Закрыть

Электромагнитный расцепитель: характеристики срабатывания и токовременной работы, параметры выбора и номинальный ток напряжения или расцепителя

Содержание

Автоматические выключатели, типы, расцепители и принцип действия ВА

Выключателями называют обширный класс коммутационных аппаратов, способных соединять, разъединять и служить проводниками в электрических цепях в условиях протекания рабочих и аварийных токов.

Именно способность коммутировать повышенные токи, возникающие при отклонениях условий работы электрических сетей от нормального режима, отличает выключатели от других коммутирующих устройств, среди которых:

  • разъединители, предназначенные для коммутации только токов холостого хода;
  • выключатели нагрузки, способные разрывать номинальный рабочий ток электроустановки.

Назначение

Таким образом, технические свойства, которыми обладают автоматические выключатели (краткое обозначение ВА), позволяют использовать их в следующих целях:

  • коммутирование электрических цепей;
  • защита электроустановок путём их автоматического отключения при возникновении аварийного значения тока.

ВА используются в электрических сетях и электроустановках всех уровней напряжения, однако, общепринятый термин «автоматические выключатели» подразумевает низковольтные аппараты, работающие в условиях до 1000 вольт.

Часто встречаемые производители: ABB, IEK, Schneider-Electric, Legrand.


Те автоматы, что функционируют в сетях более высокого напряжения, называть «автоматическими» не принято что, конечно же, не вполне логично. Уровень автоматизации работы оборудования высокого напряжения обычно выше, чем низковольтного. Но главное не путаться в терминологии, чтобы понимать, о чём идёт речь.

Габариты на примере ABB (мм) в зависимости от числа полюсов. Размеры могут отличаться от других производителей, например, высота бывает 80, 88, 90, 104 мм.

Устройство и принцип работы

Одним из основных узлов автомата являются его силовые контакты. Включение ВА обычно осуществляется вручную — путём нажатия кнопки включения или поднятием вверх рукоятки управления. При этом производится взвод пружинного механизма, а элементы контактной группы прижимаются друг к другу с определённым усилием. Сохранение взведённого состояния пружинного механизма обеспечивается благодаря фиксирующей защёлке, удерживающей механический привод во включенном положении.

В разрезе, типовой примерный вид.

Отключение может быть произведено как вручную, так и автоматически, при срабатывании органа защиты выключателя. В простейшем случае, защитные функции выполняются двумя компонентами — электромагнитным и тепловым расцепителями.

Электромагнитный расцепитель

ЭР представляет собой токовую катушку (соленоид) с подвижным электромагнитным сердечником — бойком. Через катушку постоянно проходит ток питаемой электроустановки. Срабатывание соленоида происходит при определённом значении тока, протекающего через контакты автомата. Обычно это величина тока, в несколько раз, а то и на порядки превышающая номинальное значение. При возникновении в защищаемой цепи короткого замыкания, под воздействием аварийных значений, стержень соленоида выдвигается и давит на защёлку механического привода расцепителя.

В результате ее освобождения, привод выключателя под действием силы пружины разрывает контакт.

Тепловой расцепитель

Тепловой расцепитель обычно состоит из биметаллической пластины, по которой протекает ток. На самом деле, ток может протекать не по самой пластине, а по намотанному на неё высокоомному проводнику, нагреваемому током и передающему тепло пластине. Биметаллическая пластина — это спаянные между собой тонкие полоски двух металлических сплавов. Материалы подбираются таким образом, чтобы коэффициент их теплового расширения имел большое различие. Необходимо это для того, чтобы при нагревании биметалла пластина изогнулась — ведь один из её слоёв расширяется гораздо более активно.

Далее, при достижении некоторого критического изгиба пластина воздействует на фиксатор защёлки, отключая выключатель. СтабЭксперт.ру напоминает, что параметры системы подобраны таким образом, чтобы разогрев пластины начинался при протекании по ней тока, превышающего номинальное значение на величину порядка 20%. При этом, чем больше значение тока, тем активнее происходит нагрев, следовательно, быстрее достигается критический изгиб и инициируется отключение автомата.

Разница расцепителей

Резюмируя описание работы этих двух механизмов, можно отметить, что расцепитель электромагнитного типа представляет собой токовую защиту без выдержки времени, которую называют токовой отсечкой. Токовая отсечка реагирует на сверхтоки, возникающие при коротких замыканиях в защищаемой сети.

Тепловой расцепитель позволяет реализовать интегральную зависимость времени срабатывания защиты от величины тока. Тепловая защита обеспечивает отключение оборудования при его перегрузке, когда потребляемый ток больше номинального на 20% и более. В этих условиях отсечка ещё не срабатывает, но длительное функционирование оборудования в таком режиме недопустимо.

Читайте еще: что такое и зачем нужен автомат диф?

Отличие от прочих коммутационных устройств

Может возникнуть вопрос, в чём заключается отличие автоматического выключателя от других коммутационных аппаратов, не способных коммутировать значительные токи.

Дело в том, что коммутация токовых нагрузок, а именно их отключение, сопровождается возникновением электрической дуги. Причём, чем больше значение тока, тем сильнее дуговой разряд при отключении контактов. Горение дуги происходит в ионизированном воздушном пространстве, то есть, воздух становится электропроводящим. В зависимости от разрываемого тока и напряжения сети, дуговой разряд в промежутке определённой величины может вообще не погаснуть после отключения контактов.

Примером может служить дуговая электрическая сварка, где установив между электродом и деталью требуемый зазор, дугу можно поддерживать постоянно. Кроме этого, горящая в разрыве контактов электрическая дуга ионизирует окружающее пространство и вызывает междуфазное короткое замыкание в случае многополюсных коммутационных аппаратов.

Но это относится только к разъединителям. Автоматический выключатель оборудован специальными дугогасительными камерами, типовая конструкция которых содержит ряд параллельно расположенных пластин, они разделяют дугу на отдельные участки, где та и затухает.

Также предусмотрен путь отвода образующихся при горении дуги газов. Персональной дугогасительной камерой оборудован каждый полюс автомата, что препятствует распространению ЭД на контакты соседних фаз.

Типы ВА (полюса и четыре группы)

Классифицировать типы автоматических выключателей можно по нескольким признакам, остановимся на некоторых из них.

Число полюсов: 1p, 2p, 3p и 4p

Данная характеристика показывает, какое количество независимых электрических цепей может коммутировать автомат. По этому параметру ВА делятся на однополюсные (обозначение 1p), двухполюсные (2p), трёхполюсные (3p) и четырёхполюсные (4p).

Каждый из полюсов представляет собой обособленный механический контакт, имеющий два вывода для подключения внешних электрических цепей. Иногда полюса называют главными цепями, т.е. это цепи контактов, предназначенных для коммутации токов защищаемой нагрузки.

Количество полюсов (1п, 2п, 3п, 4п) каждого выключателя можно определить без труда.

Понятие главных полюсов или цепей было введено, т.к. некоторые разновидности автоматов имеют до нескольких вспомогательных контактов. Эти контакты не предназначены для коммутации силовой электрической нагрузки и не оборудованы устройствами дугогашения. Есть еще вспомогательные контакты (называемые также блок-контактами), они работают в цепях сигнализации и блокировки.

Время-токовая характеристика

В зависимости от особенностей электрической цепи, автоматический выключатель должен обладать соответствующими свойствами защит. Значение токов короткого замыкания является характеристикой питающей сети, а не подключаемой нагрузки. Нагрузку одной и той же номинальной мощности и напряжения можно подключить к мощным шинам подстанции, либо к длинной линии электропередачи, на большом удалении от источника питания. СтабЭксперт.ру напоминает, что в первом случае ток короткого замыкания будет иметь максимальное значение, во втором, из-за влияния сопротивления линии электропередачи может быть значительно снижен. Таким образом, при выборе подходящего автоматического выключателя недостаточно учитывать только характеристики нагрузки, нужно иметь расчётные значения токов короткого замыкания в месте предполагаемой установки.

Читайте еще: наглядная схема и поключение УЗО?

Деление на группы A, B, C, D

Для работы в различных сетях выпускаются автоматические выключатели, обладающие различными время–токовыми характеристиками. По этому признаку, в соответствии с ГОСТ Р 50345-99, все автоматы делятся на четыре группы — «A», «B», «C» и «D». К аппаратам каждой из этих групп предъявляются свои требования в части защитных характеристик. Рассмотрим их подробнее.

К расцепителям автоматов с характеристикой типа «A» предъявляется одно требование: при протекании токов, превышающих номинальное значение в 5 раз, его отключение должно происходить за время, меньшее 0,1 с.

Например, выключатель рассчитан на номинальный ток 25 ампер, то есть, Iном = 25А. При токе 5*Iном= 125А, время срабатывания расцепителя должно быть меньше 0,1 с.

Что касается автоматов с характеристиками «B», «C» и «D», существуют как общие для всех трёх групп, так и индивидуальные требования. Они нормируют время отключения при различных уровнях превышения номинального тока:

  • при токе 1,13 Iном, то есть, превышающем номинальное значение на 13%, автоматы с номиналом до 63 ампер должны работать до отключения не менее одного часа, выключатели на ток свыше 63 ампер, соответственно не менее двух часов;
  • ток 1,45 Iном должен приводить к отключению автоматов с номиналом до 63 ампер менее, чем за один час, автоматов свыше 63 ампер – менее, чем за два часа;
  • при превышении номинального тока на 155% (2,55 Iном), автоматические выключатели до 32 ампер отключаются в течение времени от 1 до 60 секунд, автоматы более 32 ампер — от 1 до 120 с.

Характеристики отключения каждой из групп, выглядят следующим образом:

  • тип «B» отключается более, чем за 0,1 секунду при троекратном превышении номинального тока и менее, чем за 0,1 сек.
    при десятикратном;
  • отключение выключателей типа «C» — более 0,1 сек. при 5*Iном, менее 0,1 сек. при 50 Iном;
  • автомат типа «D» не должен срабатывать ранее 0,1 сек. при десятикратном увеличении номинального тока.

Выключатели с выдержкой времени

Автоматические выключатели, оснащённые механизмом установки времени срабатывания вне зависимости от значения тока, называются селективными. Соответственно аппараты, не обладающие этим качеством относятся к неселективным. Рассмотрим, что такое селективность и зачем она нужна.

Селективность — это одно из основных качеств, которым должна обладать защита. Селективность заключается в необходимом и достаточном объёме защитных отключений повреждённого участка сети. Это означает, что в случае повреждения оборудования (например, короткого замыкания), защита должна отработать так, чтобы отключенным оказался только повреждённый сегмент схемы. Всё остальное оборудование должно при этом по возможности оставаться в работе.

