От каких свойств материала зависит количество поглощаемой энергии
Поглощением(абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество.
Свет поглощается в тех случаях, когда проходящая волна затрачивает энергию на различные процессы. Среди них: преобразование энергии волны во внутреннюю энергию – при нагревании вещества; затраты энергии на вторичное излучение в другом диапазоне частот (фотолюминесценция); затраты энергии на ионизацию – при фотохимических реакциях и т.п. При поглощении света колебания затухают и амплитуда электрической составляющей уменьшается по мере распространения волны. Для плоской волны, распространяющейся вдоль оси x, имеем
.
Здесь E(x) – амплитудное значение напряженности электрического поля волны в точках с координатой x; 
– амплитуда в точке с координатой x = 0; t – время, за которое волна распространилась на расстояние, равное x; β – коэффициент затухания колебаний; 
коэффициент поглощения, зависящий от химической природы среды и от длины волны проходящего света.
Интенсивность волны будет изменяться по закону Бугера (П. Бугер (1698 – 1758) – французский ученый):
,
где 
– интенсивность волны на входе в среду.
При 
, 
. Следовательно, коэффициент поглощения – физическая величина, численно равная обратному значению толщины слоя вещества, в котором интенсивность волны убывает в е = 2,72 раз.
Зависимость коэффициента поглощения от длины волны определяет спектр поглощения материала. В веществе (например в газе) может присутствовать несколько сортов частиц, участвующих в колебаниях под действием распространяющейся электромагнитной волны. Если эти частицы слабо взаимодействуют, то коэффициент поглощения мал для широкого спектра частот, и лишь в узких областях он резко возрастает (рис. 10.7, а).
 | |
| а | б |
Рис. 10.7
Эти области соответствуют частотам собственных колебаний оптических электронов в атомах разных видов. Спектр поглощения таких веществ линейчатый и представляет собою темные полосы на радужной окраске спектра, если это видимая область. При увеличении давления газа полосы поглощения уширяются. В жидком состоянии они сливаются, и спектр поглощения принимает вид, показанный на рис. 10.7, б. Причиной уширения является усиление связи атомов (молекул) в среде.
Коэффициент поглощения, зависящий от длины волны λ (или частоты ω), для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов (т.е. вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения, и лишь для очень узких спектральных областей (примерно 
м) наблюдаются резкие максимумы (так называемый линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуется полосами поглощения (примерно 
м).
Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно 
), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда α резко возрастает и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения (примерно 
м), т.е. диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.
Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно 
), и поэтому металлы практически непрозрачны для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощение света.
На рис. 10.8 представлена типичная зависимость коэффициента поглощения α от частоты света ν и зависимость показателя преломления n от ν в области полосы поглощения. Из рисунка следует, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с увеличением ν). Однако поглощение вещества должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.
Рис. 10.8
Зависимостью коэффициента поглощения от частоты (длины волны) объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей; пленки из пластмасс, содержащие красители; растворы красителей и т. д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные. Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.
Спектральный анализ позволяет получить информацию о составе Солнца, поскольку определенный набор спектральных линий исключительно точно характеризует химический элемент. Так, с помощью наблюдений спектра Солнца был открыт гелий.
Видимая часть солнечного излучения при изучении с помощью спектроанализирующих приборов оказывается неоднородной – в спектре наблюдаются линии поглощения, впервые описанные в 1814 году И. Фраунгофером.
Рис. 10.9
С помощью спектрального анализа узнали, что звезды состоят из тех же самых элементов, которые имеются и на Земле.
Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.
Источник
Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2016-06-20
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
(технический университет)
Кафедра безопасности производства и разрушения горных пород
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
И ЕГО ПАРАМЕТРЫ
Санкт-Петербург
2009 год
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ
Цель работы: знакомство с принципом установления норм безопасной работы человека с источниками электромагнитных полей и исследование эффективности экранов из различных материалов.
Требования безопасности.
