От каких свойств материала зависит количество поглощаемой энергии

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=EН. 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= Е2t, (В/м)2час; ЭНН= Н2t, (А/м)2час; ЭНППЭ= It, (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)2ч	20000	7000	800	–
ЭНН (А/м)2ч	200	–	–	–
ЭНППЭ (Вт/м)2час	–	–	–	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=КЭНППЭ/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, Омм;  -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, Омм	Магнитная проницаемость, Гн/м
Алюминий	2,810-8	1
Медь	1,710-8	1
Латунь	7,510-8	1
Сталь	1,010-7	180

Экспериментально эффективность экранирования можно определить из выражения:

Э= 10lg(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

Основные свойства теплового излучения

Тепловое излучение происходит по всему спектру частот от нуля до бесконечности

Интенсивность теплового излучения неравномерна по частотам и имеет явно выраженный максимум при определенной частоте

C ростом температуры общая интенсивность теплового излучения возрастает

C ростом температуры максимум излучения смещается в сторону больших частот (меньших длин волн)

Тепловое излучение характерно для тел независимо от их агрегатного состояния

Отличительным свойством теплового излучения является равновесный характер излучения. Это значит , что если мы поместим тело в термоизолированный сосуд, то количество поглощаемой энергии всегда будет равно количеству испускаемой энергии.

Основные понятия и характеристики теплового излучения

Энергетическая светимость тела – — физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот.

[ ]=Дж/с * = Вт/

Спектральная плотность энергетической светимости — функция частоты и температуры, характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн). Аналогичную функцию можно написать и через длину волны

Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная через частоту и длину волны, связаны соотношением:

Поглощающая способность тела — — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот dw вблизи w где dФ’ — поток энергии, поглощающейся телом.

dф — поток энергии, падающий на тело в области dw вблизи w

Отражающая способность тела — — функция частоты и температуры, показывающая какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот dw вблизи w где dФ” — поток энергии, отражающейся от тела.

dФ — поток энергии, падающий на тело в области dw вблизи w

Абсолютно черное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение — для абсолютно черного тела

Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры — для серого тела

Объемная плотность энергии излучения — — функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единицу объема по всему спектру частот

Спектральная плотность энергии — — функция частоты и температуры, связанная с объемной плотностью излучения формулой:

Следует отметить, что спектральная плотность энергетической светимости для абсолютно черного тела связана со спектральной плотностью энергии следующим соотношением:

2) Абсолютно черное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение — для абсолютно черного тела

Закон излучения Кирхгофа – Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.

Закон Стефана — Больцмана – Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела: P=SϵϬT⁴ где ϵ – степень черноты (для всех веществ ϵ<1 , для абсолютно черного тела ϵ=1 ). При помощи закона Планка для излучения, постоянную Ϭ можно определить как

Зако́н смеще́ния Ви́на даёт зависимость длины волны, на которой поток излучения энергии чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела. Кривые потока излучения абсолютно чёрных тел с разной температурой. Наглядно можно увидеть, что возрастании температуры максимум излучения сдвигается в ультрафиолетовую часть спектра (в область коротких длин волн). Именно эту особенность и описывает закон Вина.

λmax = b/T ≈ 0,002898 м·К × T −1 (K), где T — температура, а λmax — длина волны с максимальной интенсивностью. Коэффициент b, называемый постоянной Вина, в системе СИ имеет значение 0,002898 м·К.

Для частоты света V (в герцах) закон смещения Вина имеет вид:

Где α ≈ 2,821439… Гц/К — постоянная величина, k — постоянная Больцмана, h — постоянная Планка, T — температура

(в кельвинах).

4)Квантовая гипотеза формула планка

Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для элементарных частиц, любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями (квантами). Эти порции состоят из целого числа квантов с энергией таких, что эта энергия пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:

Законы внешнего фотоэффекта

Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения): и

Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота ν0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Фото́н — элементарная частица, квант электромагнитного излучения. Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения ±1. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами. Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

Обратный эффект Комптона

Эффектом, обратным эффекту Комптона, является увеличение частоты света, претерпевающего рассеяние на релятивистских электронах, имеющих энергию выше, чем энергия фотонов. То есть в процессе такого взаимодействия происходит передача энергии от электрона фотону.

Энергия рассеянных фотонов определяется выражением

где и — энергия рассеянного и падающего фотонов соответственно, K — кинетическая энергия электрона.

Обратный эффект Комптона ответственен за рентгеновское излучение галактических источников, рентгеновскую составляющую реликтового фонового излучения (эффект Сюняева — Зельдовича), трансформацию плазменных волн в высокочастотные электромагнитные волны

Постулаты

1 Атом может находиться только в особенных стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.

2Электрон в атоме, не теряя энергии, двигается по определённым дискретным круговым орбитам, для которых момент импульса квантуется: , где — натуральные числа, а — постоянная Планка. Пребывание электрона на орбите определяет энергию этих стационарных остояний.

3При переходе электрона с орбиты (энергетический уровень) на орбиту излучается или поглощается квант энергии , где — энергетические уровни, между которыми осуществляется переход. При переходе с верхнего уровня на нижний энергия излучается, при переходе с нижнего на верхний — поглощается.

Используя данные постулаты и законы классической механики, Бор предложил модель атома, ныне именуемую Боровской моделью атома. В дальнейшем Зоммерфельд расширил теорию Бора на случай эллиптических орбит. Её называют моделью Бора-Зоммерфельда.

Частица в потенциальной яме

Потенциальная яма – область пространства, где присутствует локальный минимум потенциальной энергии частицы.

Если в потенциальную яму попала частица, энергия которой ниже, чем необходимая для преодоления краёв ямы, то возникнут колебания частицы в яме. Амплитуда колебаний будет обусловлена собственной энергией частицы. Частица, находящаяся на дне потенциальной ямы, пребывает в состоянии устойчивого равновесия, то есть при отклонении частицы от точки минимума потенциальной энергии возникает сила, направленная в противоположную отклонению сторону. Если частица подчиняется квантовым законам, то даже несмотря на недостаток энергии она с определённой вероятностью может покинуть потенциальную яму (явление туннельного эффекта).

Потенциальный барьер — противоположное понятие. Это область пространства, где присутствует локальный максимум потенциальной энергии.

Принцип действия

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых ат