Какое отношение к этому имеет выдержка времени выключателя, покажем на примере.

Предположим, на вводе питания секции 0,4 кВ установлен выключатель «1». От этой секции питаются несколько отходящих линий через линейные выключатели. Пусть на одной из отходящих линий установлен выключатель «2».

Теперь предположим, что в самом начале этой линии произошло короткое замыкание. Какой выключатель должен быть отключен защитами, чтобы выделить только повреждённый участок? Конечно же, «2». Но ведь ток короткого замыкания в этой ситуации протекает через два выключателя – «1» и «2» (короткое замыкание подпитывается от источника через выключатель ввода «1»). Каким же образом обеспечить отключение только выключателя «2», ведь значение тока, протекающего через эти выключатели практически одинаково. Вот здесь и приходит на помощь возможность установления искусственной задержки времени отключения на автомате ввода «1». При этом защита просто не успевает сработать, так как линейный выключатель «2» отключит ток короткого замыкания без выдержки времени.

Далее:

принцип работы и схема подключения

Все электрические цепи оснащены вспомогательными защитными системами. В качестве дополнения для них выступает независимый расцепитель. Его связывают с электрической системой механическим методом. Если возникают угрозы для работы электрических приборов и самой линии, расцепитель преднамеренно отключает цепь питания. Чаще всего это случается при аварийных ситуациях.

Что такое независимый расцепитель

Независимый расцепитель — это аппарат, осуществляющий удаленную деактивацию защитной аппаратуры. Чаще всего его используют в связке с автоматическими выключателями с 1-4 полюсами. Расцепительную систему присоединяют к вводному механизму. При активации экстренной ситуации он производит полное отключение подачи электрического тока.

Что собой представляет автоматический выключатель

Конструкция агрегата произведена в виде электромагнита. Когда на него поступает импульс, профильный рычаг начинает воздействовать на электрический механизм, деактивируя защитное устройство.

Электромагнитные катушки, которыми оснащено устройство, пропускают переменный или постоянный ток. Оптимальный уровень напряжения для них 12-60 В и 110-415 В. Метод сцепления с автоматом выбирается в зависимости от типа катушки.

Схема подключения независимого устройства расцепления

Обратите внимание! Происходит фиксация обычно на правую или левую сторону.

Технические характеристики расцепителя

Внутри автомата находятся два типа устройств расцепления. Каждый из них работает в своем токовом диапазоне. Если оба устройства начинают работать одновременно, то это приводит к отключению автомата, когда через него проходит сверхток.

Тепловой расцепительный механизм функционирует за счет нагревания биметаллической пластинки. Она калибрована, при определенной силе тока нагревается до определенных показателей. Это становится причиной появления критического изгиба и деактивации автомата.

Второй агрегат, электромагнитный, работает на более высокой скорости, чем тепловой. Он функционирует на основе электромагнита, который выключает нагрузку при возникновении короткого замыкания. Ток электромагнитного выключателя в 3 раза выше напряжения теплового устройства. Также он может быть выше в 20 раз.

Автоматический расцепитель оснащен диодным выпрямителем. Системные динисторы применяются разной проводимости. В устройствах для фазовых выключателей предусматривается использование трансивера. Реле устанавливают в нижней части системы. Катушка электромагнита обычно рассчитана на напряжение 12-60 V переменного тока.

Компактный автоматический выключатель

Обратите внимание! В некоторых агрегатах напряжение держится на отметке 110-415 V.

Назначение независимого расцепителя

Независимым расцепителем называют дополнительное оборудование для автоматических выключателей. Его применяют, чтобы дистанционно отключать выключатели нагрузки. Устройства расцепления преимущественно используют для проектировки системы вентиляции.

Схема автоматической системы

Если ориентироваться на нормативные акты, то вентиляция в случае пожара должна отличаться способностью к деактивации. Для этого к вводному аппарату чаще всего присоединяют независимый расцепитель. Он может выключать однофазные и трехфазные системы.

Обратите внимание! Чтобы система начала работать, требуется подать импульс на катушку защитного агрегата. Для возведения аппарата в первоначальное состояние потребуется активировать кнопку возврата.

Принцип работы

Суть функционирования независимого устройства расцепления основана на изменении расположения контактов. Это случается из-за поступления короткого импульса со стороны диодного выпрямителя. В качестве проводника в этом случае выступает транзистор. Регулировка частотности выключателя осуществляется за счет модулятора. Чтобы бороться с электромагнитными помехами, применяется кенотрон.

Автоматический расцепитель PH 47

Внешне устройство — корпус, который изготовлен на основе износостойкой пластмассы. Кнопка активации располагается на передней стороне системы. Сзади на агрегате имеется фиксирующая защелка, в нижней части — винтовые клеммы.

В обычной работе аппарат пропускает ток, который равен номинальному значению (она также может быть меньше). По верхней клемме идет питающее напряжение от внешней сети. После этого ток подается на тепловой выключатель, затем на электромагнитный. Если происходит экстренный случай, то расцепитель отсоединяет защищаемую цепь и выключает автомат.

Важно! Чаще всего причиной срабатывания системы становится короткое замыкание.

Конструкция независимого расцепителя

Независимый выключатель — это специализированный аппарат для удаленной деактивации автомата. По своей конструкции система напоминает магнит. В тот период, когда на него оказывает влияние кратковременный импульс, расцепительный механизм при помощи оборудованного рычага оказывает давление, за счет чего происходит отключение защитного устройства.

Штифт автоматического выключателя

В каждой конструкции имеется электромагнитная катушка, обладающая разными показателями мощности. Расцепительный механизм пропускает постоянный и переменный токи. Уровень напряжения варьируется в пределах 110 до 415 В или от 12 до 60 В. Степень показателей обычно зависит от модели агрегата.

Разница между составными расцепителями заключается в токовой защите. Электромагнитное устройство представляет ее без выдержки времени, то есть без токовой отсечки.

К сведению! Тепловое расцепительное устройство реализовывает интегральную зависимость времени реагирования защитной системы от величины тока. Он обеспечивает отключение автоматического оборудования в случае перегрузки, когда потребляемый ток становится больше номинального на 20 %.

Схемы подключения независимого расцепителя (PH 47)

Если брать во внимание вентиляционную конструкцию, то подключать расцепитель необходимо через динисторы. Соединение выходных проводов в этом случае происходит через изоляторы. Подключение агрегата к автоматическому выключателю осуществляется за счет отрицательного сопротивления на уровне 25 Ом.

Этапы подключения независимого расцепителя к автоматическому выключателю:

  1. Чтобы обеспечить подсоединение с реле, мастера применяют расширитель.
  2. При подключении расцепительного устройства также потребуется проверить пороговое сопротивление системы. Оно не должно быть выше 30 Ом.
  3. Зафиксировать выключатель нужно в силовом щитке.

Обратите внимание! Чтобы проверить напряжение, мастеру следует воспользоваться тестером.

Защитная система для электрических сетей

Независимый расцепитель — коммутационный агрегат, включающий токи, а также проводящий и отключающий их при нормальных условиях в цепи. Он используется для защиты электрических цепей от перегрузок или короткого замыкания. Характерные особенности расцепительного агрегата — многократное применение и стабильное срабатывание в критических случаях.

Характеристики срабатывания электромагнитного расцепителя. Для чего нужна время-токовая характеристика. Основные принципы работы автоматов защитного отключения цепей

Содержание:

Когда все приборы и сама электрическая сеть функционируют в нормальном режиме, в них наблюдается обычное течение тока. Данное явление в полной мере касается и автоматического выключателя. Однако в случае превышения силой тока, по каким-либо причинам, своего номинального значения, срабатывает защитного устройства и цепь размыкается. Параметр такого срабатывания известен как время-токовая характеристика автоматического выключателя. Она представляет собой зависимость времени срабатывания автомата и соотношения между реальным током, протекающим через автомат и номинальным током прибора.

Для чего нужна время-токовая характеристика

Сложности практического применения этого параметра в первую очередь связаны с графиками, которые необходимо правильно читать и применять на практике. Отключение автоматов с одинаковым номиналом будет происходить не одинаково в случае различных превышений тока. Поэтому для каждого типа выключателей существует собственная кривая, отображаемая на графике. Это дает возможность использования автоматических выключателей с разными характеристиками для определенного типа нагрузки.

В результате, автоматический выключатель выполняет защитную токовую функцию и одновременно сводит до минимума ложные срабатывания. Именно в этом и заключается основное практическое значение время-токовой характеристики.

В области энергетики нередко возникают ситуации, при которых увеличение тока на короткое время не связано с возникновением аварийного режима работы. В этих случаях защитные устройства не должны реагировать на подобные изменения. Это происходит при включении электродвигателей, когда наблюдается значительный скачок тока, в несколько раз превышающий номинальное значение. Если следовать логическим выводам, должно произойти обязательное отключение автомата. Например, если устройство установлено на 10 А, а пусковой ток составляет 12 А, это приведет к непременному срабатыванию защиты. Чтобы этого не произошло, требуется увеличить порог срабатывания, например, до 16 ампер. Однако в случае устройство может и не отключиться.


Слишком низкий уровень срабатывания приведет к тому, что автомат будет реагировать даже на незначительные скачки. Решить данную проблему позволяет время-токовая характеристика, определяющая основной режим работы каждого защитного устройства.

Время-токовые характеристики автоматов

Срабатывание автоматических выключателей происходит за счет действия его основных элементов - теплового и электромагнитного расцепителя. Конструкция теплового расцепителя состоит из биметаллической пластины, нагревающейся под действием протекающего тока. В результате, она изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Для срабатывания необходима длительная нагрузка, обратно пропорциональная выдержке по времени. Уровень перегрузки напрямую влияет на нагрев пластинки и время срабатывания теплового расцепителя.


Основными составляющими электромагнитного расцепителя служат катушка и сердечник. При достижении током определенного уровня, магнитное поле катушки втягивает сердечник, под действием которого срабатывает расцепляющий механизм. Устройство мгновенно срабатывает при коротких замыканиях, не дожидаясь нагрева теплового расцепителя. Время срабатывания автомата зависит от силы тока, проходящего через автоматический выключатель. Данная зависимость как раз и представляет собой времятоковую характеристику защитного устройства.

На корпусе каждого прибора наносятся латинские символы В, С и D. Каждый из них соответствует кратности уставки электромагнитного расцепителя к номинальному значению автомата. То есть, с помощью этих букв отображается ток мгновенного срабатывания расцепителя или чувствительность автоматического выключателя. Данный параметр обозначает минимальный ток, при котором происходит мгновенное отключение защитного устройства. Таким образом, латинскими буквами обозначается времятоковая характеристика каждого конкретного автомата. Символ «В» соответствует характеристикам 3-5 х ln, «С» - 5-10 х ln и «D» - 10-20 х ln.

