1) снижение вибрации посредством действия на источник возбуждения (уменьшение вынуждающей силы);

2) отстройка от режима резонанса путем рационального выбора массы или жесткости колеблющейся системы;

3) вибродемфирование - увеличение механического импеданса путем увеличения диссипативных сил;

4) динамическое гашение вибраций - присоединение к защищаемому объекту системы, реакция которой уменьшает размах вибрации объекта в точках присоединения системы.

Кроме того, используется такой метод, как виброизоляция, которая осуществляется введением в колебательную систему дополнительной упругой связи, препятствующей передаче колебаний от источника к защищаемому объекту. Эффективность виброизоляции определяют коэффициентом передачи, который имеет физический смысл отношения амплитуды вибросмещения (виброскорости, виброускорения) защищаемого объекта или действующей на него силы к амплитуде той же величины источника возбуждения:

. (6.8)

Обычно эффективность виброизоляции определяют в децибелах:

, дБ. (6.9)

6.4 Техника измерений вибрации

Измерение параметров вибрации включает измерение виброскоростей и виброускорений. К основным средствам относятся виброметры и акселерометры. Методы измерения вибрационных параметров делятся на две группы: измерение величин в системе отсчета, не связанной с колеблющимся телом; измерение упругой деформации с помощью инерционного элемента, связанного с колеблющимся телом.

В состав виброизмерительной аппаратуры входят датчики, преобразователи, анализаторы, КИП и сигнализирующие устройства, вибрационные стенды. Калибровка виброизмерительной аппаратуры включает в себя определение амплитудной, амплитудно-частотной, фазо-частотной и температурной характеристик аппаратуры, а также чувствительности вибродатчиков. Методика измерения вибрационных колебаний в жилых домах определяется рекомендациями Минздрава № 2957-84, а измерительная аппаратура должна отвечать требованиям ГОСТ 20844-87.

Для измерения вибраций в октавных полосах со среднегеометрическими частотами от 31,5 до 8000 Гц используют шумомеры с вибродатчиком. Виброизмерительный комплекс ВШВ-003 снабжен пьезоэлектрическими датчиками Д13, Д28. Для измерения вибраций в октавных полосах частот до 16 Гц и меньше используется виброизмерительная аппаратура ВМ-1 с соответствующими фильтрами.

Акселерометр - прибор для измерения ускорений или перегрузок. Применяется при испытании различных механизмов и двигателей, для измерения ускорения движущихся объектов. По принципу действия различают акселерометры механические, электромеханические и др. По назначению - линейные и максимальные.

Линейные измеряют ускорение как функцию времени, а максимальные измеряют момент достижения заданным объектом максимума или заданного значения ускорения в кратковременном процессе.

Большими возможностями при исследовании разнообразных видов вибрации обладают голографические методы. Особое место занимает голография в виброметрии для изучения вибраций акустических преобразователей, ультразвуковых излучателей, вибростендов.

7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ (ЭМП) И ИЗЛУЧЕНИЯ

7.1 Спектр электромагнитных излучений

Земля с момента начала своего существования подвергалась воздействию электромагнитного излучения Солнца и Космоса. В процессе этого воздействия происходят сложные, взаимосвязанные явления в магнитосфере и атмосфере Земли, влияющие самым непосредственным образом на живые организмы биосферы и среду обитания.

В процессе эволюции живые организмы адаптировались к естественному фону ЭМП. Однако вследствие научно-технического прогресса электромагнитный фон Земли в настоящее время не только увеличивается, но и претерпевает качественные изменения. Появились электромагнитные излучения таких длин волн, которые имеют искусственное происхождение в результате техногенной деятельности.

К основным источникам ЭМП антропогенного происхождения относятся телевизионные и радиолокационные станции, мощные радиотехнические объекты, промышленное технологическое оборудование, высоковольтные ЛЭП промышленной частоты, термические цеха, плазменные, лазерные и рентгеновские установки, атомные и ядерные реакторы.

Спектральная интенсивность некоторых техногенных источников ЭМП может существенным образом отличаться от эволюционно сложившегося естественного электромагнитного фона, к которому привык человек и другие живые организмы.

Электромагнитное поле представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей: электрического и магнитного.

Характерная особенность электрического поля состоит в том, что оно действует на электрический заряд (заряженную частицу) с силой, которая не зависит от скорости движения заряда.

Характерная особенность магнитного поля (МП) в том, что оно действует на движущиеся электрические заряды с силами, пропорциональными скоростям зарядов и направленными перпендикулярно этим скоростям.

Электромагнитными волнами называются возмущения электромагнитного поля (т. е. переменное электромагнитное поле), распространяющиеся в пространстве.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме совпадает со скоростью света в вакууме.

Спектр электромагнитных излучений, освоенный человечеством в настоящее время, представляется необычно широким: от нескольких тысяч метров до ^-12 см.

В настоящее время известно, что радиоволны, свет, инфракрасные и ультрафиолетовые излучения, рентгеновские лучи и - излучения - все это волны одной электромагнитной природы, отличающиеся длиной волны . Существуют определенные области электромагнитного спектра, в которых генерация и регистрация волн затруднена. Длинноволновый и коротковолновый концы спектра определены не очень строго. Шкала электромагнитных излучений представлена на рис. 7.1.