1. Включать установку только с разрешения преподавателя.
2. Приборы лабораторной установки держать под напряжением только при проведении эксперимента.
3. При проведении работы пользоваться только оборудованием, относящимся к данной лабораторной установке.
Источники излучения.
Человек в условиях современной техногенной цивилизации постоянно испытывает на себе воздействие электромагнитных полей (ЭМП). ЭМП возникают при работе всех электрических машин, установок, приборов, устройств, везде, где протекает переменный ток.
Особенно интенсивное поле может возникнуть при работе специально сконструированных источников ЭМП двух классов.
Первый для передачи информации: радиолокационные системы, передающие антенны телевидения и радиовещания, дефектоскопы, сотовые системы телефонии, бытовые радиотелефоны.
Второй класс источников ЭМП это технологические установки: электромагнитная сепарация материалов, печи индукционного нагрева металлов, сушки древесины, термической обработки полимеров, строительных материалов, бытовые микроволновые печи и т.п.
В окружающей среде и помещениях при работе этих источников могут создаваться опасные зоны со значениями энергии, превышающими установленные для человека санитарные нормы.
Характеристики поля.
ЭМП это совокупность двух неразрывно связанных между собой переменных полей, характеризующихся напряженностью электрической (Е, В/м) и магнитной (Н, А/м) составляющих. Изменение этого поля в пространстве происходит с той же частотой (f, гц), с которой пульсирует ток в проводнике.
Расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за один период, называется длиной волны =с/f , где с скорость света, м/с.
Пространство вокруг источника ЭМП можно разделить на три зоны:
- зону индукции формирования волны, которая находится на расстоянии R</2;
- зону интерференции, которая характеризуется наличием максимумов и минимумов потока энергии и находится на расстоянии R от источника:
/2 < R < 2;
- зону излучения на расстоянии R> 2.
При распространении ЭМП происходит перенос энергии, величина которой определяется вектором Умова-Пойтинга I=EН. Скалярная величина этого вектора измеряется Вт/м2 и называется интенсивностью I или плотностью потока энергии (ППЭ).
В первой зоне характеристическими критериями ЭМП являются отдельно напряженности электрической и магнитной составляющих, в зонах интерференции и излучения комплексная величина ППЭ I.
Процессы происходящие в живых организмах под воздействием ЭМП, зависят от времени t , что учитывается энергетической нагрузкой ЭН, которая в зависимости от характеристических параметров определяется как:
ЭНЕ= Е2t, (В/м)2час; ЭНН= Н2t, (А/м)2час; ЭНППЭ= It, (Вт/м2)час.
В таблице 1 приведена классификация ЭМП в зависимости от диапазона радиочастот (РЧ).
Таблица 1.
Диапазон радиочастот | f, Гц | , м | Нормируемые величины |
Высокие ВЧ | 30 кГц-3МГц | 10000 100 | Е, Н |
Ультравысокие УВЧ | 3 МГц 300 МГц | 100 1 | ЭНЕ, ЭНН |
Сверхвысокие _ СВЧ | 300 МГц 300 ГГц | 1 0,001 | I, ЭНППЭ |
Воздействие на человека.
В ВЧ диапазоне электромагнитного поля длина волны намного больше размеров тела человека. Диэлектрические процессы, происходящие под воздействием ЭМП этого диапазона, выражены слабо. Тело человека можно считать однородным проводящим эллипсоидом. Максимальные токи возникают в теле, когда его большая ось расположена параллельно силовым линиям ЭМП. В результате может происходить сокращение мышц, разогрев организма. Под воздействием ВЧ-диапазона ЭМП страдает, прежде всего, нервная и сердечно-сосудистая системы, повышается утомляемость.