Значение этих цифр необходимо рассмотреть на примере двух автоматов, равных по мощности, то есть, с одинаковым номинальным током, например, модели В16 и С16. Для выключателя В16 диапазон срабатывания электромагнитного расцепителя составит 16 х (3-5) = 48-80 А. Соответственно, у автомата С16 этот диапазон будет находиться в пределах 16 х (5-10) = 80-160 ампер. Таким образом, при наличии тока в 100 А, произойдет мгновенное отключение модели В16, а устройство С16 отключится лишь через несколько секунд после нагрева биметаллической пластины.


Для жилых и административных зданий наиболее подходящими вариантами считаются автоматы с маркировкой В и С. Это связано с отсутствием больших пусковых токов и крайне редким включением электродвигателей повышенной мощности. Автоматы категории D используются в основном на тех объектах, где имеются мощные электродвигатели и другие устройства с большими пусковыми токами.

График время токовой характеристики обязательно учитывает температуру самого защитного устройства. В случае первого срабатывания времени на отключение затрачивается больше, поскольку биметаллическая пластинка холодная. При повторном срабатывании, когда пластинка уже была ранее разогрета, отключение происходит быстрее.

График время-токовой характеристики

Данный

Основные характеристики автоматического выключателя — Руководство по устройству электроустановок


Основными характеристиками автоматического выключателя являются:

  • номинальное напряжение Ue;
  • номинальный ток In;
  • диапазоны регулировки уровней тока отключения для защиты от перегрузки Ir [1] или Irth [1] и защиты от короткого замыкания
    Im [1] ;
  • отключающая способность при коротком замыкании (Icu – для промышленных автоматических выключателей и Icn – для бытовых автоматических выключателей).

Номинальное рабочее напряжение (Ue)

Это то напряжение, при котором данный выключатель работает в нормальных условиях.

Для автоматического выключателя устанавливаются и другие значения напряжения, соответствующие импульсным перенапряжениям (см. подраздел Другие характеристики автоматического выключателя).

Номинальный ток (In)

Это – максимальная величина тока, который автоматический выключатель, снабженный специальным отключающим реле максимального тока, может проводить бесконечно долго при температуре окружающей среды, оговоренной изготовителем, без превышения установленных значений максимальной температуры токоведущих частей.

Пример
Автоматический выключатель с номинальным током In = 125 А при температуре окружающей среды 40 °C, оснащенный отключающим реле максимального тока, откалиброванного соответствующим образом (настроенным на ток 125 А). Этот же автоматический выключатель может использоваться при более высоких температурах окружающей среды, но за счет занижения номинальных параметров. Например, при окружающей температуре 50 °C этот выключатель сможет проводить бесконечно долго 117 А, а при 60 °C – лишь 109 А при соблюдении установленных требований по допустимой температуре.

Уменьшение номинального тока автоматического выключателя производится путем уменьшения уставки его теплового реле. Использование электронного расцепителя, который может работать при высоких температурах, обеспечивают возможность эксплуатации автоматических выключателей (с пониженными уставками по току) при окружающей температуре 60 °С
или даже 70 °С.

Примечание: в автоматических выключателях, соответствующих стандарту МЭК 60947-2, ток In равен обычно Iu для всего распределительного устройства, где Iu обозначает номинальный длительный ток.

Номинальный ток выключателя при использовании расцепителей с разными диапазонами уставок

Автоматическому выключателю, который может быть оборудован расцепителями, имеющими различные диапазоны уставок по току, присваивается номинальное значение, соответствующее номинальному значению расцепителя с наивысшим уровнем уставки по току отключения.

Пример:
Автоматический выключатель NS630N может быть оснащен четырьмя электронными расцепителями с номинальными токами от 150 до 630 А. В таком случае номинальный ток данного автоматического выключателя составит 630 А.

Уставка реле перегрузки по току отключения (Irth или Ir)

За исключением небольших автоматических выключателей, которые легко заменяются, промышленные автоматические выключатели оснащаются сменными, т.е. заменяемыми реле отключения максимального тока. Для того чтобы приспособить автоматический выключатель к требованиям цепи, которой он управляет, и избежать необходимости устанавливать кабели большего размера, отключающие реле обычно являются регулируемыми. Уставка по току отключения Ir или Irth (оба обозначения широко используются) представляет собой ток, при превышении которого данный автоматический выключатель отключит цепь. Кроме того, это максимальный ток, который может проходить через автоматический выключатель без отключения цепи. Это значение должно быть обязательно больше максимального тока нагрузки Iв, но меньше максимально допустимого тока в данной цепи Iz (см. Практические значения для схемы защиты).

Термореле обычно регулируются в диапазоне 0,7-1,0 In, но в случае использования электронных устройств этот диапазон больше и обычно составляет 0,4-1,0 In.

Пример (рис. h40):
Автоматический выключатель NS630N, оснащенный расцепителем STR23SE на 400 А, который отрегулирован на 0,9 In, будет иметь уставку тока отключения:
Ir = 400 x 0,9 = 360 А.

Примечание: для цепей, оборудованных нерегулируемыми расцепителями, Ir = In.
Пример: для автоматического выключателя C60N на 20 А Ir = In = 20 А.

Рис. h40: Пример автоматического выключателя NS630N с расцепителем STR23SE, отрегулированным на 0,9In (Ir = 360 А)

Уставка по току отключения при коротком замыкании (Im)

Расцепители мгновенного действия или срабатывающие с небольшой выдержкой времени предназначены для быстрого выключения автоматического выключателя в случае возникновения больших токов короткого замыкания. Порог их срабатывания Im:

  • для бытовых автоматических выключателей регламентируется стандартами, например МЭК 60898;
  • для промышленных автоматических выключателей указывается изготовителем согласно действующим стандартам, в частности МЭК 60947-2.

Для промышленных выключателей имеется большой выбор расцепителей, что позволяет пользователю адаптировать защитные функции автоматического выключателя к конкретным требованиям нагрузки (см. рис. h41, h42 и h43).

  Тип расцепителя Защита от перегрузки Защита от короткого замыкания
Бытовые автоматические
выключатели (МЭК 60898)
Термомагнитный (комбинирован.) Ir = In Нижняя уставка Тип B
3 In ≤ Im ≤ 5 In
Стандартная уставка
Тип C
5 In ≤ Im ≤ 10 In
Верхняя уставка
Тип D
10 In ≤ Im ≤ 20 In [2]
Модульные промышленные авт. выключатели [3] Термомагнитный (комбинирован.) Ir = In
(не регулируется)
Нижняя уставка Тип B или Z
3,2 In ≤ постоянная ≤ 4,8 In
Стандартная уставка
Тип C
7 In ≤ постоянная ≤ 10 In
Верхняя уставка Тип D или K
10 In ≤ постоянная ≤ 14 In
Промышленные автоматические выключатели (МЭК 60947-2) [3] Термомагнитный (комбинирован. ) Ir = In (не регул.) Постоянная: Im = 7 - 10 In
Регулируется:
0,7 In ≤ Ir ≤ In
Регулируемая:

- нижняя уставка: 2 - 5 In
- стандартная уставка: 5 - 10 In

Электронный Большая выдержка времени
0,4 In ≤ Ir ≤ In
Короткая выдержка времени, регулируемая:

1,5 Ir ≤ Im ≤ 10 Ir
Мгновенное срабатывание (I), время не регулируется:
I = 12 - 15 In

[2] 50 In в стандарте МЭК 60898, что по мнению большинства европейских изготовителей является нереально большим значением (M-G = 10-14 In).

[3] Для промышленного использования значения не регламентируются стандартами МЭК. Указанные выше значения соответствуют тем, которые обычно используются.


Рис. h41: Диапазоны токов отключения устройств защиты от перегрузки и короткого замыкания для низковольтных автоматических выключателей

Рис. h42: Кривая срабатывания термомагнитного комбинированного расцепителя автоматического выключателя

Ir: уставка по току отключения при перегрузке (тепловое реле или реле с большой выдержкой времени)
Im: уставка по току отключения при коротком замыкании (магнитное реле или реле с малой выдержкой времени)
Ii: уставка расцепителя мгновенного действия по току отключения при коротком замыкании
Icu: отключающая способность


Рис. h43: Кривая срабатывания электронного расцепителя автоматического выключателя

Гарантированное разъединение

Автоматический выключатель пригоден для гарантированного разъединения цепи, если он удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к разъединителю (при его номинальном напряжении) в соответствующем стандарте (см. Функции низковольтной аппаратуры: изолирование (отключение)). В таком случае его называют автоматическим выключателем-разъединителем и на его фронтальной поверхности наносят маркировку в виде символа

К этой категории относятся все низковольтные коммутационные аппараты компании Schneider Electric: Multi 9, Compact NS и Masterpact.

Номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Icu или Icn)

Отключающая способность низковольтного автоматического выключателя связана с коэффициентом мощности (cos φ) поврежденного участка цепи. В ряде стандартов приводятся типовые значения такого соотношения.

Отключающая способность автоматического выключателя – максимальный (ожидаемый) ток, который данный автоматический выключатель способен отключить и остаться в работоспособном состоянии. Упоминаемая в стандартах величина тока представляет собой действующее значение периодической составляющей тока замыкания, т.е. при расчете этой стандартной величины предполагается, что апериодическая составляющая тока в переходном процессе (которая всегда присутствует в наихудшем возможном случае короткого замыкания) равна нулю. Эта номинальная величина (Icu) для промышленных автоматических выключателей и (Icn) для бытовых автоматических выключателей обычно указывается в кА.

Icu (номинальная предельная отключающая способность) и Ics (номинальная эксплуатационная отключающая способность) определены в стандарте МЭК 60947-2 вместе с соотношением Ics и Icu для различных категорий использования A (мгновенное отключение) и B (отключение с выдержкой времени), рассмотренных в подразделе Другие характеристики автоматического выключателя.

Проверки для подтверждения номинальных отключающих способностей автоматических выключателей регламентируются стандартами и включают в себя:

  • коммутационные циклы, состоящие из последовательности операций, т.е. включения и отключения при коротком замыкании;
  • фазовый сдвиг между током и напряжением. Когда ток в цепи находится в фазе с напряжением питания (cos φ = 1), отключение тока осуществить легче, чем при любом другом коэффициенте мощности. Гораздо труднее осуществлять отключение тока при низких отстающих величинах cos φ,при этом отключение тока в цепи с нулевым коэффициентом мощности является самым трудным случаем.