№ 1 - 11 - поддиапазоны, установленные международным консультативным комитетом радиосвязи (МККР). По решению этого комитета поддиапазоны 5 - 11 относятся к радиоволнам. По регламенту МККР к СВЧ-диапазону отнесены волны с частотами ГГц. Однако исторически сложилось под СВЧ-диапазоном понимать колебания с длиной волны от 1 м до 1 мм. Поддиапазоны № 1 - 4 характеризуют электромагнитные поля промышленных частот.

Под оптическим диапазоном в радиофизике, оптике, квантовой электронике понимается диапазон длин волн приблизительно от субмиллиметрового до дальнего ультрафиолетового. Видимый диапазон составляет небольшую часть оптического. Границы переходов ультрафиолетового излучения, рентгеновского, -излучений точно не фиксированы, но приблизительно соответствуют указанным на схеме значениям и ; -излучение переходит в излучение очень больших энергий, называемое космическими лучами.

Несмотря на единую электромагнитную природу любой из диапазонов электромагнитных колебаний отличается своей техникой генерации и измерений.

7.2 Электростатические поля

Электрическое поле неподвижных электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними, называется электростатическим полем.

Электростатика - область физики, изучающая неподвижные электрические заряды. Существует два вида электричества: положительное и отрицательное. При появлении одного рода электричества всегда возникает равное количество электричества другого рода. Наличие электрических зарядов двух видов является фундаментальным свойством материи. Исторически название положительного заряда было выбрано случайно. Главное в том, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Наша планета представляет собой уравновешенную систему положительных и отрицательных зарядов. Суммарный заряд в изолированной системе всегда остается неизменным.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 7.1. Шкала электромагнитных излучений

Электрические заряды в природе состоят из дискретных зарядов постоянной величины, являющихся зарядом электрона.

В 30-х годах XX в. была показана возможность аннигиляции заряда и массы в электромагнитное излучение и, наоборот, рождение пары «электрон - протон» при соударении - кванта с ядром атома. Замечательным фактом является то, что другие заряженные частицы имеют заряды, кратные по величине заряду электрона. На основании последних теоретических исследований высказывается возможность существования частиц с зарядами, равными 1/3 и 2/3 заряда электрона, но обнаружить их экспериментально не удается.

Два неподвижных электрических заряда взаимодействуют друг с другом с силой, пропорциональной произведению величин зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Это закон Кулона, который является основным законом в электростатике:

(7.1)

где q₁, q₂ - величины зарядов; - единичный вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2; F₁₂ - ила, действующая на заряд 2 (). Считаем, что |r₁₂|>>|r_e|, где r_e - радиус заряда. Умножение на вектор показывает, что сила параллельна линии, соединяющей эти заряды, и равна

k = 8,9875· 10⁹ (в СИ).

Электростатическое поле представляет собой стационарное, т. е. не изменяющееся во времени, электрическое поле, создаваемое неподвижными зарядами. Оно является частным случаем электромагнитного поля.

Силовой характеристикой электрического поля служит вектор его напряженности:

(7.2)

где F - сила, действующая со стороны поля на неподвижный «пробный» заряд q₀, помещенный в рассматриваемую точку поля.

Единицей измерения напряженности электрического поля является вольт, деленный на метр (В/м).

Напряженность электростатического поля не зависит от времени. Силовыми линиями называются линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности в этой точке поля. Силовые линии электростатического поля разомкнуты. Они начинаются на положительных и оканчиваются на отрицательных зарядах.

Напряженность электрического поля системы точечных зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из этих зарядов в отдельности (принцип суперпозиции):

(7.3)

Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал.

Потенциалом ц (В) в данной точке поля называется скалярная величина, численно равная потенциальной энергии W_n единичного положительного заряда, помещенного в эту точку:

(7.4)

Работа, которая совершается силами электростатического поля при перемещении точечного электрического заряда q, равна произведению этого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках пути:



Если точка 2 находится в бесконечности, то W_п2 = 0 и принимается, что ₂ = 0. Работа перемещения заряда q из точки 1 в бесконечность:

(7.5)

Часто за нуль потенциала принимается не значение его в бесконечности, а значение потенциала Земли. Это несущественно, ибо во всех практических работах важно знать разность потенциалов между двумя точками, а не абсолютные значения потенциалов в этих точках.

Эквипотенциальной поверхностью называется геометрическое место точек в электростатическом поле, имеющих одинаковый потенциал.

Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля:

(7.6)

7.3 Магнитное поле

Магнитное поле существует вокруг проводников с током и постоянных магнитов.

Магнитное поле создается только движущимися зарядами. Опыты показывают, что сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся в этом поле заряженную частицу, подчиняется следующим закономерностям:

Сила F_м всегда перпендикулярна вектору скорости частицы.

2. Отношение не зависит ни от заряда частицы, ни от модуля ее скорости по отдельности.

3. При изменении направления скорости частицы в точке А поля модуль силы F_м изменяется от 0 до максимума, который зависит не только от произведения, но также от значения в точке А силовой характеристики магнитного поля - магнитной индукции В, (Тл). Модуль магнитной индукции равен:

(7.7)

Магнитная индукция численно равна отношению силы, действующей на заряженную частицу со стороны магнитного поля, к произведению абсолютного значения заряда и скорости частицы, если направление скорости частицы таково, что эта сила максимальна.

