаратом, а дроссель — достаточно дорогое и громоздкое устройство. Поэтому широко применяют электронные импульсные пусковые устройства — простые, малогабаритные и относительно дешевые. Ряд фирм выпускает подобные устройства встроенными в цоколь люминесцентной лампы. Лампы типа ДРЛ — ртутные люминесцентные лампы высокого давления, широко используемые для освещения улиц, промышленных предприятий и других объектов, где не требуется высокое качество цветопередачи. Эти лампы представляют собой прямую ртутно-кварцевую горелку высокого давления, заключенную во внешнюю стеклянную колбу, т. е. как бы лампу в лампе. На внутреннюю поверхность внешней колбы нанесен люминофор, который преобразует ультрафиолетовое излучение горелки в видимый свет.
Колба горелки выполнена из кварцевого стекла в виде цилиндрической трубки, в торцы которой впаяны вольфрамовые электроды. Внутри колбы горелки находятся аргон и дозированное количество ртути.
Период разгорания ламп типа ДРЛ 3…7 мин, после которого наблюдается устойчивый режим работы и происходит стабилизация ее энергетических и светотехнических характеристик.
Повторно зажечь погасшую лампу можно лишь после того, как она остынет (через 10…15 мин). Для этих ламп характерен недостаток излучения красного цвета, что вызывает искажение цветовых ощущений при освещении.
Отечественная промышленность выпускает лампы ДРЛ мощностью 80…2000 Вт. Световая отдача ламп 40…60лм/Вт. Средняя продолжительность горения 6…15 тыс. ч.
Лампы типа ДРЛ подключают к сети с помощью дросселя, включенного последовательно с лампой. Для зажигания газовой горелки этих ламп достаточно сетевого напряжения. После зажигания в лампе электрического разряда напряжение на ней вначале составляет 30 В и по мере разгорания повышается до 115…145 В.
Натриевые лампы высокого давления (типа ДНаТ) имеют самую высокую светоотдачу среди всех газоразрядных ламп. По конструкции они похожи на лампы типа ДРЛ, только внешняя колба не имеет люминофорного покрытия. Тонкостенную трубчатую горелку ламп типа ДНаТ изготовляют из поликристаллического оксида алюминия и заполняют парами натрия, ксеноном и парами ртути.
Лампы типа ДНаТ имеют мощность 250…1000 Вт. Сетевая отдача их составляет 100…125 лм/Вт, но до 70% излучения лампы сосредоточено в желто-оранжевой области спектра. Такое излучение обеспечивает хорошее различие положения и формы объектов, но очень неудовлетворительную цветопередачу. Поэтому основное назначение ламп типа ДНаТ — освещение улиц и территорий промышленных объектов.
Характерной особенностью газоразрядных источников оптического излучения является то, что при включении их в сеть переменного тока излучаемый ими световой поток периодически изменяется во времени с частотой, равной удвоенной частоте тока. Такие пульсации светового потока незаметны для человеческого глаза благодаря зрительной инерции, но они могут привести к искажению восприятия движущихся объектов — стробоскопическому эффекту. Стробоскопический эффект заключается в том, что вращающаяся с некоторой скоростью деталь, освещенная газоразрядными источниками, может показаться неподвижной или даже медленно вращающейся в противоположную сторону. Такое явление нежелательно и может привести к авариям и травматизму.
Осветительным прибором называется комплект из источника видимого света (лампы) и осветительной арматуры. Осветительная арматура предназначена для перераспределения светового потока в нужном направлении, предохранения глаз от слепящего действия источника света, крепления источника света и предохранения его от механических повреждений и загрязнения. Все осветительные приборы принято делить на три группы: приборы ближнего действия (до 20…30м); светильники дальнего действия (более 30м); прожекторы и комплексные осветительные приборы на основе световодов.
Осветительная арматура (светильник) обычно состоит из ламподержателей, пускорегулирующей аппаратуры и оптической системы. Оптическая система светильников состоит из различных отражателей, рассеивателей светового потока, защитных стекол, решеток и т. д.
Все светильники классифицируют по следующим признакам: характеру светораспределения; форме кривой силы света; способу установки и особенностям эксплуатации; классу защиты от поражения электрическим током; степени защиты от пыли и влаги; степени пожаро — и взрывозащиты; целевому назначению.
Классификация светильников по светораспределению выполнена на основе соотношения световых потоков, излучаемых светильником в нижнюю и верхнюю полусферы окружающего пространства. Различают светильники прямого света (в нижнюю полусферу излучается более 80 % светового потока), преимущественно прямого света (60…80 % — в нижнюю полусферу), рассеянного света (40 …60 % — в нижнюю полусферу и 60…40 % — в верхнюю), преимущественно отраженного света (20…40% —в нижнюю, остальное — в верхнюю) и отраженного света (менее 20 % — в нижнюю полусферу).
По исполнению различают светильники открытого типа (лампа не закрыта от воздействия окружающей среды), закрытого типа (лампа и ее крепеж закрыты от внешней среды, но без уплотнения), влагозащищенные (лампа защищена от влаги), взрывозащищенные. Для защиты светильника от пыли, воды и агрессивных сред выбирают требуемые конструктивные материалы и предусматривают различную степень герметизации его внутреннего объема.
Различают рабочее, дежурное и аварийное электрическое освещение. Рабочее освещение включают в помещении в период выполнения нормального технологического процесса. Когда работы не выполняются, то большинство ламп (80…85 % всего числа) выключают, а оставшиеся включенными обеспечивают дежурное освещение. В помещениях, где отсутствие света может привести к нарушению технологического процесса или несчастным случаям, кроме основного освещения применяют аварийное освещение. Лампы аварийного освещения устанавливают вдоль основных проходов и на лестницах. Аварийное освещение получает питание от другого источника тока или электрической линии, чем рабочее освещение.
Существует три системы освещения: общее, создаваемое высоко подвешенными светильниками, распределяющими световой поток по всей площади помещения; местное, когда светильники расположены в непосредственной близости от рабочих поверхностей, которые они должны освещать; комбинированное, представляющее собой сочетание общего и местного освещения.
Оптимальным считается такое освещение, которое при минимальных затратах обеспечивает производительную, высококачественную и безопасную работу. В нашей стране существуют определенные санитарные нормы освещенности для различных помещений, на основании которых выбирают системы освещения и соответствующие светильники.