На практике все токи короткого замыкания в системах электроснабжения возникают обычно при отстающих коэффициентах мощности, и стандарты основаны на значениях, которые обычно считаются типовыми для большинства силовых систем. В целом, чем больше ток короткого замыкания (при данном напряжении), тем ниже коэффициент мощности цепи короткого замыкания, например, рядом с генераторами или большими трансформаторами.

В таблице, приведенной на рис. h44 и взятой из стандарта МЭК 60947-2, указано соотношение между стандартными величинами cos φ для промышленных автоматических выключателей и их предельной отключающей способностью Icu.

  • после проведения цикла «отключение – выдержка времени - включение/ отключение» для проверки предельной отключающей способности (Icu) автоматического выключателя выполняются дополнительные испытания, имеющие целью убедиться в том, что в результате проведения этого испытания не ухудшились:

  -  электрическая прочность изоляции;
  -  разъединяющая способность;
  -  правильное срабатывание защиты от перегрузки.

Icu cosφ
6 kA < Icu ≤ 10 kA 0,5
10 kA < Icu ≤ 20 kA 0,3
20 kA < Icu ≤ 50 kA 0,25
50 kA < Icu 0,2

Рис. h44: Соотношение между Icu и коэффициентом мощности (cos φ) цепи короткого замыкания (МЭК 60947-2)

Примечания

[1] Величины уставок, которые относятся к термомагнитным (комбинированным) расцепителям для защиты от перегрузки и короткого замыкания. zh:断路器的基本特性

особенности конструкции и сферы применения

Трехполюсный автоматический выключатель обладает теми же свойствами, что и однополюсный. Однако автомат на 3 фазы предназначен для защиты дорогостоящего промышленного оборудования. Поэтому к его подбору по серии и характеристикам необходимо подходить с особой ответственностью.

Что такое автоматический выключатель

Автоматический выключатель — это устройство, предназначенное для защиты проводки от токов короткого замыкания и перегрузки. Подобные аппараты устанавливаются на электрическом вводе в любую квартиру или электроустановку. Их использование является обязательным по правилам ПУЭ.

Вводной автомат в электрощите

Выдержка из ПУЭ (пункт 3.1.5). «В качестве аппаратов защиты должны применяться автоматические выключатели или предохранители. Для обеспечения требований быстродействия, чувствительности или селективности допускается при необходимости применение устройств защиты с использованием выносных реле…».

По числу полюсов силовой цепи выделяют автоматические выключатели следующих типов:

  • однополюсные:
  • двухполюсные;
  • трехполюсные;
  • четырехполюсные.

В квартирной однофазной проводке применяются автоматы на 1 или 2 полюса. К ним подключается 1 фазный и 1 нулевой провод. Более мощные потребители электроэнергии (производственные станки, двигатели лифтов, насосы водоснабжения) нуждаются в трехфазном питании. Для их защиты применяются трехполюсные автоматы, к которым подключается 3 фазных провода.

к содержанию ↑

Строение и принцип работы трехполюсного автомата

Автоматический выключатель на 3 полюса состоит из 3 однополюсных устройств, помещенных в один корпус и имеющих общий рычаг включения. Внутри устройства защиты имеется электромагнитный и тепловой расцепители.

Внутреннее устройство

Электромагнитный расцепитель мгновенно срабатывает на токи короткого замыкания. По принципу действия он напоминает обычный электромагнит. Если через автомат протекает ток КЗ, то электромагнитный расцепитель притягивает якорь и приводит в движение механику автомата. Она и размыкает контакты силовых цепей.

Конструкция автомата защиты

Тепловой расцепитель похож на деформирующуюся от нагрева биметаллическую пластину. Он характеризуется медленным срабатыванием. Для выключения автомата по тепловому расцепителю необходимо время, чтобы он прогрелся до нужной температуры. Тепло для нагрева берется от тока перегрузки, протекающего через автомат. Нечто подобное имеется в термостатах утюгов и кнопках чайников.

Внутри дифференциальных автоматов имеется дополнительный узел — датчик тока. Он предназначен для сравнения токов, протекающих по фазам. Этот элемент конструкции позволяет диф автомату отключаться при пропаже напряжения в одной из фаз. Данная функция особенно важна для защиты электрических двигателей.

Важно! Если у вас без очевидной перегрузки срабатывает автомат, то следует обратить внимание на надежность его подключения. Часто плохой незатянутый контакт приводит к нагреву автомата. А нагрев — к непроизвольным срабатываниям теплового расцепителя.

В мощных трехполюсных автоматах имеются дугогасительные камеры. Они предназначены для максимально быстрого прерывания дуги, образующейся между контактами в момент размыкания цепи. Применение дугогасительных камер существенно продлевает срок эксплуатации прибора. Благодаря им контакты выгорают гораздо медленнее.

к содержанию ↑

Внешние элементы

Снаружи устройство имеет стандартную для защитных аппаратов конструкцию. Сверху находятся 3 винтовых клеммы для подключения приходящих проводов. Снизу аналогичные винтовые контакты, но для отходящей линии. Между ними находится рычаг включения и отключения. Многие трехполюсные автоматы оснащены указателем состояния. Красный флажок или символ «1» — автомат включен. Зеленый или «0» — выключен. На корпусе прибора указываются основные электрические параметры: номинальный ток и временная характеристика.

Дополнительная информация. Конструкция некоторых моделей автоматов предполагает использование ручки, напоминающей ту, что устанавливается на двери. Такая ручка приобретается по желанию покупателя. Ее поворот включает или выключает защитное устройство.

к содержанию ↑

Основные технические параметры

Технические характеристики учитываются при выборе и подключении автомата. Основные из них нанесены на корпус устройства. Там же часто имеется и обозначение на схеме прибора. Из характеристик выделяются следующие:

  1. Времятоковая характеристика. Указывается в виде буквы B, C или D. Реже встречаются автоматы с характеристиками L, Z и K.
  2. Номинальный ток. Число, указываемое после временной характеристики.
  3. Рабочее напряжение. Обычно составляет более 400 В.
  4. Предельный ток короткого замыкания. Большое число порядка 1-35 кА. Максимальный ток КЗ, который способен выдержать автомат без разрушения.

к содержанию ↑

Номинальная отключающая способность

В момент короткого замыкания токи, протекающие через трехполюсный автомат, способны достигать значений в сотни и тысячи ампер. Их величина зависит от толщины (сопротивления) вводных кабелей и расстояния до трансформаторной подстанции. Автомат должен успешно переносить подобные перегрузки и сохранять работоспособность.

Номинальная отключающая способность или предельный ток КЗ показывает, какую величину тока способен выдержать аппарат защиты без расплавления контактов. По этому признаку трехполюсные автоматы принято разделять на следующие категории:

  • 4,5 кА — применяются для защиты линий, питающих частные дома и объекты;
  • 6 кА — защита кабелей в общественных местах;
  • 10 кА — производственные электроустановки, расположенные близко к подстанциям.

к содержанию ↑

Время срабатывания автомата

Времятоковая характеристика указывает на зависимость времени срабатывания автомата от величины тока перегрузки. Например, при превышении номинального тока в 1,5 раза выключатель сработает через 1 час. При превышении тока в 2 раза — через 10 минут. А при трехкратном превышении — через 1 минуту (все цифры сугубо для понимания термина). Задержка срабатывания обусловлена тем, что тепловому расцепителю необходимо время на прогрев.

Наиболее распространены трехфазные автоматы с характеристиками типа B, C и D. В таблице приведены токи их мгновенного срабатывания. In — номинальный ток прибора.

Времятоковая характеристика Ток мгновенного срабатывания Основные сферы применения
B 3-5 In Линии, имеющие большую длину и сети освещения
C 5-10 In Розетки и приборы с малыми пусковыми токами
D 10-20 In Трансформаторы и потребители с большими пусковыми токами

Дополнительная информация. Для электрических двигателей и трансформаторов характерны скачки тока при запуске. В момент включения эти агрегаты способны потреблять пусковые токи в десятки раз большие, чем в нормальной работе.

к содержанию ↑

Распространенные серии автоматических выключателей

Серия автоматического выключателя определяет эксплуатационные характеристики. Традиционно в промышленных и бытовых электроустановках принято использовать устройства 4 серий:

  • АЕ;
  • АП;
  • АВМ;
  • ВА.

Серия АЕ

Применяются в электроустановках напряжением до 660 В переменного тока. Рабочая частота аппаратов защиты серии АЕ составляет стандартные 50-60 Гц. Предназначены для эксплуатации в промышленных и бытовых условиях. Внешне имеют черный карболитовый корпус. Серия отличается надежностью. Многие выключатели АЕ до сих пор исправно служат с советских времен.

Выключатель-автомат малогабаритный АЕ 2046Мк содержанию ↑

Серия АП

Данные приборы защиты в среде электромонтеров имеют неформальное название «апэшка». Их отличает нестандартный внешний вид. Вместо привычного рычага имеются две кнопки. Черная или серая — включает автомат, красная — выключает.

Серия АП подходит для защиты сетей переменного тока с напряжением до 550 В. Данная модель допускает многократное переключение в течение дня. Поэтому ее часто применяют в качестве обыкновенного выключателя для света или двигателя вытяжки.

к содержанию ↑

Серия АВМ

Мощные автоматические выключатели, рассчитанные на работу в силовых электроустановках с номинальными токами до 2 кА. АВМ применяется в сетях напряжением до 500 В. Допустимо использование в цепях постоянного тока напряжением до 440 В.

Данная серия не подходит для установок, характеризующихся частыми короткими замыканиями. В ручном режиме их допустимо переключать до 6 раз в сутки. Взамен они хорошо справляются с недопустимыми перегрузками.

к содержанию ↑

Серия ВА

Автоматические выключатели воздушного исполнения. Позволяют подключить потребитель с током до 6,3 кА. Основные области применения — промышленные объекты. Рабочее напряжение составляет 660 В переменного тока.

к содержанию ↑

Сферы применения

Автоматические выключатели на 3 фазы применяются везде, где есть трехфазное электропитание. Подключение потребителей без этих защитных устройств является грубым нарушением правил устройства электроустановок. Перечислять все примеры использования трехфазных автоматов бессмысленно. Их слишком много. Поэтому ниже приведены электрические аппараты, которые защищаются трехфазными автоматами, но в какой-то степени встречаются в жизни каждого человека:

  • сети уличного освещения;
  • трехфазные асинхронные двигатели лифтового оборудования;
  • вводные распределительные устройства жилых зданий;
  • защита двигателей детских аттракционов;
  • двигатели насосных станций, качающих воду в жилые дома;
  • насосы, откачивающие канализационные воды, защищаются трехфазными автоматами.