Вектор направлен перпендикулярно вектору силы F_м(max), действующей на положительно заряженную частицу, и вектору скорости частицы так, что из конца вектора вращение по кратчайшему расстоянию от направления силы к направлению скорости видно происходящим против часовой стрелки. Иначе говоря, вектора F_м(max), и образуют правую тройку (рис. 7.2).



Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 7.2. Направление вектора магнитной индукции

Для графического изображения стационарного (не изменяющегося со временем) МП используют линии магнитной индукции.

Линиями магнитной индукции (силовыми линиями МП) называют линии, проведенные в МП так, что в каждой точке поля касательная к линии магнитной индукции совпадает с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.

Линии индукции МП не могут ни начинаться, ни кончаться: они либо замкнуты, либо бесконечно навиваются на некоторую поверхность.

Сила, действующая на заряд со стороны МП в общем случае:

. (7.8)

Модуль силы:

где - угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Если на движущуюся частицу действует одновременно электрическое и магнитное поле, то результирующая сила (сила Лоренца)

 (7.9)

Магнитным потоком (потоком вектора B магнитной индукции) сквозь малую поверхность площадью dS называется физическая величина

где - единичный вектор нормали к площадке dS; B_n - проекция вектора на направление нормали.

Малая площадка dS выбирается так, чтобы ее можно было считать плоской, а МП в ее пределах - однородным.

Магнитный поток сквозь произвольную поверхность S

(7.10)

Если МП однородное, а поверхность S плоская, то

Плотность магнитного потока - поток через единицу площади - есть магнитная индукция:

Единицей измерения плотности магнитного потока (магнитной индукции) является тесла:



7.4 Физические основы защиты от ЭМП

В зависимости от частоты источника ЭМП, его мощности и режима работы выбираются те или иные средства защиты от воздействий электромагнитных колебаний на человеческий организм. Пространство вокруг источника ЭМП условно делят на ближнюю и дальнюю зоны действия.

Ближняя зона - зона, в которой электромагнитное поле еще не сформировано на расстоянии от излучателя. Ближняя зона (зона индукции) ограничена сферой с радиусом , в которой излучатель находится в центре. В ближней зоне электромагнитное поле характеризуется электрической составляющей поля З (B/м). Такая оценка относится к диапазонам № 5 - 8. В случае одновременной работы нескольких источников в данной зоне принимается суммарное значение квадратов напряженности поля:

,

где E_i - напряженность поля i-ого источника в точке измерения.

Дальняя зона (зона излучения). В дальней зоне на расстояниях r>л/6 существует и распространяется ЭМП. Обе составляющие его сформированы в поддиапазонах № 9 - 11. ЭМП характеризуется интенсивностью излучения W_S (поверхностная плотность потока энергии, или вектор Умова-Пойнтинга), выражаемой в Вт/м². В случае работы нескольких источников берется суммарная интенсивность излучений N источников:

,

где - интенсивность излучения i-го источника в точке измерения дальней зоны.

При работе нескольких источников ЭМП различных диапазонов суммарное действие излучателя должно удовлетворять следующему требованию:

где E_0i - ПДУ напряженности электрического поля для i-го источника на границе санитарно-защитной зоны; - ПДУ интенсивности излучения для j-го источника на границе санитарно-защитной зоны; E_i, - фактическое значение параметров; i = 1, 2, 3, …, k; j = 1, 2, 3, …, m.

Наиболее распространенным способом защиты является экранирование, использующее процессы отражения и поглощения электромагнитных волн.

Для поглощения электромагнитных волн широко используются радиопоглощающие материалы (РПМ). При взаимодействии падающей электромагнитной волны с РПМ происходит ее поглощение, рассеяние, а в некоторых типах РПМ - интерференция. В результате этих процессов происходит диссипация энергии падающей волны в поглощающем покрытии, и отраженная волна становится незначительной.

По принципу действия РПМ делятся на две большие группы: объемные и резонансные.

В объемных поглотителях используется объемное поглощение электромагнитной энергии за счет внесения электрических или магнитных потерь. Объемные поглотители обеспечивают высокое поглощение ЭМП с малым коэффициентом отражения в широком диапазоне частот.

К числу недостатков можно отнести относительно большие массогабаритные параметры.

Резонансные (интерференционные) поглотители представляют собой композицию из чередующихся слоев диэлектрика и проводящих пленок метала. Толщина диэлектрика составляет четверть длины волны падающего излучения или кратна нечетному числу . Принцип действия таких систем основан на интерференции падающей волны и образовании в них стоячих волн. Такие поглотители обладают низким коэффициентом отражения, малой массой, компактностью, но недостаточной широкополосностью.

7.5 Приборы и методики измерений ЭМИ

Область электро- и радиоизмерений также обширна, как обширен спектр электромагнитных колебаний.

Особым классом в области радиоизмерений является импульсная техника измерений, имеющая дело с короткими по длительности импульсами. В СВЧ-технике используются волноводные и коаксиальные линии передачи, коаксиально-волноводные переходы, полые резонаторы и т.п.