На более высоких частотах УВЧ и СВЧ диапазонов длина волны становится соизмерима с размерами тела человека и его отдельными органами, в тканях начинают преобладать диэлектрические потери, в электролитах (крове и лимфе) наводятся ионные вихревые токи. Энергия ЭМП поглощается организмом, превращаясь в тепловую энергию, нарушаются обменные процессы в клетках. До значения плотности потока поля I 10 Вт/м2, называемого тепловым порогом, механизмы терморегуляции справляются с подводимым теплом. При большей интенсивности может повысится температура. Особенно сильно страдают органы со слабо выраженным механизмом терморегуляции: мозг, глаза, желчный и мочевой пузырь, нервная система. Облучение глаз может привести к помутнению хрусталика (катаракте), возможны ожоги роговицы. Наблюдаются трофические явления в организме, старение и шелушение кожи, выпадение волос, ломкость ногтей.
В зависимости от интенсивности и времени воздействия изменения в организме могут быть обратимыми (функциональными) или необратимыми (морфологическими). Доказана наибольшая биологическая активность микроволнового СВЧ-поля в сравнении с ВЧ и УВЧ.
Таким образом, если не принять мер защиты, то излучаемая электромагнитная энергия может оказать вредное влияние на организм человека.
Нормирование ЭМП.
Нормирование ведется в соответствии с Санитарными правилами и нормами (СанПиН) и документами системы безопасности труда (ССБТ).
Нормирование полей промышленной частоты 50 Гц в условиях производства осуществляется по напряженности электрической составляющей ЕД 5 кВ/м при нахождении работника в контролируемой зоне в течение всего рабочего дня, при напряженности 5-20 кВ/м допустимое время рассчитывается по формуле
ТД=(50/Еизм)-2
Где Еизм измеренная величина напряженности.
Предельно допустимый уровень напряженности для производства 25 кВ/м. Для жилого сектора напряженность от линии электропередаче не должна превышать:
- на территории жилой застройки 1 кВ/м;
- внутри жилых зданий 0,5 кВ/м.
Нормирование полей радиочастотного (РЧ) диапазона. Для лиц, профессионально связанных с источниками ЭМП, радиочастотная оценка безопасности ведется по энергетической нагрузке (ЭНЕ; ЭНН; ЭНППЭ). Для лиц, находящихся на территории жилой застройки, в местах отдыха, оценка ведется по напряженности и интенсивности поля (Е, Н,I ). В табл.2 указаны максимальные значения нормируемых параметров для различных диапазонов ЭМП.
Таблица 2.
Нормируемый параметр | Диапазон радиочастот | |||
ВЧ | УВЧ | СВЧ | ||
3 30 МГц | 30 300 МГц | |||
Е, В/м | 500 | 300 | 80 | – |
Н, А/м | 50 | – | – | – |
I, Вт/м2 | – | – | – | 10 |
ЭНЕ, (В/м)2ч | 20000 | 7000 | 800 | – |
ЭНН (А/м)2ч | 200 | – | – | – |
ЭНППЭ (Вт/м)2час | – | – | – | 2 |
Предельно допустимые значения параметров ЭМП на рабочих местах персонала с учетом времени воздействия t рассчитывают по следующим формулам:
ЕПД=(ЭНЕ)0,5/t; НПД=(ЭНН)0,5/t; IПД=КЭНППЭ/t
где ЭНЕ , ЭНН, ЭНППЭ максимальные значения энергетической нагрузки из табл.2; К коэффициент ослабления биологической активности ( К=10 для случаев облучения от сканирующих и вращающихся антенн; К=12,5 -при локальном облучении кистей рук; К=1 для источников постоянного облучения всего организма).
Для бытовых источников ЭМП массового использования, таких как сотовые телефоны и микроволновые печи, существуют специальные нормы.
- Гигиенические нормативы ГН 2.1.8./2.2.4.019-94.
Временные допустимые уровни (ВДУ) воздействия электромагнитных излучений, создаваемой системой сотовой связи. В работе этих систем используется следующий принцип: территория города и района делится на небольшие зоны (соты) радиусом 0,5-2 км, в центре каждой зоны располагается базовая станция. Системы сотовой радиосвязи работают в интервале 400 МГц 1,2 ГГц, то есть в СВЧ диапазоне. Максимальная мощность передатчиков базовых станций не превышает 100 Вт, коэффициент усиления антенны 10-16 дБ. Мощность передатчиков автомобильных станций 8-20 Вт, ручных радиотелефонов 0,5-2 Вт. Лица профессионально связанные с источниками ЭМП, подвергаются его воздействию в течение всего рабочего дня, население, проживающее в непосредственной близости от базовых станций, – до 24 часов в сутки, пользователи только во время телефонных разговоров. ВДУ облучения приведены в табл. 3.
Таблица 3.
Категория облучения | Величина ВДУ |
Профессиональное воздействие | |
Предельно допустимое значение | IПД=2/t Вт/м2 ; IПДmax 10Вт/м2 |
Непрофессиональное воздействие | |
Облучение населения, проживающего вблизи от антенн базовых станций | IПД 0,1Вт/м2 |
Облучение пользователей радиотелефонов | IПД 1Вт/м2 |
- Предельно допустимые уровни плотности потока энергии (ППЭ), создаваемой микроволновыми печами.
Таблица 4.
Условия работы | Предельно допустимый уровень ППЭ |
Эксплуатация микроволновых печей в условиях быта | До 0,1 Вт/м2 на расстоянии 50 5 см от любой точки микроволновой печи |
Способы защиты от электромагнитных полей.
Для защиты от ЭМП РЧ используются следующие методы:
- Уменьшение излучения в источнике.
- Изменение направленности излучения.
- Уменьшение времени воздействия.
- Увеличение расстояния до источника облучения.
- Защитное экранирование.
- Применение средств индивидуальной защиты.
Экранирование один из основных и наиболее часто применяемых средств защиты от ЭМП.
Более высокая эффективность у экранов из электропроводных материалов. конструкция экрана может иметь сетчатую или ячеистую структуру. Размер ячейки должен быть на порядок, на порядок меньше длины волны экранируемого ЭМП.
Физическая сущность электромагнитного экранирования с точки зрения теории электромагнитного поля состоит в том, что под воздействием поля в материале наводятся токи, поля которых во внешнем пространстве по величине близки, а по направлению противоположны экранируемому полю. В результате происходит взаимная компенсация полей. При экранировании высокочастотных полей индукционные токи концентрируются вблизи поверхности, обращенной к экранируемому полю (явление поверхностного эффекта). Характеристика поверхностного эффекта глубина проникновения электромагнитного поля в материал экрана, под которой понимается расстояние вдоль распространения электромагнитной волны, на котором величины ее составляющих Е и Н уменьшаются в 2,73 раза.
Эффективность экранирования, дБ, можно определить по формуле:
Э= 36+ 20/ +8,7d/ ( 1 )
где =0.52 (/f)0.5=0.03(/)0.5 глубина проникновения, м; d толщина материала экрана, м; – длина волны ЭМП, м; – дельное сопротивление материала экрана, Омм; -магнитная проницаемость материала экрана, Гн/м; f частота ЭМП, МГц.
В табл. 5 приведены данные по удельному сопротивлению и магнитной проницаемости различных материалов, служащих экранами.
Таблица 5.
Материал экрана | Удельное сопротивление, Омм | Магнитная проницаемость, Гн/м |
Алюминий | 2,810-8 | 1 |
Медь | 1,710-8 | 1 |
Латунь | 7,510-8 | 1 |
Сталь | 1,010-7 | 180 |
Экспериментально эффективность экранирования можно определить из выражения:
Э= 10lg(I1 /I2), дБ или Э=I1 / I2 , раз, ( 2 )
где I1 и I2 интенсивность излучения , Вт/м2, без экрана и с экраном.
Описание лабораторной установки.
