ВСТУП

Завдання і зміст дисципліни "Електричне освітлення та опромінення", її зв'язок з іншими дисциплінами навчального плану.

Роль і значення електричного освітлення і опромінення в сільськогосподарському виробництві.

Прочитайте і опрацюйте

Короткі теоретичні відомості та методичні вказівки

Оптичне випромінювання є дуже важливим технологічним фактором, за допомогою якого можлива інтенсифікація різноманітних процесів сільськогосподарського виробництва. Воно відіграє важливу роль у життєдіяльності людей і тварин, суттєво впливає на урожайність рослин.

Для забезпечення потреб народного господарства наша промисловість випускає понад 2,5 млрд. шт. ламп різного призначення в широкому асортименті. На потреби освітлення і опромінення в сільському господарстві витрачається більш ніж 15 відсотків від усієї спожитої електроенергії.

Якість освітлення і опромінення, економія електричної енергії, матеріальних і трудових ресурсів знаходяться у прямій залежності від рівня інженерних рішень, що приймаються при проектуванні і експлуатації освітлювальних та опромінювальних установок .

Програмою дисципліни "Електричне освітлення і опромінення" передбачається вивчення фізичних основ оптичного випромінювання, будови і принципу дії електричних джерел оптичного випромінювання, світильників, пускорегулюючих апаратів, установок електричного освітлення і опромінення, методик розрахунку освітлювальних і опромінювальних установок і придбання практичних навичок їх вибору, установки, підготовки до роботи, регулювання і усунення неполадок.

У результаті вивчення дисципліни студенти повинні знати фізичні основи оптичного випромінювання і його біологічну дію та величини і одиниці його вимірювання, будову і принцип дії ламп, світильників, опромінювальних установок та їх характеристики, методику їх вибору

Вивчивши дисципліну, студенти повинні вміти правильно вибирати і розраховувати освітлювальні й опромінювальні установки, використовувати найбільш раціональні типи джерел випромінювання, кваліфіковано виконувати електромонтажні роботи, визначати і усувати несправності.

Щоб засвоїти цю дисципліну, необхідний відповідний рівень знань з таких дисциплін як фізика, теоретичні основи електротехніки, основи електроніки і мікропроцесорної техніки, основи автоматики.

Вибір і розрахунок освітлювальних і опромінювальних установок неможливий без знання технологічних процесів виробництва.

Навчальним планом передбачено виконання домашньої контрольної роботи, лабораторно-практичних робіт та курсової роботи, здача заліку.

У завдання контрольної роботи включено питання, які охоплюють найважливіші теми. Багато питань носять проблематичний характер, що потребує глибокого вивчення програмного матеріалу, його осмислення і сприяє формуванню в студентів логічного та практичного мислення, вміння користуватись довідковою літературою.

Запам'ятайте

Все живе на нашій планеті виникло й існує завдяки оптичному випромінюванню.

Тепло - це Сонце, хліб - це Сонце, м'ясо - це також Сонце.

У процесі фотосинтезу за рік на Землі утворюється більш ніж 100 млрд. тонн органічних речовин, відбирається з атмосфери більш ніж 200 млрд. тонн вуглекислого газу і атмосфера Землі збагачується на 145 млрд. тонн кисню.

Грамотне використання освітлювальних і опромінювальних установок може підвищити продуктивність праці на п'ять-десять відсотків, продуктивність тварин - на 8... 15 відсотків, дати більш високі урожаї культур у спорудах захищеного ґрунту і знизити строки їх дозрівання. Навпаки, безграмотне використання може призвести до зниження продуктивності праці, виникнення аварійних ситуацій і травм, зниження продуктивності тварин і урожайності сільськогос­подарських культур.

Питання для самоперевірки

І.Яке економічне і соціальне значення застосування оптичного випромінювання у сільськогосподарському виробництві?

2. Де в сільському господарстві використовується оптичне випромінювання?

3. Роль оптичного випромінювання для життя на Землі.

4. Що повинні знати студенти в результаті вивчення дисципліни?

5. Що повинні вміти студенти в результаті вивчення дисципліни?

1. Електричне освітлення

1.1. Загальні відомості про оптичне випромінювання

Фізичні основи оптичного випромінювання. Основні поняття і визначення.

Спектр електромагнітних коливань, його властивості і застосування. Фотобіологічна дія оптичного випромінювання.

Прочитайте і опрацюйте

Короткі теоретичні відомості та методичні вказівки

Між тілами в природі постійно відбувається обмін енергією, що існує в різних формах - тепловою, механічною, електричною, хімічною, променевою тощо.