В магнитостатике для измерения постоянных МП используются приборы с датчиками Холла, микровиброметры и т. п.

Для измерения электрической и магнитной составляющих ЭМП служат приборы типа ИЭМП. Измерение плотности потока энергии производят с помощью приборов ПЗ - 15, ПЗ - 25, ПЗ - 267, радар-тестеров ГК4 - 14 и т. п. Широкое распространение для измерения уровней ЭМП мониторов ПЭВМ получили ВЕ-МЕТРы. Для стационарных электрических полей используют измеритель напряженности электростатического поля СТ-01.

Методика измерения объемного поглощения в диэлектрической среде исследуемых образцов РПМ определенных размеров может производиться по схеме, представленной на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Схема измерения объемного поглощения в диэлектрической среде

От СВЧ источника 1 по волноводной линии передачи 2 распространяется падающая (прямая) волна.

Для индикации наличия колебаний в волноводе служит детекторная головка 3 с регистрирующим прибором. Измерение длины волны производится волнометром 4. Для измерения уровня мощности СВЧ предназначен регулируемый аттенюатор 5. Для определения уровней прямой и обратной волн служат направленные ответвители 6, снабженные детекторными головками, сигнал с которых поступает на измерительное устройство 7. Далее СВЧ сигнал, распространяясь по волноводу, поступает в секцию, заполненную исследуемым образцом 9. Обладая конечными потерями, исследуемое тело поглощает определенную долю мощности. Прошедшее через исследуемый образец излучение регистрируется измерителем мощности 8. Таким образом, по описанной схеме можно регистрировать падающую, отраженную, поглощенную и прошедшую мощности.

При проведении эксперимента необходимо обращать внимание на форму образцов, помещаемых в волновод. Она не должна вызывать значительных отражений волны, возникающих из-за различия диэлектрических постоянных исследуемого полимера и среды в волноводе. При исследовании жидких материалов можно использовать специальные ампулы из кварца или керамики.

8. ПОКАЗАТЕЛИ СВЕТОВОЙ СРЕДЫ

8.1 Спектральная чувствительность глаз

Свет - электромагнитное излучение с длиной волны от 380 до 760 нм, воспринимаемое глазом.

Чувствительность глаза к свету различных длин волн характеризуется функцией видности V(л) - относительной спектральной световой эффективностью излучения. Эта величина нормирована: за единицу принята чувствительность V(л) при длине волны л, соответствующей максимальной чувствительности глаза. Значения относительной спектральной световой эффективности излучения стандартизованы Международной комиссией по освещению (МКО) как для фотопического (дневного) зрения, так и для скотопического (ночного) (рис. 8.1).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 8.1. Кривые спектральной чувствительности глаза: 1 - V(л) при яркости 100 кд/м²; 2 - V(л) при яркости 10^-5 кд/м²

Максимум световой чувствительности глаза смещается по спектру в зависимости от уровня освещения, что объясняется наличием колбочкового и палочкового аппаратов глаза.

8.2 Точечные источники света

Все вопросы, связанные с определением световых величин, особенно просто разрешаются в том случае, когда источник излучает свет равномерно во всех направлениях. Таким источником является, например, раскаленный металлический шарик. Подобный шарик посылает свет равномерно во все стороны. Это означает, что действие источника на какой-либо приемник света будет зависеть только от расстояния между приемником и центром светящегося шарика и не будет зависеть от направления радиуса, проведенного к приемнику из центра шарика.

Во многих случаях действие света изучается на расстоянии R, настолько превосходящем радиус r светящегося шарика, что размеры последнего можно не учитывать. Тогда можно считать, что излучение света происходит как бы из одной точки - центра светящегося шара. В подобных случаях источник света называется точечным источником.

Точечный источник не является точкой в геометрическом смысле, а имеет, как и всякое физическое тело, конечные размеры. Источник излучения исчезающе малых размеров не имеет физического смысла, т. к. такой источник должен был бы с единицы своей поверхности излучать бесконечно большую мощность, что является невозможным.

Более того, источник, который мы можем считать точечным, не всегда должен быть малым. Дело не в абсолютных размерах источника, а в соотношении между его размерами и теми расстояниями от источника, на которых исследуется его действие. Так, для всех практических задач наилучшим образцом точечных источников являются звезды; хотя они имеют огромные размеры, расстояния от них до Земли во много раз превосходят эти размеры.

Необходимо также помнить, что прообразом точечного источника является равномерно светящийся шарик. Поэтому источник света, посылающий свет неравномерно, не является точечным, хотя бы он был и очень маленьким по сравнению с расстоянием до точки наблюдения.

Полное излучение какого-либо источника распределяется в телесном угле 4р ср. Излучение называется равномерным, или изотропным, если в одинаковые телесные углы, выделенные по каждому направлению, излучается одинаковая мощность. Чем меньше телесные углы, в которых производят сравнение мощности, тем с большей точностью проверяется равномерность излучения.

Итак, точечным источником является источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до места наблюдения и который посылает свет равномерно во все стороны.

8.3 Энергия излучения. Световой поток

Отдел оптики, изучающий методы и приемы измерения световой энергии, называется фотометрией.