Лабораторная установка состоит из микроволновой печи, дипольной антенны и гальванометра. На лабораторном столе перед печью расположена координатная сетка, что позволяет фиксировать в пространстве измерительную точку. Источником электромагнитного поля является магнетрон, излучающий электромагнитные колебания частотой 2400 МГц и длиной волны =12,5 см = 0,125 м.
Проведение измерений.
Задание 1. Оценка безопасности микроволновой печи.
- Подключить микроволновую печь к электрической сети.
- Открыть дверь печи и поставить в нее литровую банку с водой или кусок мрамора или кирпич, так как без нагрузки включать печь недопустимо. Дверь закрыть.
- Дипольную антенну закрепить на штативе на высоте 18 см и ориентировать всегда параллельно передней панели печи.
- Включить микроволновую печь на 10 мин в режиме разогрева. Для этого нажать кнопку «Старт».
- Передвигая антенну по координатной сетке на лабораторном столе перед передней панелью печи, определить контуры зоны, в пределах которой плотность потока энергии превышает предельно допустимую величину 0,1 Вт/м2 (50 А).
- Построить график зависимости плотности потока энергии от расстояния.
- Определить коэффициент безопасности (КБ) и сделать вывод по выполненной работе.
- Оценить максимальный размер опасной зоны в перпендикулярном направлении перед передней панелью печи. В соответствии с нормами размер этой зоне не должен превышать 50 5 см. дать заключение об уровне безопасности данной микроволновой печи, подсчитав коэффициент безопасности по формуле:
КБ= IПД / I50
где IПД =0,1 Вт/м2 предельно допустимая по нормам величина ППЭ; I50 измеренная интенсивность излучения или плотность потока энергии на расстоянии 50 см от передней панели печи в точке максимального излучения.
Если КБ > 1 печь безопасна, КБ < 1 работающая печь создает ЭМП, опасное для здоровья пользователя.
Задание 2. Исследование эффективности экранирования.
1. По формуле (1) определить ожидаемую эффективность экранирования для одного из экранов (из алюминия толщиной 0,0005 м или латунной сетки толщиной 0,0003 м) по заданию преподавателя. Данные для расчета взять из табл. 5.
2. Установить дипольную антенну на расстоянии, соответствующем наибольшей интенсивности излучения. Измерить плотность потока энергии при включенной печи без экрана I1.
3. Определить экспериментально эффективность экранов. Для этого, последовательно устанавливая экраны между микроволновой печью и антенной, измерить плотность потока энергии с экранами I2 и по формуле ( 2 ) рассчитать эффективность в дБ и в разах.
4. Результаты расчетов и экспериментов занести в таблицу отчета (см. ниже), сделать выводы об эффективности экранирования.
Таблица отчета.
Экран | Алюминий | Латунная сетка | Обычная резина | Электропро-водная резина | Оргстекло |
Плотность потока энергии с экраном I2, Вт/м2 | |||||
Экспериментальная эффективность экрана, дБ | |||||
Экспериментальная эффективность экрана, разы |
Контрольные вопросы.
1. Назовите источники генерации электромагнитных полей и составляющие последних?
2. Какие виды радиоволн Вы знаете?
3. От каких факторов зависит количество энергии, передаваемое при помощи радиоволн?
4. В каком случае источник радиоволн называют точечным?
5. Какие зоны образуются вокруг любого излучателя электромагнитных излучений?
6. Как оценивается интенсивность электромагнитного излучения, и в каких единицах она измеряется?
7. Как определить количество энергии поглощенной веществом?
8. Какие вещества не поглощают излучаемую энергию?
9. От каких свойств материала зависит количество поглощаемой энергии?
10.При каких значениях плотности потока энергии наблюдаются постоянные изменения в крови и в чем они выражаются?
11.К каким изменениям в организме человека приводит воздействие электромагнитных волн с уровнем превышающим допустимый?
12.Какие защитные меры от воздействия электромагнитных полей и виды защитных устройств Вы знаете?
13.Каков принцип действия и как оценивается эффективность экранирования ЭМП?
14.По какому принципу нормируются ЭМП?
Источник