Перехід електронів в атомно-молекулярних структурах з високого енергетичного рівня на більш низький супроводжується виділенням кванта енергії, що носить назву "фотон". Фотон має властивості як частинки (корпускули), так і електромагнітної хвилі. Енергія фотона пропорційна частоті електромагнітних коливань V і обернено пропорційна довжині хвилі

Довжина хвилі - це відстань, яку проходить промінь за час повного періоду коливання. Між швидкістю поширення світла у вакуумі, довжиною хвилі і частотою коливань існує залежність:

Випромінювання, визвані зміщенням електронів при нагріванні або електричним розрядом, відносяться до оптичної зони електромагнітних хвиль. Отже, електромагнітні коливання з довжиною хвиль від 1 • 10'⁹ м (нанометри) до 1 мм називаються оптичним випромінюванням.

Спектр оптичного випромінювання поділяється на такі види опромінювання:

ультрафіолетове (довжина хвилі 1.. .380 нм);

видиме (довжина хвилі 380.. .780 нм);

інфрачервоне (довжинахвилі 780... 1 ■ 10⁶нм).

Залежно від властивостей ультрафіолетове випромінювання поділяється на зони А,В,С . Зона А (довжина хвилі 315...380 нм) має невелику біологічну активність, але здатна визивати пігментацію шкіри людини, позитивно впливає на організм тварин і птиці, визначає формативний ефект у рослин. Використовують для люмінесцентного аналізу хімічного складу і біологічного стану продуктів.

Зона В (довжина хвилі 280...315 нм) спричиняє тонізуючу і терапевтичну дію на живі організми, здатна визивати еритему і загар, перетворювать в організмі необхідний для росту і розвитку тварин вітамін D в засвоювану форму, має потужну антирахітну дію, але шкідлива для більшості рослин. Застосовується в основному для опромінення молодняку тварин і птиці.

Зона С (довжина хвилі 100... 280 нм) відрізняється бактерицидною дією. Використовується для обеззаражування води і повітря, дезінфекції і стерилізації інвентарю і посуду.

Видимим називають таке випромінювання, яке може безпосередньо викликати зорові відчуття. Випромінювання цього діапазону (від 380 до 780 нм) застосовують для створення необхідного рівня освітленості при виконанні робіт, прискорення реакції фотосинтезу рослин, збільшення продуктивності і регулювання біологічних ритмів тварин і птиці.

Інфрачервоне випромінювання більшу частину енергії своїх фотонів витрачає на утворення теплоти. У сільському господарстві використовують в основному для обігріву молодняку тварин і птиці, сушіння і дезінсекції сільськогосподарських продуктів, пастеризації

молока.

Основні види фотобіологічної дії оптичного випромінювання: світлова; фотосинтезна; терапевтична; бактерицидна; мутагенна; фотоперіодична.

Запам'ятайте

Електромагнітні коливання з довжиною хвиль від 1-10 м (нанометр) до 1 мм називаються оптичним випромінюванням. Воно має властивості як частинки (корпускули), так і електромагнітної хвилі. Енергія фотона пропорційна частоті електромагнітних коливань V і обернено пропорційна довжині хвилі X .

Спектр оптичного випромінювання поділяється на такі види: ультрафіолетове, видиме й інфрачервоне опромінення.

Основні види фотобіологічної дії оптичного випромінювання: світлова; фотосинтезна; фотоперіодична; терапевтична; бактерицидна; мутагенна.

Питання для самоперевірки

1. Що ви розумієте під оптичним випромінюванням?

2. Чим оптичне випромінювання відрізняється від інших видів випромінювань спектра електромагнітних коливань?

3. На які види випромінювань поділяється спектр оптичного випромінювання?

4. Зони ультрафіолетового випромінювання і їх застосування.

5. Основні види фотобіологічної дії оптичного випромінювання.

6. Які властивості має видиме й інфрачервоне випромінювання?

7. Які основні властивості має електромагнітне випромінювання?

8. Що таке спектр електромагнітних коливань?

9. Як залежить енергія фотона електромагнітного випроміню­ вання від довжини хвилі?

10. Перерахуйте види фотобіологічної дії оптичного випромінювання

Тести

1. Енергія фотона пропорційна:

• довжині хвилі;

• частоті електромагнітних коливань;

• частоті електромагнітних коливань і довжині хвилі.

2. Зона А ультрафіолетового випромінювання застосовується:

• для люмінесцентного аналізу хімічного складу і біологічного стану продуктів;

• для опромінення молодняку тварин і птиці;

• для обеззаражування води і повітря, дезінфекції і стерилізації інвентарю і посуду.

3. Зона В ультрафіолетового випромінювання застосовується:

• для обеззаражування води і повітря, дезінфекції і стерилізації інвентарю і посуду;

• для люмінесцентного аналізу хімічного складу і біологічного стану продуктів;

• для опромінення молодняку тварин і птиці.

4. Зона С ультрафіолетового випромінювання застосовується:

• для опромінення молодняку тварин і птиці;

• для обеззаражування води і повітря, дезінфекції і стерилізації інвентарю і посуду;

• для люмінесцентного аналізу хімічного складу і біологічного стану продуктів.

5. Терапевтична дія оптичного випромінювання:

• визиває загибель бактерій;

• змінює спадкові властивості;

• покращує обмін речовин, підвищує опір організму до захворювань.

1.2. Основні величини оптичного випромінювання та їх одиниці вимірювання

Основні енергетичні величини і одиниці їх вимірювання. Загальні принципи побудови систем ефективних величин. Основні величини і одиниці вимірювання: видимого, ультрафіолетового випромінювання та випромінювання, що використовується в рослинництві.

Прочитайте і опрацюйте

Короткі теоретичні відомості та методичні вказівки

Енергетичні величини і одиниці їх вимірювання

Поле оптичного випромінювання нерозривно пов'язане з переносом енергії від випромінюючого тіла до поглинаючого. Цей перенос здійснюється за допомогою електромагнітних коливань.

Енергія оптичного випромінювання має розмірність, властиву будь-якій формі енергії і вимірюється в джоулях (Дж). На практиці частіше необхідно знати не енергію випромінювання, а її потужність (потік випромінювання).

Потоком випромінювання Ф називають енергію випроміню­вання, що переноситься за одиницю часу:

Просторова густина потоку випромінювання джерела називається силою випромінювання (Вт • ер"¹) і визначається відношенням потоку випромінювання до тілесного кута, у якому він рівномірно розподілений

Енергетична опроміненість являє собою відношення потоку випромінювання, що падає на опромінюючу поверхню, до площі цієї поверхні (Вт • м"²):

Загальні принципи побудови систем ефективних величин

Кожен приймач променистої енергії має свою чутливість до випромінювання певних ділянок оптичного спектра. Тому при створенні системи ефективних величин і одиниць вимірювання оптичного випромінювання прийняли зразкові приймачі, а саме: для світлової дії - усереднене око людини; для вітальної (еритемної) дії -шкіру людини; для фотосинтезної дії - середній листок рослини; для бактерицидної дії - бактерії.

Основними енергетичними характеристиками приймачів є спектральна та інтегральна чутливість.

Спектральна чутливість характеризує чутливість приймачів до монохроматичного випромінювання і являє собою відношення ефективної енергії однорідного випромінювання даної довжини хвилі до загальної енергії випромінювання при цій самій довжині хвилі. Під ефективною розуміють енергію випромінювання, яку оцінюють за рівнем реакції на неї приймача.

Інтегральна чутливість приймача характеризується відношенням ефективної енергії до загальної енергії випромінювання, що падає на тіло.

Основні величини і одиниці вимірювання видимого випромінювання

За одиницю світлового потоку прийнято люмен (лм). Це світловий потік, що випромінює абсолютно чорне тіло з площею 0,5305 мм² при температурі затвердіння платини 2045 °С. Експериментально встановлено, що однорідні випромінювання з довжиною хвилі 555 нм потужністю 1 Вт викликають максимальну видимість і дають 683 лм світлового потоку. Число 683 називають світловим еквівалентом потужності.

Просторову щільність світлового потоку називають силою світла.

За одиницю сили світла прийнята кандела (кд). Кандела рівна силі світла в заданому напрямку джерела, що випромінює монохроматичне випромінювання частотою 540-10¹² Гц, сила випромінювання якого в цьому напрямі складає 1/683 Вт-ср"¹. Силу світла в 1 кд випромінює в перпендикулярному напрямі елемент чорного тіла площею 1/600000 м² при температурі затвердівання платини (2045 °К) і тиску 101325 Па.

Густину падаючого світлового потоку по поверхні, що освітлюється, називають освітленістю. Вона являє собою відношення світлового потоку, що падає на певну площину, до величини цієї площі:

За одиницю освітленості прийнято люкс (лк).

Поверхневу густину сили світла в заданому напрямку називають яскравістю. Вона являє собою відношення сили світла, випромінюваного світною поверхнею в певному напрямку, до проекції цієї поверхні на перпендикулярну до даного напрямку площину:

Економічність джерел оптичного випромінювання оцінюють за величиною світлової віддачі, яка являє собою відношення світлового потоку джерела до його електричної потужності:

Основні величини ультрафіолетового випромінювання і одиниці їх вимірювання

Максимальну еритемну дію на шкіру людини проявляють випромінювання з довжиною хвилі 297 нм. Тому за одиницю вимірювання вітального потоку прийнято потік в 1 Вт з довжиною хвилі 297 нм. Цю одиницю назвали віт. Інші одиниці вітального випромінювання утворені аналогічно одиницям видимого випромінювання

Максимальну бактерицидну дію на бактерії проявляють випромінювання з довжиною хвилі 254 нм. Тому за одиницю випромінювання бактерицидного потоку прийнято потік в 1 Вт з довжиною хвилі 254 нм. Цю одиницю назвали бакт (бк). Інші одиниці бактерицидного випромінювання утворені аналогічно одиницям вітального випромінювання. Сила бактерицидного випромінювання Іб (бк • ер "'), бактерицидна опроміненість Е₆ (бк • м ~²).

Основні величини фотосинтезного випромінювання і одиниці їх

вимірювання

Максимальну фотосинтезну дію на листок рослини проявляють випромінювання з довжиною хвилі 680 нм. Тому за одиницю випромінювання фотосинтезного потоку прийнято потік в 1 Вт з довжиною хвилі 680 нм. Цю одиницю назвали фіт (фт). Інші одиниці фотосинтезного випромінювання утворені аналогічно одиницям видимого випромінювання. Сила фотосинтезного випромінювання Іф (фт ■ ер ~ ), фотосинтезна опроміненість Е_ф (фт • м ~²).

Запам'ятайте

Кожен приймач променистої енергії має свою чутливість до випромінювання певних ділянок оптичного спектра. Тому при створенні системи ефективних величин і одиниць вимірювання оптичного випромінювання прийняли зразкові приймачі, а саме: для світлової дії - усереднене око людини (А=555 нм); для вітальної (еритемної) дії - шкіру людини (к=297 нм); для фотосинтезної дії -середній листок рослини (А=680 нм); для бактерицидної дії - бактерії (Я=254 нм).

Основними енергетичними характеристиками приймачів є спектральна та інтегральна чутливість.

Енергетичні величини і одиниці вимірювання оптичного випромінювання:

потік Ф - Вт; сила випромінювання І - Вт ■ ер' ; енергетична опроміненість Е — Вт -м ~ .

Основні величини і одиниці вимірювання видимого випромінювання:

світловий потік Ф-у люменах (лм); сила світла 1-у канделах (кд); освітленість Е-у люксах (лк); яскравість В-у кд-ср'¹; світлова віддача г]-улм ■Вт'¹.

Величини і одиниці вимірювання вітального випромінювання:

вітальний потік Ф_в-у вітах (віт); сила вітального випромінювання І_в — віт ■ ер'¹; вітальна опроміненість Е_в - віт ■ м'; кількість опромінення (доза) Н_в — віт ■ г.

Величини і одиниці вимірювання вітального випромінювання:

бактерицидний потік Ф_б - у бактах (бк); сила бактерицидного випромінювання І_б- бк ■ ер'¹; бактерицидна опроміненість Е₆-бк-м~ .

Величини і одиниці вимірювання фотосинтезного

випромінювання:

фотосинтезний потік Ф_ф - у фітах (фіт); сила фотосинтезного випромінювання І_ф - фіт ■ ер'¹; фотосинтезна опроміненість

Еф — фіт ■ м ~².

Питання для самоперевірки

1. Що означають поняття "потік випромінювання", сила випромінювання", "опроміненість", "кількість опромінення"?

2. Які ви знаєте енергетичні величини і одиниці їх вимірювання?

3. Які існують системи ефективних величин на основі спектральної чутливості, для яких приймачів вони побудовані?

4. Які ви знаєте величини і одиниці вимірювання видимого випромінювання?

5. Які ви знаєте величини і одиниці вимірювання вітального випромінювання?

6. Які ви знаєте величини і одиниці вимірювання бактерицидного випромінювання

7. Які ви знаєте величини і одиниці вимірювання фотосинтезного випромінювання?

Тести

1. Зразковий приймач для світлової дії:

• шкіра людини;

• око людини;

• листок рослини.

2.Зразковий приймач для вітальної дії:

• листок рослини;

• око людини;

• шкіра людини.

3.Енергетичний потік випромінювання вимірюється у:

• люменах;

• фітах;

• ватах.

4.Світловий потік вимірюється у:

• фітах;

• люменах;

• ватах.

5. Енергетична сила оптичного випромінювання вимірюється у:

• Втер"¹;

• віт-ср"¹;

• кд.

6. Сила світла вимірюється у:

• вітер"¹;

• кд;

• Втер"¹.

7. Енергетична опроміненість вимірюється у:

• фіт ■ м "²;

• лк ;

• Вт._М-².

8. Освітленість вимірюється у:

• Втм"²;

• фіт • м ~²;

• лк.

9. Сила світла являє собою:

• густину світлового потоку на поверхні;

• густину світлового потоку в просторі;

• густину освітленості в просторі.

10. Освітленість являє собою:

• густину сили світла в просторі;

• густину світлового потоку на поверхні;

• густину світлового потоку в просторі.