Трехполюсные автоматические выключатели используются повсеместно. Их применение обязательно везде, где имеется питание от 3 фаз. Трехполюсные устройства защиты почти ничем не отличаются от однополюсных. Отличия кроются лишь в количестве защищаемых фаз, максимальных рабочих токах и габаритных размерах.

При подключении трехполюсника необходимо учесть его временную характеристику и номинальный ток. Эти параметры указаны на корпусе защитного прибора. Также следует обратить внимание на серию автомата. Она определяется, исходя из условий будущей эксплуатации, то есть, как часто прибору предстоит срабатывать от КЗ, сколько раз в сутки его будут переключать руками.

Трехполюсный автоматический выключатель: особенности конструкции и сферы применения

Характеристики срабатывания автоматов. Принцип выбора

Автоматические выключатели: характеристики срабатывания и ситуации применения

Автоматический выключатель (автомат)  - коммутационное устройство, проводящее ток в нормальном режиме и блокирующее подачу электроэнергии в случаи аварии: перегрузки или короткого замыкания. 

Для размыкания электрической цепи автоматические выключатели оборудованы специальными устройствами – расцепителями. 

В современных модульных автоматах используется два типа расцепителей: 

1) Тепловой – служит для защиты от перегрузки

Биметаллическая пластина, которая изгибается при нагреве, проходящим через нее током, тем самым размыкая контакт. Чем больше перегрузка, тем быстрее нагревается биметаллическая пластинка и быстрее срабатывает расцепитель.

Нормируемые параметры – следующие:

  • 1,13 (In) –  тепловой расцепитель не срабатывает в течение 1 ч.
  • 1,45 (In) – расцепитель срабатывает в течение < 1 ч.
2) Электромагнитный (отсечка) – предназначен для защиты от короткого замыкания

Соленоид с подвижным сердечником, который втягивается при превышении заданного порога тока, мгновенно размыкая электрическую цепь. Отсечка срабатывает при существенном превышении номинального тока (2÷10 In) в зависимости от характеристики срабатывания. Рассмотрим наиболее распространенные автоматы с характеристиками: (B, C, D, K, Z).

1) Характеристика В (3-5 In)

Электромагнитный расцепитель срабатывает при токе, превышающем номинальный в 5 раз. Время отключения <1с. При токе, превышающим номинальный в 3 раза, в течение 4-5 с. сработает тепловой расцепитель. (Обращаем ваше внимание, что для постоянного тока (DC) граница срабатывания будет немного сдвинута (х1,5). 

Автоматические выключатели «В» применяются в осветительных сетях с небольшими пусковыми токами (или полным их отсутствием). 

2) Характеристика С (5-10 In)

Наиболее распространённые автоматические выключатели. Минимальный ток срабатывания составляет 5 In. При этом значении через 1,5 с сработает тепловой расцепитель, а при 10 кратном превышении номинала, электромагнитный разомкнет цепь меньше, чем за 0,1 с.

Автоматические выключатели «С» подходят для сетей со смешанной нагрузкой (освещение, бытовые электроприборы)

3) Характеристика D (10-20 In)

Характеризуются большой устойчивостью к перегрузке. Тепловой расцепитель разомкнет цепь за 0,4 при превышении порога в 10 In. Срабатывание соленоида произойдет при двадцатикратном превышении номинального тока.

Автоматические выключатели «D» используются для подключения электродвигателей с кратковременными большими токами (пусковые токи)

4) Характеристика K (8-15 In)

Для автоматов этой категории характерна большая разница в показателях для постоянного и переменного токов. Например, электромагнитный расцепитель гарантировано разомкнет цепь за 0,02 с. при достижении значения в 12 In в цепи переменного тока, а для постоянного это значения увеличивается до 18 In. При превышении номинального тока в 1,5 раза в течение 2 мин. сработает тепловой расцепитель.

Автоматы с характеристикой «K» применяются для подключения преимущественно индуктивной нагрузки.

5) Характеристика Z (2-3 In)

Автоматы этой категории также имеют различия в параметрах срабатывания для переменного и постоянного токов.

Электромагнитный расцепитель разомкнет цепь при трёхкратном превышении номинальных параметров в цепи переменного тока и 4,5 In в цепях постоянного тока. Тепловой расцепитель сработает при токе в 1,2 от номинального в течение часа.

Вследствие небольших значений по превышению номинальных параметров, Автоматы «Z» применяются только для защиты высокочувствительной электронной аппаратуры.

Подытоживая вышесказанное отметим, что для бытового использования подходят автоматы с характеристиками: «В» и «С», при возможном подключении электродвигателей с высокими пусковыми токами имеет смысл использовать автоматы категории «Е» (во избежание ложного срабатывания). Категория «К» подходит при работе с индуктивными нагрузками, а «Z» для электронного оборудования, чувствительного к небольшим перегрузкам. 

И последнее: если вы сомневаетесь в правильности выбора - обратитесь к профессиональному электрику, не гадайте!

В нашем магазине представлены автоматы всех перечисленных серий, при отсутствии того или иного оборудования его можно легко заказать.

Чтобы узнать подробности и заказать электротехническую продукцию звоните по телефону (495) 777-05-30 
Или оставьте сообщение через форму обратной связи в разделе "Контакты". 

Введение в электромагнитный спектр

Электромагнитная энергия распространяется волнами и охватывает широкий спектр от очень длинных радиоволн до очень коротких гамма-лучей. Человеческий глаз может обнаружить только небольшую часть этого спектра, называемого видимым светом. Радио обнаруживает другую часть спектра, а рентгеновский аппарат использует еще одну часть. Научные инструменты НАСА используют весь диапазон электромагнитного спектра для изучения Земли, Солнечной системы и Вселенной за ее пределами.

Когда вы настраиваете радио, смотрите телевизор, отправляете текстовое сообщение или готовите попкорн в микроволновой печи, вы используете электромагнитную энергию. Вы зависите от этой энергии каждый час и каждый день. Без него мир, который вы знаете, не мог бы существовать.

Наша защитная атмосфера

Наше Солнце является источником энергии во всем спектре, и его электромагнитное излучение постоянно бомбардирует нашу атмосферу. Однако атмосфера Земли защищает нас от воздействия ряда волн более высокой энергии, которые могут быть вредными для жизни.Гамма-лучи, рентгеновские лучи и некоторые ультрафиолетовые волны являются «ионизирующими», что означает, что эти волны обладают такой высокой энергией, что могут выбивать электроны из атомов. Воздействие этих волн высокой энергии может изменять атомы и молекулы и вызывать повреждение клеток в органическом веществе. Эти изменения в клетках иногда могут быть полезны, например, когда радиация используется для уничтожения раковых клеток, а иногда - нет, например, когда мы получаем солнечный ожог.

Атмосферная Windows

Видение за пределами нашей атмосферы - космические аппараты НАСА, такие как RHESSI, предоставляют ученым уникальную точку обзора, помогая им «видеть» на более высоких длинах волн, которые блокируются защитной атмосферой Земли.

Электромагнитное излучение отражается или поглощается в основном несколькими газами в атмосфере Земли, среди которых наиболее важными являются водяной пар, углекислый газ и озон. Некоторое излучение, например видимый свет, в значительной степени проходит (передается) через атмосферу. Эти области спектра с длинами волн, которые могут проходить через атмосферу, называются «атмосферными окнами». Некоторые микроволны могут даже проходить сквозь облака, что делает их лучшими длинами волн для передачи сигналов спутниковой связи.

Хотя наша атмосфера имеет важное значение для защиты жизни на Земле и сохранения жизни на планете, она не очень полезна, когда дело доходит до изучения источников высокоэнергетического излучения в космосе. Инструменты должны быть расположены над поглощающей энергию атмосферой Земли, чтобы «видеть» источники света с более высокой энергией и даже некоторые источники света с меньшей энергией, такие как квазары.

Начало страницы | Далее: Анатомия электромагнитной волны


Цитирование
APA

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научных миссий.(2010). Введение в электромагнитный спектр. Получено [укажите дату - например, 10 августа 2016 г.] , с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/01_intro

MLA

Управление научной миссии. «Введение в электромагнитный спектр» NASA Science . 2010. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. [укажите дату - например, 10 августа 2016 г.] http://science.nasa.gov/ems/01_intro

Микроволны101 | Программное обеспечение для электромагнитного анализа

Щелкните здесь, чтобы перейти на главную страницу САПР

В настоящее время у нас есть две другие страницы по EM-анализу:

Использование Sonnet для анализа ЭМ (программное обеспечение Sonnet)

Вычислительная электромагнетизм

Примечание для поставщиков программного обеспечения EM... нам могла бы пригодиться ваша помощь, а вы могли бы воспользоваться нашей! Особая благодарность Джиму из Sonnet, который исправил наши определения 2.5D и 3D в октябре 2009 года!

Первым «изобретателем» электромагнитного моделирования был Джеймс Клерк Максвелл. Более ста лет назад уравнения Максвелла давали решение каждой электромагнитной проблемы, с которой сталкивался человек. Жаль, что у него не было компьютера, который помог бы ему со всеми вычислениями, необходимыми для решения даже простейших электромагнитных задач. Кстати, именно Оливер Хевисайд свел множество уравнений Максвелла к четырем, которые мы все знаем и любим.

Когда вы покупаете или используете программное обеспечение EM, существует соглашение, которое сообщает вам, сколько из трех основных параметров (X, Y и Z) учитывается при анализе.

2D подразумевает анализ поперечных электромагнитных волн (только в направлениях X и Y), чаще всего для микрополосковых линий передачи. ВЧ-токи не допускаются по оси Z (внутрь или наружу).

2.5D подразумевает, что радиочастотные токи разрешены только в двух направлениях (X и Y), а поля вычисляются во всех трех измерениях (X Y и Z).Вертикальные токи недопустимы. Примеры включают микрополосковые или полосковые фильтры, которые не содержат переходных отверстий для заземления. Примечание. Этот термин также используется для обозначения трехмерных планарных решателей, таких как Sonnet (программный продукт Sonnet) и Momentum (продукт Keysight), хотя все они допускают вертикальные токи.

3D Planar означает, что токи и поля разрешены во всех 3 направлениях, но схемы ограничены слоями диэлектрической среды. Примеры могут включать большинство схем MMIC, RFIC и PCB.Примеры включают Sonnet (программный продукт Sonnet) и Momentum (продукт Keysight).

