 |
Тема 1. Основные положения и понятия электрического освещения и облучения
|
|
|
|
Рассматриваемые вопросы:
- общие сведения и современное состояние;
- роль и место в народном хозяйстве;
- основные этапы развития
Рекомендуемая литература:
- Жилинский Ю.М., Кумин В.Д. Электрическое освещение и облучение. – М.: Колос, 1982
- Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение. М.: Агропромиздат, 1991
Краткое содержание
Светотехника – область науки и техники предметом, которой являются исследования принципов и разработки способов генерирования, пространственного перераспределения и измерения характеристик оптического излучения, а также преобразование его энергии в другие виды энергии и использование в различных целях.
Светотехника включает в себя конструктивную, технологическую разработку источников излучения и систем управления ими, осветительных, облучательных и светосигнальных приборов, установок и устройств, нормирование и проектирование, монтаж и эксплуатацию светотехнических установок.
Современное общество немыслимо без повсеместного использования света.
Осветительные установки создают необходимые условия, которые обеспечивают зрительное восприятие, дающее около 90 % информации, получаемой человеком из окружающего мира.
Качественное освещение создает нормальные условия для производственной деятельности, учебы и отдыха, улучшает наш быт.
Оптическое излучение в большей степени используется в современных технологических процессах, в промышленности и аграрном секторе, становится неотъемлемой частью фотохимических производств, играет значительную роль в повышении продуктивности животноводства и птицеводства, растительных культур и др.
Эффективное использование осветительных установок является важнейшим резервом повышения производительности труда и качества продукции, снижения травматизма и сохранения здоровья людей.
|
|
|
На электрическое освещение расходуется, в среднем 12-13% вырабатываемой электроэнергии и переход на экономичные источники излучения может сэкономить до 20 % электроэнергии, что позволит уменьшить ввод дополнительных энергетических мощностей.
За последние несколько лет, объем таких источников излучения увеличился более чем в 25 раз, а выпуск светотехнического оборудования для них возрос более чем в 14 раз.
Благодаря этому, доля эффективных газоразрядных источников излучения, по сравнению с 70-ми годами, возросла более чем на 65 %.
Использование экономичных источников излучения важно на данном этапе, т.к. по прогнозу «Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), с учетом роста мирового населения и ВВП, ожидается увеличение энергетического спроса на 1,6 % ежегодно, в период до 2030 года, что на 60 % будет выше, чем в 2000 году.
При этом, на страны не входящие в ОЭСР придется приблизительно 80 % мирового роста.
Европейский союз так же ставит задачу экономии первичной энергии на 20 % до 2020 года, что должно составить уменьшение потребления энергии на 13 % по сравнению с 2007 годом.
Правильное применение осветительных и облучательных установок позволяет повысить производительность труда, в среднем на 10 %, а продуктивность животных на 8 ¸ 15 %.
Не правильное применение осветительных установок приводит к утомляемости работающих, травматизму и снижению продуктивности животных.
Целью дисциплины является формирование у обучающихся системы знаний и научно- технических основ применения электрической энергии в процессах электрического освещения и облучения.
В задачи курса входит: изучение физических основ преобразования электрической энергии в энергию оптического излучения; освоение современных методов расчета; изучение устройства и принципа действия источников излучения; изучение типовых схем включения источников оптического излучения и схем автоматизации осветительных и облучательных установок; изучение вопросов эксплуатации и обслуживания; приобретение навыков в постановке и решении инженерных задач в данной области.
|
|
|
Изучение данной дисциплины тесно связано с понятием оптики. Оптика, это учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом.
Одна из первых теорий света (теория зрительных лучей) была предложена греческим философом Платоном (около 400 лет до н.э.), которую поддерживали многие ученые древности, в том числе и Евклид (3 век до н.э.), он основал учение о прямолинейности распространения света и открыл закон отражения. Обобщая выше изложенное, можно сказать, что в результате стали известны следующие явления:
- прямолинейность распространения света;
- отражение света и закон отражения;
- преломление света;
- фокусирующее действие вогнутого зеркала.
Древние греки положили начало отрасли, которая позже получила название геометрической оптики.