Выделим мысленно на пути света, распространяющегося от какого-либо источника S небольшую площадку у (рис. 8.2).

Через эту площадку за время t пройдет некоторая энергия излучения W. Для того чтобы измерить эту энергию, надо представить себе эту площадку в виде пленки, покрытой веществом, полностью поглощающим всю падающую на него энергию излучения (например, сажа), и измерить поглощенную энергию по нагреванию этой пленки. Отношение

показывает, какая энергия протекает через площадку за единицу времени, и называется потоком излучения через площадку у. Поток излучения оценивается в единицах мощности - Вт, а интенсивность излучения - Вт/м².

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 8.2. Распространение света от источника S

Однако для восприятия и использования световой энергии исключительно важную роль играет глаз. Поэтому наряду с энергетической оценкой света пользуются оценкой, основанной на непосредственном световом восприятии глаза. Поток излучения, оцениваемый по зрительному ощущению, называется световым потоком Ф. Таким образом, в световых измерениях используются две системы обозначения и две системы единиц, одна из них основана на энергетической оценке света, другая - на оценке света по зрительному ощущению. Связь между световым потоком и потоком излучения (мощностью) выражается формулой

(8.1)

где P_л = dP/dл; V(л) - относительная спектральная световая чувствительность излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО; K_m - максимальная спектральная световая эффективность, K_m = 683 лм/Вт. При вычислении Ф по формуле (8.1) интеграл берут в пределах не от 0 до ?, а от 380 до 760 нм. Казалось бы естественным положить K_m = 1 лм/Вт, но так как световые величины и единицы появились еще в ХVIII веке, а современные единицы для мощности только в XIX в., то последние пришлось согласовывать с уже установившимися световыми величинами.

8.4 Сила света, освещенность и яркость

Полный световой поток характеризует излучение, которое распространяется от источника по всем направлениям. Для практических же целей часто важнее знать не полный, а тот поток, который идет по определенному направлению или падает на определенную площадку. В соответствии с этим установлены два вспомогательных понятия - сила света J и освещенность Е.

Силой света называется световой поток, рассчитанный на телесный угол, равный стерадиану, т. е. отношение светового потока Ф, заключенного внутри телесного угла Щ, к этому углу:

. (8.2)

Освещенность - отношение светового потока Ф, падающего на поверхность, к площади у этой поверхности:

. (8.3)

Формулы (8.2) и (8.3) определяют среднюю силу света и среднюю освещенность. Они будут тем ближе к истинным, чем равномернее поток или чем меньше телесный угол Щ и площадка у.

Согласно формуле (8.2) Ф = IЩ. Если телесный угол Щ = 0, т. е. лучи строго параллельны, то световой поток также равен нулю. Это означает, что строго параллельный пучок световых лучей не несет никакой энергии, т. е. не имеет физического смысла, - ни в одном реальном опыте не может быть осуществлен строго параллельный пучок. Это чисто геометрическое понятие. Тем не менее, параллельными пучками лучей очень широко пользуются в оптике. Дело в том, что небольшие отступления от параллельных световых лучей, имеющие с энергетической точки зрения принципиальное значение, в вопросах, связанных с прохождением световых лучей через оптические системы, практически не играют никакой роли.

Действительные источники обычно являются не точечными, а протяженными. Когда мы рассматриваем какой-либо источник света, для нас имеет значение не площадь самой излучающей поверхности, а размеры видимой поверхности, т. е. проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярной к направлению наблюдения.

Для характеристики свойств протяженного источника света нужно знать силу света, рассчитанную на единицу площади видимой поверхности источника. Эта световая величина называется яркостью:

. (8.4)

С учетом (8.2) можно записать

. (8.5)

8.5 Законы освещенности

Как показывают формулы (8.2) и (8.3), освещенность и сила света связаны между собой. Пусть точечный источник S освещает небольшую площадку у, расположенную на расстоянии R от источника (рис.8.3).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 8.3. Освещенность, создаваемая точечным источником

Построим телесный угол Щ, вершина которого лежит в точке S и который опирается на края площадки у. Он равен . Поток, посылаемый источником в этот телесный угол, обозначим через Ф. Тогда

,

,

отсюда

(8.6)

т. е. освещенность площадки равна силе света, деленной на квадрат расстояния до точечного источника. Сравнивая освещенности площадок, расположенных на разных расстояниях R₁, R₂ от точечного источника, найдем ; и т. д., или

, (8.7)

т. е. освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от площадки до точечного источника. Это так называемый закон обратных квадратов.

Если бы площадка у была расположена не перпендикулярно к оси потока, а повернута на угол б, то она имела бы размеры

,

где у₀ - площадка, пересекающая тот же телесный угол перпендикулярно к оси пучка, так что

.

В таком случае освещенность площадки у

(8.8)

Освещенность, создаваемая точечным источником на некоторой площадке, равна силе света, умноженной на косинус угла падения света на площадку и деленной на квадрат расстояния до источника.

Закон обратных квадратов соблюдается вполне строго для точечных источников. Если же размеры источника не очень малы по сравнению с расстоянием до освещаемой поверхности, то формула (8.6) не верна и освещенность убывает медленнее, чем по закону . Формула (8.6) дает вполне хорошее согласие с наблюдением при соотношении (d - размер источника).