3D Arbitrary или 3D Full подразумевает, что при моделировании учитываются электромагнитные взаимодействия во всех направлениях. Если вы разработчик антенн, вы можете пропустить все дешевые вещи и сразу перейти к трехмерному анализу. Вот целая страница Microwaves101, посвященная этой теме!

Еще одно различие между 3D Planar и 3D Arbitrary заключается в том, как обрабатываются порты. Для трехмерной плоскости значения портов считываются непосредственно из токов проводников.Для 3D Arbitrary значения портов обычно выводятся из полей в местоположениях портов. Это может иметь значение для точности и даже определения результирующих S-параметров.

Праймер для микроскопии молекулярных выражений: свет и цвет


Природа электромагнитного излучения

Видимый свет - сложное явление, которое классически объясняется с помощью простой модели, основанной на распространяющихся лучах и волновых фронтах, концепции, впервые предложенной в конце 1600-х годов голландским физиком Кристианом Гюйгенсом.Электромагнитное излучение, более крупное семейство волновых явлений, к которым принадлежит видимый свет (также известное как лучистая энергия ), является основным средством транспортировки энергии через обширные пространства Вселенной. Механизмы, с помощью которых видимый свет излучается или поглощается веществами, и то, как он предсказуемо реагирует в различных условиях при перемещении через пространство и атмосферу, составляют основу существования цвета в нашей Вселенной.

Термин электромагнитное излучение , введенный сэром Джеймсом Клерком Максвеллом, происходит от характерных электрических и магнитных свойств, общих для всех форм этой волнообразной энергии, что проявляется в генерации как электрических, так и магнитных колеблющихся полей в виде волн. распространяются в пространстве.Видимый свет представляет собой лишь небольшую часть всего спектра электромагнитного излучения (как показано на рисунке 1), который простирается от высокочастотных космических и гамма-лучей через рентгеновские лучи, ультрафиолетовый свет, инфракрасное излучение и микроволны, вплоть до очень низких. частота длинноволновых радиоволн.

Связь между светом, электричеством и магнетизмом не сразу была очевидна для первых ученых, которые экспериментировали с фундаментальными свойствами света и материи.Инфракрасный свет, выходящий за пределы длинных красных волн видимого света, был первой открытой «невидимой» формой электромагнитного излучения. Британский ученый и астроном Уильям Гершель исследовал связь между теплом и светом с помощью термометра и призмы, когда он обнаружил, что температура была самой высокой в ​​области, находящейся за пределами красной части спектра видимого света. Гершель предположил, что в этой области должен быть другой тип света, который не виден невооруженным глазом.

Ультрафиолетовое излучение, находящееся на другом конце видимого спектра, было обнаружено Вильгельмом Риттером, который был одним из первых ученых, исследовавших энергию, связанную с видимым светом. Наблюдая за скоростью, с которой различные цвета света вызывают потемнение бумаги, пропитанной раствором нитрата серебра, Риттер обнаружил, что другая невидимая форма света за пределами синего конца спектра дает самые высокие показатели.

Интерактивное учебное пособие

Электричество и магнетизм впервые были связаны в 1820 году, когда датский физик Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводу, может вызывать отклонения стрелки компаса.Позже в том же году французский ученый Андр-Мари Ампре продемонстрировал, что два провода, по которым проходят электрические токи, могут притягиваться или отталкиваться друг от друга аналогично тому, как это делают магнитные полюса. В течение следующих нескольких десятилетий дополнительные исследования, последовавшие за этими выводами, дали все больше доказательств того, что электричество и магнетизм очень тесно связаны друг с другом.

Наконец, в 1865 году шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл расширил свою кинетическую теорию газов, чтобы математически объяснить связь между электричеством и магнетизмом.Максвелл предположил, что эти два явления были настолько тесно связаны, что они часто действовали вместе как электромагнетизм , и обнаружил, что переменный ток будет производить волны, состоящие из обоих объектов, которые излучаются в космос со скоростью света. Из этих наблюдений он пришел к выводу, что видимый свет - это форма электромагнитного излучения.

Электромагнитная волна распространяется или распространяется в направлении, которое ориентировано под прямым углом к ​​колебаниям как электрического ( E ), так и магнитного ( B ) векторов осциллирующего поля, передавая энергию от источника излучения к неопределенному Пункт назначения.Два колеблющихся энергетических поля взаимно перпендикулярны (показано на рисунке 2) и колеблются в фазе согласно математической форме синусоидальной волны. Векторы электрического и магнитного поля не только перпендикулярны друг другу, но также перпендикулярны направлению распространения волны. По соглашению и для упрощения иллюстраций векторы, представляющие электрические и магнитные колебательные поля электромагнитных волн, часто опускаются, хотя считается, что они все еще существуют.

Будь то сигнал, передаваемый на радио от радиостанции, тепло, излучаемое от камина, рентгеновские лучи стоматолога, создающие изображения зубов, или видимый и ультрафиолетовый свет, исходящий от солнца, различные категории электромагнитного излучения все они обладают одинаковыми фундаментальными волнообразными свойствами. Каждая категория электромагнитного излучения, включая видимый свет, периодически колеблется с пиками и впадинами (или впадинами) и отображает характеристическую амплитуду , длину волны и частоту , которые вместе определяют направление, энергию и интенсивность. излучения.

Классическая схематическая диаграмма электромагнитной волны, представленная на рисунке 2, иллюстрирует синусоидальную природу колеблющихся векторов электрических и магнитных составляющих при их распространении в пространстве. Для удобства большинство иллюстраций, изображающих электромагнитное излучение, намеренно опускают магнитную составляющую, вместо этого представляя только вектор электрического поля в виде синусоидальной волны на двухмерном графическом графике с заданными координатами x и y .По соглашению, составляющая y синусоидальной волны указывает амплитуду электрического (или магнитного поля), в то время как составляющая x представляет время, пройденное расстояние или фазовое соотношение с другой синусоидальной волной.

Стандартной мерой всего электромагнитного излучения является величина длины волны (в вакууме), которая обычно выражается в единицах нанометров (одна тысячная микрометра) для видимой части спектра.Длина волны определяется как расстояние между двумя последовательными пиками (или впадинами) формы волны (см. Рисунок 2). Соответствующая частота излучаемой волны, которая представляет собой количество синусоидальных циклов (колебаний или полных длин волн), которые проходят заданную точку в секунду, пропорциональна обратной величине длины волны. Таким образом, более длинные волны соответствуют излучению с более низкой частотой, а более короткие длины волн соответствуют излучению с более высокой частотой. Частота обычно выражается в количестве Гц, ( Гц, ) или циклов в секунду ( Гц, ).

Герц был обозначен как стандартная единица частоты электромагнитного излучения в знак признания работы немецкого физика Генриха Герца, которому удалось создать и провести эксперименты с электромагнитными волнами в 1887 году, через восемь лет после смерти Максвелла. Hertz произвел, обнаружил и даже измерил длину волны (приблизительно один метр) излучения, которое теперь классифицируется как радиочастотный диапазон. Дэвид Хьюз, лондонский ученый, который в начале своей карьеры был профессором музыки, возможно, на самом деле был первым исследователем, которому удалось добиться успеха в передаче радиоволн (в 1879 году), но, не сумев убедить Королевское общество, он решил не опубликовать его работу, и она не получила признания до тех пор, пока много лет спустя.

Интерактивное учебное пособие

Различные длины волн и частоты, составляющие различные формы электромагнитного излучения, фундаментально схожи в том, что все они движутся с одинаковой скоростью около 186000 миль в секунду (или примерно 300000 километров в секунду), скорость, обычно известная как скорость света (и обозначенная как символом c ).Электромагнитное излучение (включая видимый свет) проходит 149 миллионов километров (93 миллиона миль) от Солнца до Земли примерно за 8 минут. Напротив, автомобилю, разгоняющемуся со скоростью 100 километров в час (60 миль в час), потребуется 177 лет, чтобы совершить такую ​​же поездку в один конец. Всего за одну секунду свет может семь раз обогнуть Землю.

Длина волны света и всех других форм электромагнитного излучения связана с частотой относительно простым уравнением:

п = с / л

, где c - скорость света (в метрах в секунду), n - частота света в герцах (Гц), а l - длина волны света, измеренная в метрах.Из этого соотношения можно сделать вывод, что длина волны света обратно пропорциональна частоте. Увеличение частоты приводит к пропорциональному уменьшению длины волны света с соответствующим увеличением энергии фотонов, составляющих свет. При входе в новую среду (например, стекло или воду из воздуха) скорость и длина волны света уменьшаются, хотя частота остается неизменной.

В нормальных условиях, путешествуя через однородную среду, такую ​​как воздух или вакуум, свет распространяется по прямым линиям до тех пор, пока взаимодействие с другой средой или материалом не вызовет изменение траектории через рефракцию (изгиб) или отражение .Интенсивность также может быть уменьшена в результате поглощения средой. Если световые волны проходят через узкую щель или апертуру (отверстие), то они могут быть дифрагированными, или рассеянными (рассеянными) с образованием характерной дифракционной картины. В соответствии с хорошо известным законом обратных квадратов , интенсивность (или энергетическая яркость) электромагнитного излучения обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния. Таким образом, после того, как свет прошел вдвое заданное расстояние, его интенсивность падает в четыре раза.

Видимый свет демонстрирует классические волновые свойства, но он также проявляет свойства, напоминающие частицы, которые проявляются через сущности, обладающие энергией и импульсом (но не массой), и называются фотонами . Атом является источником всех форм электромагнитного излучения, видимого или невидимого. Формы излучения более высоких энергий, такие как гамма-волны и рентгеновские лучи, образуются в результате событий, которые нарушают ядерную стабильность атома.Излучение с более низкой энергией, такое как ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный свет, а также радио и микроволны, исходит от электронных облаков, которые окружают ядро, или от взаимодействия одного атома с другим. Эти формы излучения возникают из-за того, что электроны, движущиеся по орбитам вокруг ядра атома, расположены на разных энергетических уровнях в рамках своих функций распределения вероятностей. Многие из электронов могут поглощать дополнительную энергию от внешних источников электромагнитного излучения (см. Рисунок 3), что приводит к их продвижению на изначально нестабильный более высокий энергетический уровень.

В конце концов, «возбужденный» электрон теряет дополнительную энергию из-за испускания электромагнитного излучения более низкой энергии и при этом возвращается к своему исходному и стабильному уровню энергии. Энергия испускаемого излучения равна энергии, которая была первоначально поглощена электроном, за вычетом других небольших количеств энергии, потерянных в результате ряда вторичных процессов.