Значительный интерес представляют работы арабского ученого средних веков Альгазена, который изучал явления отражения, преломления и прохождения света в линзах.
Он высказал мысль о том, что свет обладает конечной скоростью распространения.
Данная гипотеза явилась крупным шагом в понимании природы света.
На базе многих опытных данных, в середине ХVII века, выдвигаются две гипотезы о природе световых явлений: корпускулярная и волновая.
И. Ньютон (1643-1727) предложил научно обоснованную гипотезу объяснявшую природу световых явлений, корпускулярную теорию, которая просуществовала более 100 лет.
Однако явления интерференции и дифракции данная теория объяснить не могла. Практически одновременно с корпускулярной теорией появилась волновая теория Гюйгенса Х. (1629-1695). Световые явления объяснились упругой деформацией гипотической среды – эфира.
Однако, рассматривая распространение света как волновой процесс, он не представлял его периодическим, что его можно характеризовать длиной волны и частотой.
Данную теорию разделяли ученые Л. Эйлер и М.В. Ломоносов.
|
|
|
Французский ученый Френель (1788-1827) и английский физик Юнг (1773-1829) продолжили изучение и разработку волновой теории. Было дано объяснение прямолинейному распространению света с позиции волновой теории. Рассмотрев интерференцию поляризованного света, они доказали поперечность световых волн.
Английский физик М.Фарадей (1791-1867) установил связь между оптическими и магнитными явлениями.
Д. Максвелл (1831-1879), исходя из теоретических предпосылок, определил скорость распространения электромагнитных волн и связал её со скоростью света.
М.Планк (1858-1947) высказал гипотезу о возникновении изучения порциями энергии. Минимальная порция лучистой энергии – квант энергии (фотон):
где 
- квант энергии;
h – постоянная Планка (h = 6,626∙ 10-34 Дж∙с);
v – частота излучения, с-1.
Энергия однородного (монохроматического) излучения кратна величине кванта энергии излучения: W = n∙ ,
где n – целое число выделенных квантов.
В настоящее время, квантовый характер возникновения и поглощения излучения установлен для всего диапазона электромагнитного спектра.
А. Эйнштейн (1879-1955) разработал фотонную теорию, из которой следует, что излучение представляет собой поток частиц – фотонов с энергией – hv.
Из выше изложенного вытекает, что природа излучения является двойственной, т.к. явления дифракции и интерференции объясняет волновая теория, а явления выделения и поглощения излучения объясняет квантовая теория.
Ранее считалось, что излучение может находиться в движении всегда, но масса его отсутствует. Лебедев П.Н. доказал, что излучение материально и оказывает давление, а значит обладает массой.
Установлена связь между массой и энергией фотона:
mф = 
,
mф – масса фотона;
с - скорость света.
Фотон может иметь как поступательное, так и вращательное движение. При этом, ось вращения фотона занимает строго определенное положение относительно внешнего магнитного поля. Наиболее мощными фотонами обладает ультрафиолетовое излучение.
Как указывалось, излучение характеризуется длиной волны и частотой:
|
|
|
.
В становление светотехники, кроме ранее указанных, внесли значительный вклад ученые и инженеры И. Ламберт, В.В. Петров, В.Н. Чиколев, А.И. Шпаковский, В.С. Карелин, Г. Гельмгольц.
Важным этапом в развитии светотехники явилось создание электрических источников света, ламп накаливания – А.Н. Ладыгин, Т.А. Эдисон, П.Н. Яблочков.
Дальнейшее развитие светотехники связано с разработкой люминесцентных ламп, газоразрядных ламп высокого давления, галогенных ламп. Значительный вклад внесли М.А. Шателен, С.О. Майзель, А.А. Гершун, С.И.Вавилов, П.М. Тиходеев, В.В. Мешков, В.А. Фабрикант (принцип действия квантовых генераторов), Г.М. Кнорринг – принципы светотехнических расчетов и проектирование осветительных установок.
В связи с бурным развитием техники в раздел светотехники включены лазеры, световоды, экономичные источники света и другие новые источники оптического излучения.
|
|
|