8.6 Единицы измерения количественных светотехнических величин

Рассмотренные в пунктах 8.3 и 8.4 светотехнические величины носят название количественных светотехнических величин.

В системе световых величин за исходную величину принята единица силы света - кандела (кд). Эта единица носит условный характер: в качестве единицы силы света принята сила света некоторого эталонного источника (п. 1.2).

За единицу измерения светового потока принят люмен (лм) - световой поток, испускаемый точечным источником, сила света которого равна 1 кд, внутри единичного телесного угла:

1 лм = 1 кд?1 ср.

Для излучения, соответствующего максимальной спектральной чувствительности глаза (л = 555 нм), Ф = 683 лм, если энергетическая сила света равна 1 Вт/ср.

За единицу освещенности принимается освещенность такой поверхности, на один квадратный метр которой падает световой поток в 1 лм, равномерно распределенный по площадке. Единица измерения носит специальное название - люкс (лк):

1 лк = 1 лм?1 м^-2.

Единицей измерения яркости является кд/м².

8.7 Отражение и рассеивание света

Нередко возникает потребность распределения светового потока на большую площадь с целью создания равномерной и умеренной освещенности. Для этой цели обычно заставляют световой поток отражаться от соответствующих поверхностей. Однако надо считаться с тем, что при этом лишь часть светового потока отражается или пропускается телом, часть же неминуемо поглощается.

Если некоторое тело отражает свет сильнее, чем окружающие его тела, то оно представляется нам светлым на темном фоне. Если же тело отражает меньше света, чем окружающие тела, то оно будет казаться темным.

Прозрачные тела мы видим частично в отраженном, частично в прошедшем через них свете.

Поглощение света ведет к потерям в световом потоке, энергия которого расходуется при этом главным образом на нагревание поглощающего тела. Поглощение характеризуется коэффициентом поглощения б, равным отношению поглощенного светового потока Ф_б к падающему Ф_i:

. (8.9)

Отражение светового потока оценивается коэффициентом отражения с:

, (8.10)

где Ф_с - отраженный поток.

Наконец, для характеристики пропускания света служит коэффициент пропускания ф:

, (8.11)

где Ф_ф - поток, прошедший сквозь тело.

По закону сохранения энергии

,

откуда

.

Коэффициенты б, с, ф зависят от длины волны света.

Как при отражении, так и при пропускании светового потока следует различать направленное и диффузное (рассеянное) отражение и пропускание.

При зеркальном отражении от плоской поверхности телесный угол светового потока не изменится. При рассеянном отражении происходит увеличение телесного угла, в котором распространяется световой поток.

Аналогично, направленное пропускание характеризуется сохранением телесного угла при прохождении потока сквозь тело. Диффузное пропускание сопровождается более или менее значительным увеличением телесного угла. Примером диффузно отражающей поверхности может служить матовая бумага; пример диффузно пропускающего материала - молочные стекла.

Диффузно отражающие поверхности могут различаться по коэффициенту отражения, который для таких поверхностей называется альбедо.

8.8 Яркость освещенных поверхностей

Экраны кинотеатров и аудиторий, окрашенные потолки, стены, декорации и т. п. представляют собой диффузно отражающие поверхности.

Такого рода поверхности при освещении играют роль протяженных источников с большими поверхностями и обычно с умеренной яркостью.

Яркость такой освещенной поверхности пропорциональна ее освещенности. Действительно, чем больше освещенность, т. е. чем больший световой поток падает на единицу поверхности, тем больше и поток, отраженный этой поверхностью, а, следовательно, и яркость освещенной поверхности.

Яркость освещенной поверхности будет, кроме того, тем больше, чем больше ее альбедо, т. е. чем большая часть падающего на поверхность потока рассеивается ею. Таким образом, яркость освещенной поверхности должна быть пропорциональна произведению освещенности Е на альбедо с, т. е. L~сE. Яркость по разным направлениям может быть различна, и вычисление ее представляет сложную задачу. Задача эта упрощается, если поверхность рассеивает свет равномерно по всем направлениям. В таком случае и яркость по всем направлениям будет одинаковой и равной

. (8.12)

8.9 Качественные светотехнические величины

При нормировании производственного освещения рассматриваются не только количественные, но и качественные светотехнические величины. К последним относятся следующие.

Фон - поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается.

Фон считается:

светлым - при коэффициенте отражения поверхности более 0,4;

средним - при коэффициенте отражения поверхности от 0,2 до 0,4;

темным - при коэффициенте отражения менее 0,2.

Контраст объекта различения с фоном К определяется отношением абсолютной величины разности между яркостью объекта и фона к яркости фона:

(8.13)

Контраст объекта различения с фоном считается:

большим - при К>0,5;

средним - при 0,2?К?0,5;

малым - при К<0,2.

Коэффициент пульсации освещенности К_П, % - критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока газоразрядных ламп при питании их переменным током, выражающийся формулой

, (8.14)

где Е_макс, Е_мин и Е_ср - соответственно максимальное, минимальное и среднее значание освещенности за период ее колебания, лк.

Показатель ослепленности Р -критерий оценки слепящего действия осветительной установки, определяемый выражением

Р = (S - 1)•1000, (8.15)

где S- коэффициент ослепленности, равный отношению пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения.