Уровни энергии электромагнитного излучения могут в значительной степени изменяться в зависимости от энергии исходных электронов или ядер.Например, радиоволны обладают значительно меньшей энергией, чем микроволны, инфракрасные лучи или видимый свет, и все эти волны содержат гораздо меньше энергии, чем ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-волны. Как правило, более высокие энергии электромагнитного излучения связаны с более короткими длинами волн, чем аналогичные формы излучения, имеющие более низкую энергию. Связь между энергией электромагнитной волны и ее частотой выражается уравнением :

E = h n = h c / l

, где E - энергия в килоджоулей на моль, h - постоянная Планка, а другие переменные определены, как обсуждалось ранее.Исходя из этого уравнения, энергия электромагнитной волны прямо пропорциональна ее частоте и обратно пропорциональна длине волны. Таким образом, с увеличением частоты (с соответствующим уменьшением длины волны) энергия электромагнитной волны увеличивается, и наоборот. Отдельные характеристики различных типов электромагнитного излучения, определяемые их длиной волны, частотой и уровнями энергии, будут рассмотрены индивидуально в следующих параграфах.

Хотя электромагнитное излучение обычно описывается длиной волны и частотой формы волны, при рассмотрении того, как волны распространяются в пространстве, важны другие характерные свойства.На рисунке 4 представлены различные формы сигналов, представляющие общие состояния, которые используются для описания степени однородности электромагнитного излучения. Поскольку видимый свет является наиболее часто обсуждаемой формой излучения, примеры, показанные на рисунке 4, представляют длины волн в этой спектральной области. Например, монохроматический свет состоит из волн, имеющих одинаковую длину волны и частоту, или макроскопически один и тот же цвет в видимом свете. Напротив, полихроматический видимый свет обычно выглядит как белый из-за вкладов от смеси всех или большинства длин волн в спектре в диапазоне от 400 до 700 нанометров.

Когда свет неполяризован (рис. 4), векторы электрического поля колеблются во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения. Свет, который был отражен от гладкой поверхности под критическим углом или прошел через поляризационные фильтры, принимает ориентацию с плоской поляризацией , при этом все электрические векторы колеблются в одной плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Свет от солнца и большинство обычных ламп накаливания и флуоресцентных источников видимого света неполяризован, тогда как свет, видимый через поляризационные линзы специальных солнцезащитных очков, поляризован в вертикальном направлении.В некоторых случаях свет может иметь эллиптическую или круговую поляризацию, когда он проходит через материалы, которые имеют более одного показателя преломления ( двулучепреломление или двулучепреломление веществ).

Большинство искусственных и естественных источников света излучают некогерентный свет , который отображает различные фазовые соотношения между длинами волн, присутствующими в спектре (рис. 4). В этом случае пики и спады колебательных состояний в отдельных волнах не совпадают ни в пространстве, ни во времени. Когерентный свет состоит из длин волн, которые находятся в фазе друг с другом, и ведет себя совсем иначе, чем некогерентный свет, в отношении оптических свойств и взаимодействия с веществом. Волновые фронты, создаваемые когерентным светом, имеют электрические и магнитные векторные колебания, которые колеблются в фазе, имеют малые углы расходимости и обычно состоят из монохроматического света или длин волн с узким распределением. Лазеры - распространенный источник когерентного света.

Световые волны, которые имеют коаксиальные, относительно не расходящиеся пути, когда они проходят через пространство, называются коллимированными . Эта организованная форма света не распространяется и не сходится в значительной степени на сравнительно больших расстояниях. Коллимированный свет формирует очень плотный луч, но не обязательно имеет узкую полосу длин волн (и не должен быть монохроматическим), общее фазовое соотношение или определенное состояние поляризации. Волновые фронты коллимированного света плоские и перпендикулярны оси распространения.Напротив, расходящийся, или неколлимированный свет распространяется в разной степени при перемещении в пространстве и должен проходить через линзу или апертуру, чтобы быть коллимированным или сфокусированным.

Гамма-лучи - Высокоэнергетическое излучение с самой высокой частотой (и самой короткой длиной волны), гамма-излучение излучается в результате переходов внутри атомного ядра, включая ядра некоторых радиоактивных материалов (естественных и искусственных). Гамма-волны также возникают в результате ядерных взрывов и множества других источников в космическом пространстве.Эти мощные лучи обладают огромной проникающей способностью и, как сообщается, могут проходить через три метра бетона! Отдельные фотоны гамма-излучения содержат столько энергии, что их легко обнаружить, но чрезвычайно малая длина волны ограничивает экспериментальное наблюдение каких-либо волновых свойств. Гамма-лучи, исходящие из самых горячих регионов Вселенной, включая взрывы сверхновых, нейтронные звезды, пульсары и черные дыры, преодолевают огромные расстояния в космосе, чтобы достичь Земли.Эта высокоэнергетическая форма излучения имеет длины волн менее одной сотой нанометра (10 пикометров), энергию фотонов более 500 килоэлектронвольт ( кэВ, ) и частоты, превышающие 30 эксагерц ( EHz, ).

Воздействие гамма-лучей может вызывать мутации, хромосомные аберрации и даже гибель клеток, что часто наблюдается при некоторых формах радиационного отравления. Однако, контролируя излучение гамма-лучей, радиологи могут перенаправить высокие уровни энергии на борьбу с болезнями и помочь вылечить некоторые формы рака.Гамма-астрономия - относительно новая наука, которая собирает эти высокоэнергетические волны для получения изображений Вселенной, как показано на рисунке 5. Этот метод дает ученым возможность наблюдать далекие небесные явления в поисках новых физических концепций и проверять теории, которые не могут быть опровергнуты экспериментами, проводимыми здесь, на Земле.

Рентгеновские лучи - Электромагнитное излучение, имеющее частоту чуть выше ультрафиолетового (но ниже гамма) диапазона, классифицируется как рентгеновское излучение, и оно достаточно энергично, чтобы легко проходить через многие материалы, в том числе мягкие ткани животных.Высокая глубина проникновения этих мощных волн в сочетании с их способностью экспонировать фотографические эмульсии привели к широкому использованию рентгеновских лучей в медицине для исследования текстур человеческого тела, а в некоторых случаях в качестве терапевтического или хирургического инструмента. Так же, как и гамма-лучи более высоких энергий, неконтролируемое воздействие рентгеновских лучей может привести к мутациям, хромосомным аберрациям и другим формам повреждения клеток. Традиционные методы радиографической визуализации по сути не производят ничего, кроме теней от плотного материала, а не детальных изображений.Однако недавние достижения в технике фокусировки рентгеновских лучей с использованием зеркальной оптики привели к значительно более детальным изображениям различных объектов с использованием рентгеновских телескопов, рентгеновских микроскопов и интерферометров.

Горячие газы в космическом пространстве излучают мощный спектр рентгеновских лучей, которые используются астрономами для получения информации о происхождении и характеристиках межзвездных областей Вселенной. Многие чрезвычайно горячие небесные объекты, включая Солнце, черные дыры и пульсары, излучают в основном в рентгеновской области спектра и являются объектами астрономических рентгеновских исследований.Частотный спектр рентгеновских лучей охватывает очень большой диапазон с самыми короткими длинами волн, приближающимися к диаметру атома. Однако вся спектральная область рентгеновских лучей проходит по шкале длин примерно от 10 нанометров до 10 пикометров. Этот диапазон длин волн делает рентгеновское излучение важным инструментом для геологов и химиков для характеристики структуры и свойств кристаллических материалов, которые имеют периодические структурные особенности в масштабе длины, сравнимом с длинами волн рентгеновского излучения.

Ультрафиолетовый свет - Часто сокращенно ( uv ) ультрафиолетовое излучение распространяется на частотах чуть выше частот фиолетового в спектре видимого света. Хотя низкоэнергетический конец этой спектральной области находится рядом с видимым светом, ультрафиолетовые лучи в верхней части своего частотного диапазона обладают достаточной энергией, чтобы убить живые клетки и вызвать значительное повреждение тканей. Солнце является постоянным источником ультрафиолетового излучения, но атмосфера Земли (в первую очередь молекулы озона) эффективно блокирует большую часть более коротких волн этого потенциально смертельного радиационного потока, тем самым обеспечивая подходящую среду обитания для растений и животных.Энергии фотонов в ультрафиолете достаточно для ионизации атомов ряда молекул газа в атмосфере, и это процесс, посредством которого ионосфера создается и поддерживается. Хотя небольшие дозы этого относительно высокоэнергетического света могут способствовать выработке витамина D в организме и вызывать минимальный загар кожи, слишком большое количество ультрафиолетового излучения может привести к серьезным солнечным ожогам, необратимому повреждению сетчатки и развитию рака кожи.

Ультрафиолетовый свет широко используется в научных инструментах для исследования свойств различных химических и биологических систем, а также он важен для астрономических наблюдений за Солнечной системой, галактикой и другими частями Вселенной.Звезды и другие горячие небесные объекты являются сильными источниками ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовый спектр длин волн находится в диапазоне от примерно 10 до примерно 400 нанометров, а энергия фотонов находится в диапазоне от 3,2 до 100 электрон-вольт ( эВ, ). Эта категория излучения находит применение в обработке воды и пищевых продуктов в качестве антимикробного агента, в качестве фотокатализатора для содержащихся в клетках соединений и используется для упрочнения слепков при лечении. Бактерицидная активность ультрафиолетового света проявляется при длинах волн менее примерно 290 нанометров.Рынок блокирующих и фильтрующих соединений, используемых в лосьонах для кожи, солнцезащитных очках и оттенках окон, направлен на контроль воздействия ультрафиолетового света от солнца.

Некоторые насекомые (особенно пчелы) и птицы обладают достаточной зрительной чувствительностью в ультрафиолетовой области, чтобы реагировать на более длинные волны, и могут полагаться на эту способность в навигации. Чувствительность человека к ультрафиолетовому излучению ограничена из-за поглощения роговицей более коротких длин волн и сильного поглощения в хрусталике глаза на длинах волн более 300 нанометров.

Видимый свет - Цвета радуги, связанные со спектром видимого света, составляют лишь около 2,5% всего электромагнитного спектра и включают фотоны с энергией примерно от 1,6 до 3,2 электрон-вольт. Цвет не является свойством самого света, но восприятие цвета происходит посредством комбинированной реакции сенсорной системы глаз-нерв-мозг человека. Видимая область электромагнитного спектра находится в узкой полосе частот, примерно от 384 до 769 терагерц ( ТГц, ) и воспринимается как цвета от темно-красного (длина волны 780 нанометров) до темно-фиолетового (400 нанометров).