8.10 Световые измерения и измерительные приборы

Измерение световых величин может производиться непосредственно с помощью глаза (визуальные методы) или с помощью фотоэлемента или термостолбика (объективные методы). Приборы, служащие для измерения световых волн, называются фотометрами.

Визуальные методы основаны на свойстве глаза очень хорошо устанавливать равенство яркостей двух смежных поверхностей. В то же время с помощью глаза очень трудно оценить, во сколько раз яркость одной поверхности больше яркости второй. Поэтому во всех визуальных фотометрах роль глаза сводится к установлению равенства яркостей двух смежных площадок, освещаемых сравниваемыми источниками.

Так как сравниваемые поверхности делаются диффузно отражающими, то равенство их яркостей соответствует равенству освещенностей. Освещенность площадки, на которую падает свет от более сильного источника, ослабляется тем или иным способом в известное число раз. Установив равенство освещенности двух площадок и зная, во сколько раз ослаблен свет одного из источников, мы можем количественно сравнить силу света обоих источников. Таким образом, во всяком фотометре должны быть два смежных световых поля, одно из которых освещено только одним источником, второе - только другим. Вид сравниваемых полей может быть различен. В большинстве случаев они имеют форму двух смежных полукругов или двух концентрических кругов. Оба сравниваемых поля должны освещаться каждый своим источником под одним и тем же углом; глаз наблюдателя также должен рассматривать оба поля под одинаковыми углами зрения.

Для того чтобы получить одинаковую освещенность обеих площадок фотометра, наиболее простым средством является изменение расстояний сравниваемых источников от фотометра при условии применения закона обратных квадратов. Если освещенности площадок одинаковы, то

,

где I - сила света, R - расстояние. Способ имеет тот недостаток, что варьировать расстояния R₁ и R₂ практически можно лишь в не очень широких пределах.

Другой способ ослабления светового потока от одного из источников состоит в том, что на пути его вводится поглощающее тело, представляющее собой два скользящих друг относительно друга клина, сделанных из материала, поглощающего свет (рис. 8.4).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 8.4. Способ ослабления светового потока

Передвигая их, мы изменяем толщину поглощающего слоя и тем самым изменяем степень поглощения светового потока. Предварительно производится градуирование ослабителя: устанавливается, насколько меняется поглощение при смещении клина на определенное расстояние.

Фотометры, приспособленные для непосредственного измерения освещенности, называются люксметрами. Воспринимающим устройством в них является фотоэлемент. Под действием света фотоэлемент дает электрический ток тем больший, чем больше освещенность элемента. Люксметры «ТКА -Люкс» предназначены для измерения освещенности, создаваемой различными источниками, произвольно пространственно расположенными. Диапазон измерения освещенности - от 1,00 до 200 000 лк. Люксметры/яркомеры ТКА-04/3 позволяют измерить не только освещенность, но и яркость светящихся поверхностей. Для измерения коэффициента пульсации используют пульсметр-люксметр «Аргус-07».

9. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

9.1 Строение и важнейшие свойства ядер

Ядром называется центральная часть атома, в которой содержится практически вся масса атома и его положительный заряд.

Все атомные ядра состоят из элементарных частиц - протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы - нуклона. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.

Заряд ядра - равен величине z·e, где z - порядковый номер химического элемента в периодической системе, равный числу протонов в ядре, e - заряд протона.

Число нуклонов в ядре А = N + Z называется массовым числом. Здесь N - число нейтронов, Z - число протонов. Нуклонам приписывается массовое число, равное единице, электрону - массовое число, равное нулю.

Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами. Любой химический элемент обозначается символом .

Известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственных радиоактивных изотопов.

Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра, не сообщая ему кинетической энергии.

Энергия связи ядра определяется той работой, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны, не сообщая им кинетической энергии.

Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов, что объясняется выделением энергии связи. Если W_св - энергия, выделяющаяся при образовании ядра, то соответствующая ей масса m = W_св/с² называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов.

Если ядро с массой М_я образовано из z протонов массой m_p и из (А - Z) нейтронов массой m_n, то

Вместо М_я величину Дm можно выразить через атомную массу М_а:

(9.1)

где m_H - масса водородного атома.

Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов. Условие минимума энергии ядра приводит к соотношению между Z_УСТ и А:

(9.2)

Берется целое число, ближайшее к тому, которое получается по этой формуле. При малых и средних значениях А число протонов и нейтронов в устойчивых ядрах примерно одинаковы. С ростом порядкового номера силы кулоновского отталкивания растут пропорционально Z², и для компенсации этого отталкивания ядерным притяжением число нейтронов должно расти быстрее числа протонов.

9.2 Радиоактивность

Под радиоактивностью понимается превращение неустойчивых изотопов одного элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц.

Различают искусственную и естественную радиоактивность. Естественная наблюдается у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственная радиоактивность - радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается излучением г-фотона.

Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется закону радиоактивного распада:

(9.3)

где N₀ -число ядер в данном объеме вещества в начальный момент времени t =0; N - число ядер в том же объеме к моменту времени t; л - постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада ядра за одну секунду и равная доле ядер, распадающихся в единицу времени.

Величина 1/л является средней продолжительностью жизни радиоактивного изотопа.

Характеристикой устойчивости ядер относительно распада является период полураспадаТ_1/2 - время, в течение которого первоначальное количество ядер данного радиоактивного изотопа уменьшается наполовину.

Связь между л и Т_1/2:

Т_1/2 = ln2/л. (9.4)

Закон сохранения электрических зарядов при радиоактивном распаде ядер:

(9.5)

где z_я?е - заряд материнского ядра; z_i?e - заряды ядер и частиц, возникших в результате распада.

Правило сохранения массовых чисел в явлениях естественной радиоактивности:

А_я = УА_i, (9.6)

где Ая - массовое число материнского ядра; Аi - массовые числа ядер и частиц, получившихся в результате распада.

9.3 б- и в-распад

К основным типам радиоактивности относятся б-распад, в-распад и спонтанное деление.

б-частица представляет собой ядро гелия б-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами более 200 и зарядами более 82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных б-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся б-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно б-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам в ядре, чем отдельные нуклоны.

Правило смещения при б-распаде:

(9.7)

Здесь X и Y - соответственно символы материнского и дочернего ядер.

Термином «в-распад» обозначают три типа ядерных превращений: электронный распад (в_-), позитронный распад (в₊) и электронный захват. Первые два типа состоят в том, что ядро испускает электрон (позитрон) и электронное антинейтрино (нейтрино). Эти процессы происходят при превращении одного вида нуклона в ядре в другой по схеме:

В случае электронного захвата (К-захвата) превращение протона в нейтрон идет по схеме

и заключается в том, что исчезает один из электронов на ближайшем к ядру К-слое атома. Особенностью этого типа в-распада является вылет из ядра только одной частицы - электронного нейтрино.

в_--распад происходит у естественно радиоактивных и искусственно радиоактивных ядер; в₊-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности - возникновения собственных радиоактивных излучений под действием б-частиц,, нейтронов и других частиц.

Правило смещения при в_--распаде:

(9.8)

Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием жесткого коротковолнового электромагнитного г-излучения. г-излучение не является самостоятельным типом радиоактивности, оно не вызывает изменения заряда и массового числа ядра. Установлено, что г-излучение испускается дочерним ядром, которое в момент своего образования оказывается возбужденным.

9.4 Активность радионуклида

Активность - мера радиоактивности, представляет собой число dN спонтанных ядерных превращений, происходящих в источнике ионизирующего излучения за интервал времени dt:

А = dN/dt. (9.9)

Единица измерения активности - беккерель (Бк) - активность радионуклида в источнике, в котором за время 1 с происходит одно спонтанное ядерное превращение. Внесистемная единица - кюри (Кu). 1 Кu = 3,7?10¹⁰ Бк.

Активность А связана с числом N радиоактивных атомов в источнике в данный момент времени соотношением

A = л?N, (9.10)

где л - постоянная распада.

Так как по закону радиоактивного распада

то и активность также уменьшается во времени по экспоненциальному закону:

A(t) = A₀ exp (-лt), (9.11)

где А₀ - активность радионуклида в момент времени t=0.

С учетом зависимости (9.4) получим

N(t) = N₀ exp (- 0,693t/T_1/2);

A(t) = A₀ exp (- 0,693t/T_1/2).

Свяжем массу радионуклида m с его активностью.

Масса одного атома в граммах

где М_а - атомная масса, N_a = 6,02?10²³ моль^-1 - постоянная Авогадро.

M = N?m_a = (9.12)

Значит, активность в Бк m граммов радионуклида

A = (9.13)

Отношение активности радионуклида в источнике к его массе или объему называется удельной или объемной активностью соответственно:

A_m = A/M,

A_v = A/V,

где M и V -масса и объем вещества-носителя радионуклида.

Если отношение активности берется к площади поверхности или к длине источника, то эти отношения называются соответственно поверхностной или линейной активностью.

Выбор единиц активности определяется конкретной задачей: в воздухе - Бк/м, в воде - Бк/л, в мясе, хлебе - Бк/кг.

9.5 Радиационные дозы и единицы их измерения

Экспозиционная доза - отношение суммарного электрического заряда dQ ионов одного знака, созданных электронами, освободившимися в облученном воздухе при полном использовании ионизирующей способности электронов, к массе dm этого воздуха:

D = dQ/dm. (9.14)

Единица измерения экспозиционной дозы в системе СИ - Кл/кг. Внесистмная единица измерения - рентген (Р). 1 Р = 2,58?10^-4 Кл/кг.

Доза поглощенная - величина энергии, переданная ионизирующим излучением веществу:

П = dE/dm, (9.15)

где dE - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; dm - масса вещества в этом объеме.

Энергия может быть усреднена по любому определенному объему, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объему, деленной на массу этого объема.

В системе СИ поглощенная доза измеряется в Дж/кг и имеет специальное название - грей (Гр). Внесистемная единица - рад. 1 рад = 0,01 Гр.

Доза эквивалентная - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения:

H_T,R = W_R?П_T,R, (9.16)

где П_T,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т; W_R - взвешивающий коэффициент для излучения вида R. Установлены следующие значения для взвешивающих коэффициентов:

...