За низкоэнергетическими длинноволновыми красными цветами (622-780 нм) последовательно следуют оранжевый (597-622 нм), желтый (577-597 нм), зеленый (492-577 нм), синий (455- 492 нм), и, наконец, относительно высокоэнергетический коротковолновый фиолетовый (455 нм и ниже). Простой способ запомнить порядок (по возрастанию частоты) цветов в спектре видимого света - это мнемоническое сокращение ROY G BIV ( R ed, O range, Y ellow, G reen , B lue, I ndigo, V iolet,), как учили миллионы школьников в течение почти столетия (хотя некоторые ученые больше не считают индиго подходящим цветом).

Разделение спектра видимого света на цветовые области на основе физических свойств несложно, но способ восприятия цвета не так очевиден. Восприятие цвета является результатом субъективных откликов системы восприятия человека на различные частотные области видимого спектра, и множество различных комбинаций световых частот могут давать один и тот же зрительный отклик "видения" определенного цвета. Люди могут воспринимать зеленый цвет, например, в ответ на комбинацию света нескольких цветов, ни один из которых не обязательно состоит из «зеленых» длин волн.

Видимый свет является основой всего живого на Земле, и его улавливают первичные продуценты или автотрофов , например, зеленые растения. Эти фундаментальные участники биологической пищевой цепи используют солнечный свет в качестве источника энергии для производства собственных продуктов питания и биохимических строительных блоков. В свою очередь автотрофы выделяют кислород, от которого зависят все животные, в качестве побочного продукта.

В 1672 году сэр Исаак Ньютон изучил взаимодействие видимого света со стеклянной призмой и впервые осознал, что белый свет на самом деле представляет собой смесь разных цветов, представляющих весь видимый световой спектр.Белый свет исходит от множества естественных и искусственных источников накаливания, включая солнце, химические реакции (например, огонь) и вольфрамовые нити накаливания. Широкий спектр излучения источников этого типа называют тепловым излучением. Другие источники видимого света, такие как газоразрядные трубки, способны излучать свет в узких, четко определенных частотных диапазонах (представляющих один цвет), которые зависят от конкретных переходов уровней энергии в атомах материала источника.Сильное восприятие отдельных цветов также является результатом определенных характеристик поглощения, отражения или пропускания материалов и объектов, которые освещаются белым светом. Спектр поглощения видимого ультрафиолетового света обычного синтетического красителя Iris Blue B показан на рисунке 6. Растворы этой ярко окрашенной органической молекулы поглощают свет как в видимой, так и в ультрафиолетовой областях спектра, и большинству людей кажется насыщенный, средне-синий цвет.

Инфракрасное излучение - часто сокращенно IR , большая полоса длин волн инфракрасного излучения простирается от дальней красной части спектра видимого света (около 700-780 нанометров) до длины волны около одного миллиметра.При энергии фотонов в диапазоне от приблизительно 1,2 миллиэлектронвольта до чуть менее 1,7 электронвольта, инфракрасные волны имеют соответствующие частоты от 300 гигагерц ( ГГц, ) до приблизительно 400 терагерц ( ТГц, ). Этот тип излучения связан с тепловой областью, где видимый свет не обязательно обнаруживается или даже присутствует. Например, человеческое тело не излучает видимый свет, но испускает слабое инфракрасное излучение, которое ощущается и может быть записано как тепло.Спектр излучения начинается примерно с 3000 нанометров и выходит за пределы дальнего инфракрасного диапазона, достигая максимума примерно на 10000 нанометров.

Молекулы всех объектов, которые существуют при температуре выше абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия), излучают инфракрасные лучи, и количество излучения обычно увеличивается с температурой. Примерно половина электромагнитной энергии солнца излучается в инфракрасной области, и предметы домашнего обихода, такие как обогреватели и лампы, также производят большое количество энергии.Лампы накаливания с вольфрамовой нитью накаливания являются довольно неэффективными источниками света, фактически излучающими больше инфракрасных, чем видимых волн.

Распространенными инструментами, основанными на обнаружении инфракрасного излучения, являются прицелы ночного видения, электронные детекторы, датчики на спутниках и в самолетах, а также астрономические приборы. Так называемые ракеты с тепловым наведением, используемые в вооруженных силах, управляются инфракрасными датчиками. В космическом пространстве инфракрасные волны излучения отображают небесную пыль между звездами, о чем свидетельствуют большие темные пятна, видимые с Земли при просмотре галактики Млечный Путь.В домашнем хозяйстве инфракрасное излучение играет привычную роль в нагревании и сушке одежды, а также позволяет дистанционно управлять гаражными воротами и компонентами домашних развлечений.

Инфракрасная фотография использует преимущества ближнего инфракрасного спектра для записи изображений на специализированную пленку, полезную для судебной экспертизы, дистанционного зондирования (например, аэрофотосъемки посевов и лесов), реставрации красок, спутниковой съемки и приложений для военного наблюдения. Любопытно, что инфракрасные фотографии солнцезащитных очков и других оптических поверхностей, покрытых веществами, блокирующими ультрафиолет и видимый свет, кажутся прозрачными и открывают глаза за, казалось бы, непрозрачными линзами.Инфракрасная фотопленка не регистрирует распределение теплового излучения (тепла), поскольку она недостаточно чувствительна к длинноволновому излучению (дальней инфракрасной области). На Рисунке 7 представлены несколько спутниковых изображений, полученных с помощью инфракрасных датчиков, двух американских городов и горы Везувий в Италии.

Микроволны - В настоящее время это основа широко распространенной технологии, используемой в миллионах домашних хозяйств для нагрева пищи, микроволновые спектральные длины волн находятся в диапазоне приблизительно от одного миллиметра до тридцати сантиметров (или около одного фута).Привлекательность использования микроволн при приготовлении пищи объясняется тем случайным обстоятельством, что молекулы воды, присутствующие в большинстве пищевых продуктов, имеют резонансную частоту вращения в пределах микроволнового диапазона. На частоте 2,45 гигагерца (длина волны 12,2 сантиметра) молекулы воды эффективно поглощают микроволновую энергию и впоследствии рассеивают излучение в виде тепла (инфракрасного). Если для хранения пищи в микроволновой печи используются емкости, состоящие из материалов, не содержащих воды, они будут оставаться прохладными, что значительно повысит удобство приготовления в микроволновой печи.

Интерактивное учебное пособие

Микроволны представляют собой радиоволны самой высокой частоты, излучаемые Землей, зданиями, автомобилями, самолетами и другими крупными объектами. Кроме того, низкоуровневое микроволновое излучение проникает в космос, где предполагается, что оно было выпущено в результате Большого взрыва во время создания Вселенной.Высокочастотные микроволны лежат в основе RADAR , аббревиатуры, обозначающей RA dio D etecting A и R anging, метод передачи и приема, используемый для отслеживания больших объектов и расчета их скорости и расстояния. Астрономы используют внеземное микроволновое излучение для изучения Млечного Пути и других близлежащих галактик. Значительный объем астрономической информации был получен в результате изучения определенной длины волны излучения (21 сантиметр или 1420 мегагерц) незаряженных атомов водорода, которые широко распространены в космосе.

Микроволны также используются для передачи информации с Земли на орбитальные спутники в обширных сетях связи, для передачи информации с наземных станций на большие расстояния и для картографирования местности. Удивительно, но некоторые из первых электромагнитных экспериментов, проведенных Генрихом Герцем, Ягадисом Чандрой Бозом и Гульельмо Маркони (отцом современного радио), проводились с использованием излучения в микроволновом диапазоне или вблизи него. Ранние военные приложения использовали узкую ширину луча и увеличенную полосу модуляции, которые позволяли фокусируемые микроволны, которые было трудно перехватить и которые содержали относительно большие объемы информации.В научном сообществе есть некоторые разногласия по поводу потенциальных рисков для здоровья рака и термического повреждения тканей, связанных с постоянным и кумулятивным воздействием микроволнового излучения от вышек сотовой связи, протекающими микроволновыми печами и актом размещения мобильных телефонов рядом с мозгом во время использования.

Радиоволны - обширная радиочастотная часть электромагнитного спектра включает длины волн от 30 сантиметров до тысяч километров.Излучение в этом диапазоне содержит очень мало энергии, а верхний предел частоты (около 1 гигагерца) приходится на конец диапазона, в котором ограничено радио- и телевещание. На таких низких частотах фотонный (гранулированный) характер излучения не проявляется, и кажется, что волны передают энергию плавно и непрерывно. Не существует теоретического верхнего предела длины волны радиочастотного излучения. Например, низкочастотный (60 Гц) переменный ток, переносимый по линиям электропередач, имеет длину волны около пяти миллионов метров (или около 3000 миль).Радиоволны, используемые для связи, модулируются по одной из двух спецификаций передачи: амплитудно-модулированные волны ( AM ), которые различаются по амплитуде длин волн, и частотно-модулированные ( FM ; см. Рисунок 8) волны, которые меняются в частоте длины волны. Радиоволны играют важную роль в промышленности, связи, медицине и магнитно-резонансной томографии ( MRI ).

Звук и видео в телевидении передаются через атмосферу с помощью более коротких радиоволн с длиной волны меньше метра, которые модулируются для вещания во многом подобно FM-радио.Радиоволны также генерируются звездами в далеких галактиках и могут быть обнаружены астрономами с помощью специальных радиотелескопов. Были обнаружены длинные волны, длиной в несколько миллионов миль, излучающиеся в сторону Земли из глубины космоса. Поскольку сигналы настолько слабые, радиотелескопы часто объединяются в параллельные группы, содержащие большое количество огромных антенных приемников.

Характер связи между частотой (числом колебаний в единицу времени) и длиной волны (длиной каждого колебания) света становится очевидным при изучении широкого диапазона спектра электромагнитного излучения.Очень высокочастотное электромагнитное излучение, такое как гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, включает очень короткие длины волн и значительное количество энергии. С другой стороны, более низкочастотное излучение, включая видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволны, соответственно имеет более длинные волны с более низкими энергиями. Хотя электромагнитный спектр обычно описывается как пересекающий около 24 порядков величины по частоте и длине волны, нет никаких внутренних верхних или нижних границ для длин волн и частот этого непрерывного распределения излучения.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц - Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

Томас Дж. Феллерс и Майкл У. Дэвидсон - Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Ист. Пол Дирак, доктор философии, Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.


НАЗАД НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

НАЗАД К СВЕТУ И ЦВЕТУ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1998-2019, автор - Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения владельцев авторских прав. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми Правовыми положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт поддерживается командой
Graphics & Web Programming Team
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *