Время-токовые характеристики (ВТХ) автоматических выключателей

Здравствуйте, уважаемые читатели и гости сайта «Заметки электрика».

Вы наверное замечали, что на корпусах модульных автоматов изображены латинские буквы: B, C или D. Так вот они обозначают время-токовую характеристику этого автомата, или другими словами, ток мгновенного расцепления.

Согласно ГОСТа Р 50345-99, п.3.5.17 — это наименьшая величина тока, при котором автоматический выключатель сработает (отключится) без выдержки времени, т.е. это его электромагнитная защита.

В этом же ГОСТе Р 50345-99, п.5.3.5, говорится, что всего существует три стандартные характеристики (типы мгновенного расцепления):

• B — электромагнитный расцепитель (ЭР) срабатывает в пределах от 3 до 5-кратного тока от номинального (3·In до 5·In)
• C — (ЭР) срабатывает в пределах от 5 до 10-кратного тока от номинального (5·In до 10·In)
• D — (ЭР) срабатывает в пределах от 10 до 20-кратного тока от номинального (10·In до 20·In, но встречаются иногда и 10·In до 50·In)

In – номинальный ток автоматического выключателя.

Помимо характеристик типа В, С и D, существуют и не стандартные характеристики типа А, К и Z, но о них я расскажу Вам в следующий раз. Чтобы не пропустить выход новых статей, подписывайтесь на рассылку сайта.

Рассмотрим каждый вид характеристики более подробно на примере модульных автоматических выключателей ВМ63-1 серии OptiDin и Optima от производителя КЭАЗ (Курский Электроаппаратный завод).

Время-токовая характеристика типа В

Рассмотрим время-токовую характеристику В на примере автоматических выключателей ВМ63-1 от КЭАЗ. Один автомат с номинальным током 10 (А), а другой — 16 (А).

Обратите внимание, что оба автомата имеют характеристику В, что отчетливо видно по маркировке на их корпусе: В10 и В16.

Для наглядности с помощью, уже известного Вам, испытательного прибора РЕТОМ-21 проверим заявленные характеристики данных автоматов.

Но сначала несколько слов о графике.

Вот график время-токовой характеристики (сокращенно, ВТХ) типа В:

На нем показана зависимость времени отключения автоматического выключателя от протекающего через него тока. Ось Х — это кратность тока в цепи к номинальному току автомата (I/In). Ось У — время срабатывания, в секундах.

Запомните!!! Время-токовые характеристики практически всех автоматов изображаются при температуре +30°С. 

График разделен двумя линиями, которые и определяют разброс времени срабатывания зон теплового и электромагнитного расцепителей автомата. Верхняя линия — это холодное состояние, т.е. без предварительного пропускания тока через автомат, а нижняя линия — это горячее состояние автомата, который только что был в работе или сразу же после его срабатывания.

Пунктирная линия на графике — это верхняя граница (предел) для автоматов с номинальным током менее 32 (А).

1. Токи условного нерасцепления (1,13·In)

У каждого автомата есть такое понятие, как «условный ток нерасцепления» и он всегда равен 1,13·In. При таком токе автомат не отключится в течение 1 часа (для автоматов с номинальным током менее 63А) и в течение 2 часов (для автоматов с номинальным током более 63А).

Точку условного нерасцепления автомата (1,13·In) всегда отображают на графике. Если провести прямую, то видно, что прямая уходит как бы в бесконечность и с нижней линией графика пересекается в точке 60-120 минут.

Например, автомат с номинальным током 10 (А). При протекании через него тока 1,13·In = 11,3 (А) его тепловой расцепитель не сработает в течение 1 часа.

Еще пример, автомат с номинальным током 16 (А). При протекании через него тока 1,13·In = 18,08 (А) его тепловой расцепитель не сработает в течение 1 часа.

Вот значения «токов условного нерасцепления» для различных номиналов:

• 10 (А) — 11,3 (А)
• 16 (А) — 18,08 (А)
• 20 (А) — 22,6 (А)
• 25 (А) — 28,25 (А)
• 32 (А) — 36,16 (А)
• 40 (А) — 45,2 (А)
• 50 (А) — 56,5 (А)

2. Токи условного расцепления (1,45·In)

Есть еще понятие, как «условный ток расцепления» автомата и он всегда равен 1,45·In. При таком токе автомат отключится за время не более 1 часа (для автоматов с номинальным током менее 63А) и за время не более 2 часов (для автоматов с номинальным током более 63А).

Кстати, точку условного расцепления автомата (1,45·In) практически всегда отображают на графике. Если провести прямую, то видно, что прямая пересекает график в двух точках: нижнюю линию в точке 40 секунд, а верхнюю — в точке 60-120 минут (в зависимости от номинала автомата).

Таким образом, автомат с номинальным током 10 (А) в течение часа, не отключаясь, может держать нагрузку порядка 14,5 (А), а автомат с номинальным током 16 (А) — порядка 23,2 (А). Но это при условии, что автоматы изначально были в холодном состоянии, в ином случае время их отключения будет находиться в пределах от 40 секунд до одного часа.

Вот значения «токов условного расцепления» для различных номиналов:

• 10 (А) — 14,5 (А)
• 16 (А) — 23,2 (А)
• 20 (А) — 29 (А)
• 25 (А) — 36,25 (А)
• 32 (А) — 46,4 (А)
• 40 (А) — 58(А)
• 50 (А) — 72,5 (А)

Вот об этом не стоит забывать при выборе сечения проводов и кабелей для электропроводки (вот Вам таблица в помощь).

Вот представьте себе, что кабель сечением 2,5 кв.мм Вы защищаете автоматом на 20 (А). Вдруг по некоторым причинам Вы перегрузили линию до 29 (А). Автомат 20 (А) может не отключаться в течение целого часа, а по кабелю будет идти ток, который в значительной мере превышает его длительно-допустимый ток (25 А). За это время кабель сильно нагреется и расплавится, что может привести к пожару или короткому замыканию. А если еще учесть то, что в последнее время производители кабельной продукции преднамеренно занижают сечения жил, то ситуация тем более усугубляется.

В принципе, выбор номиналов автоматических выключателей это отдельная тема для статьи. Я лишь привел здесь одну из наиболее распространенных ошибок. Если интересно, то почитайте мою статью, где я подробно разбирал ошибки одного горе-электрика и переделывал за ним его «творчество».

Лично я рекомендую защищать кабели следующим образом:

• 1,5 кв.мм — защищаем автоматом на 10 (А)
• 2,5 кв. мм —  защищаем автоматом на 16 (А)
• 4 кв.мм —  защищаем автоматом на 20 (А) и 25 (А)
• 6 кв.мм —  защищаем автоматом на 25 (А) и 32 (А)
• 10 кв.мм — защищаем автоматом 40 (А)
• 16 кв.мм — защищаем автоматом 50 (А)

Для удобства все данные я свел в одну таблицу:

Проверить рассмотренные автоматы на токи условного нерасцепления и условного расцепления у меня нет времени, поэтому перейдем к их дальнейшей проверке — это форсированный режим проверки при токе, равном 2,55·In.

3. Проверка теплового расцепителя при токе 2,55·In

Согласно ГОСТа Р 50345-99, п.9.10.1.2 и таблицы №6, если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 2,55·In, то он должен отключиться за время не менее 1 секунды из горячего состояния и не более 60 секунд из холодного состояния (для автоматов с номинальным током менее 32А) и не более 120 секунд из холодного состояния (для автоматов с номинальным током более 32А).

На графике ниже Вы можете видеть, что нижний предел по отключению взят с небольшим запасом, т.е. не 1 секунду, а 4 секунды. На то есть право у производителей автоматов. Вот поэтому они всегда к каждому автомату прикладывают свою ВТХ, которая, естественно, что удовлетворяет всем требованиям ГОСТа Р 50345-99.

Проверим!

Автомат ВМ63-1 от КЭАЗ с номинальным током 10 (А) при токе 25,5 (А) должен отключиться за время не менее 1 секунды из горячего состояния и не более 60 секунд из холодного состояния.

Первый раз автомат отключился за время 14,41 (сек.), а второй раз — 11,91 (сек.).

Автомат ВМ63-1 от КЭАЗ с номинальным током 16 (А) при токе 40,8 (А) должен отключиться за время не менее 1 секунды из горячего состояния и не более 60 секунд из холодного состояния.

Первый раз автомат отключился за время 13,51 (сек.), а второй раз — 7,89 (сек.).

Дополнительно можно проверить тепловой расцепитель, например, при двухкратном токе от номинального, но в рамках данной статьи я этого делать не буду. На сайте имеется уже достаточно статей про прогрузку различных автоматических выключателей, как бытового, так и промышленного исполнения. Вот знакомьтесь:

4. Проверка электромагнитного расцепителя при токе 3·In

Согласно ГОСТа Р 50345-99, п.9.10.2.1 и таблицы №6, если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 3·In, то он должен отключиться за время не менее 0,1 секунды. Верхний предел по времени ГОСТом Р 50345-99 не определен, и у автоматов разных производителей здесь может наблюдаться не большой разброс в пределах от 1 до 10 секунд.

Странно, конечно, ведь речь идет об электромагнитном расцепителе и он должен срабатывать без выдержки времени. Но тем не менее, при токе 3·In электромагнитный расцепитель еще не срабатывает и по факту автомат отключается от теплового расцепителя. Вот именно поэтому измеренное значение петли фаза-ноль

сравнивают с током не 3·In, а с 5·In, учитывая коэффициент 1,1.

Автомат ВМ63-1 от КЭАЗ с номинальным током 10 (А) при токе 30 (А) должен отключиться за время не менее 0,1 секунды.

Первый раз автомат отключился за время 8,71 (сек.), а второй раз — 8,11 (сек.).

Автомат ВМ63-1 от КЭАЗ с номинальным током 16 (А) при токе 48 (А) должен отключиться за время не менее 0,1 секунды.

Первый раз автомат отключился за время 8,16 (сек.), а второй раз — 6,25 (сек.).

5. Проверка электромагнитного расцепителя при токе 5·In

Согласно ГОСТа Р 50345-99, п.9.10.2.1 и таблицы №6, если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 5·In, то он должен отключиться за время менее 0,1 секунды.

Автомат ВМ63-1 от КЭАЗ с номинальным током 10 (А) при токе 50 (А) должен отключиться за время менее 0,1 секунды.

Первый раз автомат отключился за время 7,8 (мсек.), а второй раз — 7,7 (мсек.).

Автомат ВМ63-1 от КЭАЗ с номинальным током 16 (А) при токе 80 (А) должен отключиться за время менее 0,1 секунды.

Первый раз автомат отключился за время 8,5 (мсек.), а второй раз — 8,4 (мсек. ).

Как видите, оба автомата полностью соответствуют требованиям ГОСТа Р 50345-99 и заявленным характеристикам завода-изготовителя КЭАЗ.

Кому интересно, как проходила прогрузка автоматов, то смотрите видеоролик:

Автоматы с характеристикой В применяются для защиты распределительных и групповых цепей с большими длинами кабелей и малыми токами короткого замыкания преимущественно с активной нагрузкой, например, электрические печи, электрические нагреватели, цепи освещения.

Но почему-то в магазинах их количество всегда ограничено, т.к. по мнению продавцов наиболее распространенными являются автоматы с характеристикой С. С чего это вдруг?! Вполне логично и целесообразно для групповых линий цепей освещения и розеток применять именно автоматы с характеристикой типа В, а в качестве вводного автомата устанавливать автомат с характеристикой С (это один из вариантов). Так хоть каким-то образом будет соблюдена селективность, и при коротком замыкании где-нибудь в линии вместе с отходящим автоматом не будет отключаться вводной автомат и «гасить» всю квартиру. Но о селективности я еще расскажу Вам более подробно в другой раз.

Время-токовая характеристика типа С

Вот ее график:

Автоматы с характеристикой С применяются в основном для защиты трансформаторов и двигателей с малыми пусковыми токами. Также их можно использовать для питания цепей освещения. Нашли они достаточно широкое распространение в жилом фонде, хотя свое мнение об этом я высказал чуть выше.

Внимание! Более подробнее про время-токовую характеристику С читайте в моей отдельной статье.

Время-токовая характеристика типа D

График:

По графику видно следующее:

1. Токи условного нерасцепления (1,13·In) и токи условного расцепления (1,45·In), но о них я расскажу чуть ниже.

2. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 2,55·In, то он должен отключиться за время не менее 1 секунды в горячем состоянии и не более 60 секунд в холодном состоянии (для автоматов с номинальным током менее 32А) и не более 120 секунд в холодном состоянии (для автоматов с номинальным током более 32А).

3. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 10·In, то он должен отключиться за время не менее 0,1 секунды.

4. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 20·In, то он должен отключиться за время менее 0,1 секунды.

Автоматы с характеристикой D применяются в основном для защиты электрических двигателей с частыми запусками или значительными пусковыми токами (тяжелый пуск).

Изменение характеристик расцепления автоматов

Как я уже говорил в начале статьи, все характеристики изображаются при температуре окружающего воздуха +30°С. Поэтому, чтобы узнать время отключения автоматов при других температурах, необходимо учитывать следующие поправочные коэффициенты:

1. Температурный коэффициент окружающего воздуха — Кt.

Думаю тут все понятно из графика. Чем ниже температура воздуха, тем значение коэффициента больше, а значит и увеличивается номинальный ток автомата, другими словами, его нагрузочная способность. Или, наоборот, чем жарче, тем нагрузочная способность автомата становится меньше. Ведь не зря, в жарких помещениях или летнюю жару многие замечают частые отключения автоматов, хотя нагрузка вовсе не изменялась. Ответ кроется в этом графике.

2. Коэффициент, учитывающий количество рядом установленных автоматов — Кn.

Здесь тоже никаких премудростей нет. Когда в одном ряду установлено несколько автоматов, то они передают свое тепло рядом стоящим автоматам. Этот график учитывает конвекцию тепла и выдает корректирующий коэффициент, учитывающий этот фактор.

Логика проста. Чем больше в ряду автоматов, тем больше уменьшается их нагрузочная способность.

Далее необходимо найти ток, приведенный к условиям нашего окружающего воздуха и монтажа:

In* = In · Кt · Кn

Как эти два коэффициента применить на практике?

Для этого рассмотрим пример. Щиток стоит на улице, в нем установлены 4 автомата — один вводной (ВА47-29 С40) и три групповых (ВА47-29 С16). Температура окружающего воздуха составляет -10°С.

Найдем поправочные коэффициенты для группового автомата ВА47-29 С16:

Найдем ток, приведенный к нашим условиям:

In* = In · Кt · Кn = 16 · 1,1  · 0,82 = 14,43 (А)

Таким образом, при определении времени срабатывания автомата по характеристике С кратность тока нужно брать не как отношение I/In (I/16), а как I/In* (I/14,43).

Заключение

Все вышесказанное в данной статье я представлю в виде общей таблицы (можете смело копировать ее и пользоваться):

Если Вы заметили, то разницей между время-токовыми характеристиками В, С и D являются только значения срабатывания электромагнитного расцепителя. По тепловой защите они работают в одних интервалах времени.

P.S. Надеюсь, что после прочтения данной статьи Вы сможете самостоятельно определять пределы времени срабатывания любых автоматических выключателей, а также правильно рассчитывать сечения проводов под номиналы автоматов.

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:

Как не оконфузиться при выборе автоматического выключателя / Хабр

Краткая заметка по поводу выбора автоматических выключателей. Искренне надеюсь, что читатель не узнает для себя ничего нового.

У поста есть видеоверсия на моем ютуб канале. Реалии времени заставляют меня делать еще и видео:

Определимся с целью

Для начала нужно определиться — для чего нам автоматический выключатель в электрощите. Задача автоматического выключателя — прежде всего защитить стационарную кабельную линию от протекания токов свыше предельно допустимых. Если ток превышен — то проводники нагреваются, с плавлением и разрушением изоляции или расплавлением самих проводников. И если не случится пожара, то случится дорогостоящий ремонт, с работами по замене замурованной в стенах электропроводки. А ток может быть превышен, если к линии подключили слишком много потребителей (происходит перегрузка) или если происходит короткое замыкание.   Неправильный выбор характеристик автоматического выключателя — путь к дорогостоящему ремонту, а при особенной везучести — к пожару.

Номинальный ток

Поняв, что автоматический выключатель должен защитить кабельную линию от протекания тока свыше допустимого, мы должны понять, какой же ток допустимый. Чаще всего ссылаются на вот эту табличку из ПУЭ (таблица 1.3.4):

Но, на мой субъективный взгляд, у этой таблички есть существенный недостаток, и он указан в источнике — эта табличка составлена для окружающей температуры +25, температуры земли +15 и температуры жилы (!!!) +65. Длительная работа изоляции при повышенной температуре ускоряет процесс старения полимеров, поэтому мое личное мнение — указанные в таблице цифры стоит уменьшить хотя бы на 1/4. Если кабель проложен таким образом, что его охлаждение затруднено, то предельно допустимый рабочий ток также уменьшают. Например если кабель расположен в пучке с другими кабелями или под слоем теплоизоляции.

И вот в этом месте подходим к самой неочевидной вещи. В таблице указаны предельно допустимые токи, а на автоматических выключателях указан номинальный ток. Номинальный ток автоматического выключателя, указанный  на нем — это ток, который может длительно проходить через автоматический выключатель и не вызывать его отключения. Для определения тока отключения заглянем в документацию, в график время-токовых характеристик:

Но это график конкретного экземпляра автоматического выключателя. В реальном мире, у автоматических выключателей есть разброс характеристик, даже у выключателей взятых из одной коробки. Поэтому на графике изображена область, в которой  окажется характеристика случайно взятого автоматического выключателя.

В результате, если взять определенный ток, то мы получим диапазон значений времени, за которое сработает автоматический выключатель. От и до, как например вот здесь:

Думаю  очевидно, что в расчетах стоит полагать, что нам попался самый плохой экземпляр, и берется самое худшее значение.

В автоматическом выключателе есть два расцепителя — тепловой, который достаточно точный, но медленный, и электромагнитный — очень быстрый, но неточный.  (В посте (https://serkov.su/blog/?p=5563) я разбирал, как к такому пришли, и почему лучше пока ничего не придумали.) В итоге получается нелинейная зависимость времени срабатывания от протекающего тока. Для наглядности возьмем автоматический выключатель, на котором указан номинальный ток 16А. При перегрузке будет работать тепловой расцепитель:

До тока в 1,13 от номинального, расцепления совсем  не произойдет (16*1,13=18,08А)

При токе в 1,45 от номинального тепловой расцепитель сработает, но за время менее 1 часа (!). (16*1,45=23,2А)

При токе в 2,55 от номинального тепловой расцепитель сработает за время менее 60 сек. (16*2,55= 40А)

При превышении тока еще сильнее — сработает электромагнитный расцепитель, но об этом чуть позже.

Все это становится понятнее, если взглянуть на график:

Откуда взялись эти магические цифры? Из стандарта (у нас в стране — ГОСТ 60898-1-220). Просто разработчики условились, что разброс параметров срабатывания расцепителей должны быть в этих пределах. Причем скорее всего взяли просто две удобные точки времени — 1 час и 1 минута, и воспользовались статистическими данными, чтобы получить кратности номинального тока.

Ну и чтобы совсем жизнь мёдом не казалась, стоит добавить, что в зависимости от температуры окружающей среды применяют коэффициенты. На жаре тепловой расцепитель прогревается и срабатывает быстрее, а вот на морозе наоборот.

А теперь сценарий везунчика по жизни. В частный дом заходит кабель, сечением 1,5 мм2. Щиток с автоматическим выключателем находится в холодном предбаннике, когда на улице мороз -35. Кабель от щитка идет через стену под слоем утеплителя. Автоматический выключатель на 16А почти час (!) будет пропускать ток в (16*1,45*1,25(поправочный на температуру, рис.4) = 29А. При 19А по табличке из ПУЭ у нас жилы будут горячими — +65С, а под слоем утеплителя изоляция уже начнет плавиться.

Еще раз резюмирую: Номинальный ток автоматического выключателя НЕ РАВЕН предельно допустимому току кабеля. Предельный ток кабеля должен вызывать отключение автоматического выключателя в адекватное время.

Тип электромагнитного расцепителя

Тепловой расцепитель медленный, что плохо при коротком замыкании — токи могут быть огромными, и даже за одну секунду могут наделать бед. Поэтому в конструкцию автоматического выключателя добавили электромагнитный расцепитель, который срабатывает за доли секунды. Но он настроен на ток в разы превышающий номинальный.

Дело в том, что некоторые виды потребителей при включении потребляют ток в разы, превышающий ток в рабочем режиме. Например мотор в пылесосе в момент включения кратковременно потребляет ток в 2-3 раза больший, но после разгона мотора, потребление снижается. Возможно вы замечали, как лампочки накаливания слегка притухают в момент включения чего-то как раз из-за этого. Вот график потребления тока мотора пылесоса:

Чтобы эти пусковые токи не заставляли сработать электромагнитный расцепитель, его характеристику сдвинули в зону бОльших токов, что бы такие кратковременные превышения тока были в зоне теплового расцепителя, который в силу своей инерционности такие краткосрочные процессы не замечает.

В итоге получилась линейка автоматических выключателей с одинаковыми тепловыми расцепителями, но с разными электромагнитными. Из-за огромного разброса параметров электромагнитных расцепителей — получились большие разбросы кратности тока срабатывания:

Характеристика В — электромагнитный расцепитель сработает при превышении тока в 3-5 раз

Характеристика С — электромагнитный расцепитель сработает при превышении тока в 5-10 раз

Характеристика D — электромагнитный расцепитель сработает при превышении тока в 10-20 раз

Вот они на графике:

Есть и другие характеристики (K, Z и т.д) но встречаются крайне редко и под заказ, поэтому опустим их.

Если по какой-то причине стартовые токи кратковременно попадут в зону действия электромагнитного расцепителя то возможны ложные срабатывания. И именно для исключения таких ложных срабатываний и сделали несколько типов характеристик.

Некоторые производители для упрощения указывают стартовые токи, вот например светодиодный драйвер уважаемой фирмы при включении кушает солидные 55А (из-за зарядки конденсатора в блоке питания), производитель даже сразу посчитал, сколько светодиодных драйверов можно подключить параллельно на один автоматический выключатель:

4 штуки с характеристикой В и 7 штук на автомат с характеристикой С. Кто бы мог подумать, что 150 ватт светодиодного света могут вышибать 16А автомат! Ситуация становится еще хуже, если используются некачественные светодиодные светильники,  где производитель не только не  предусмотрел плавный старт, да даже пусковой ток не регламентирует!

Если используется большое количество светодиодных светильников — то придется делить их на группы, чтобы одновременный пуск не вызывал срабатывание автоматического выключателя. Пытливый читатель задастся вопросом — а почему бы не взять просто автоматический выключатель  с характеристикой «C» или «D»? Тогда бы пусковые токи не вызывали бы ложных срабатываний! Но не все так просто….

Ток короткого замыкания

Можно иногда услышать выражение «сопротивление цепи фаза-нуль», оно по сути про то же. Ток короткого замыкания — это величина тока в цепи, в случае если из-за повреждения случается короткое замыкание (прямое соединение фазного проводника и нейтрального, или соединение фазного и заземления) в самом дальнем участке. В идеальном мире с идеальными проводниками ток короткого замыкания был бы бесконечным. Но в реальном мире кабели имеют собственное сопротивление, и чем они длиннее  тоньше — тем выше их собственное сопротивление. При обычной работе это не так важно — их собственное сопротивление много меньше сопротивления нагрузки. Но если случится короткое замыкание, ток будет ограничен именно этим собственным сопротивлением всех проводников в цепи + внутреннее сопротивление источника тока.

А теперь смотрим. В деревне Вилларибо измеренный ток короткого замыкания линии 278 Ампер, и электрик поставил автоматический выключатель С16:

Как видим все отлично — при коротком замыкании тока будет достаточно, чтобы электромагнитный расцепитель сработал. А вот в деревне Вилабаджо очень плохая проводка, и ток короткого замыкания всего 124 А. Смотрим на график:

В самом худшем случае, электромагнитный расцепитель типа «С» сработает при токе в 10 раз больше номинального (16*10=160А). А значит при 124А возможна ситуация, когда электромагнитный расцепитель при коротком замыкании не сработает, а пока тепловой расцепитель успеет сработать — по линии будет гулять ток в 124А, что может закончиться плохо. В таком случае деревне Вилабаджо нужно или менять проводку, чтобы уменьшить потери, или использовать автоматический выключатель типа В16, у которого электромагнитный расцепитель сработает в худшем случае при токе 5*16=80А. Теперь вы понимаете, почему характеристика типа D (10-20 *Iном) в некоторых случаях изощренный способ стрелять себе в ногу?

Как же определить ток короткого замыкания? Для  проектируемых линий его можно расчитать — длина кабеля известна, сечение тоже. Для линий уже находящихся в эксплуатации — только измерять, поскольку никто не знает, на что пришлось пойти электрикам при ремонте поврежденных участков.

Для определения тока короткого замыкания есть специальные приборы. Показывать современные не интересно, поэтому покажу суровый советский олдскул, который есть у меня. М-417 измеряет сопротивление цепи путем измерения падения напряжения на известном сопротивлении, а ток короткого замыкания необходимо рассчитывать:

Щ41160, творение сумрачного советского гения.   Устраивает короткое замыкание на доли секунды и измеряет ток непосредственно. В коричневой коробочке на проводе — предохранитель на 100А.:

Как правило, ток короткого замыкания измеряют при введении линии в эксплуатацию, и планово, раз в несколько лет. Только после измерения тока короткого замыкания можно сказать, правильно ли подобрана защита.

Ток короткого замыкания равен …Oh shi….

Если ток короткого замыкания будет черезчур большим? Вот тут мы сталкиваемся с отключающей способностью автоматического выключателя.  В момент размыкания контактов выключателя загорается электрическая дуга, которая сама по себе проводит ток и гаснет неохотно. Для ее принудительного разрушения в конструкции автоматических выключателей предусмотрены дугогасительные камеры. Вот здесь на высокоскоростной съемке видно как работает дугогасительная камера:

На автоматическом выключателе в прямоугольной рамке нанесена величина  отключающей способности в амперах — это максимальный ток, который способен разомкнуть автоматический выключатель без поломки. Вот на фото автоматические выключатели с отключающей способностью в 3000, 4500, 6000 и 10000 А:

Для наглядности я их разобрал. Большая отключающая способность заставляет не только делать дугогасительные камеры больше, но и усиливать другие конструктивные части, например защиту от прогара вбок.

Отключающая способность автоматического выключателя должна быть больше тока короткого замыкания в линии. Как правило, 6000 А достаточно для большинства применений. 4500А обычно достаточно для работы в линиях старых домов, но может быть недостаточным в новых сетях.

Коммутационная стойкость

При каждом включении/отключении автомата меж контактов загорается дуга, которая постепенно разрушает контактную группу. Производитель часто указывает количество циклов включения/отключения, который должны выдержать контакты:

Отсюда легко видеть, что автоматический выключатель не замена нормальному выключателю при частом использовании. Если пожадничать, и вместо пускателя с контактором  заставить сотрудника включать/отключать мешалку дергая автомат по 10 раз в  день, то автомат может прийти в негодность менее чем за пару лет. Вот фото автоматического выключателя, контакты которого пришли в негодность из-за большого тока:

Помните, каждая коммутация и срабатывание автоматического выключателя «съедает» его ресурс.

Класс токоограничения

Наверное самая мистическая характеристика. Указывается в виде цифры в квадратике. Про нее в рунете написано мало и чаще ерунда. Класс токоограничения, если упрощать, говорит о количестве электричества, которое успеет пройти через автоматический выключатель при коротком замыкании прежде, чем он отключит цепь, и  говорит о быстродействии. Всего классов три:

Что интересно, отечественными стандартами класс токоограничения не регламентируется, поэтому на картинке выше нет кириллицы. Цифры в таблице — это величина интеграла Джоуля. Отечественные производители указывают класс просто потому что «так принято», а не того требуют отечественные стандарты 🙂  В быту на данный параметр можно не обращать внимание — классы хуже третьего встречаются в продаже не часто.

Селективность

Вам бы не хотелось, чтобы при перегрузке или коротком замыкании срабатывал автоматический выключатель где-то на столбе у ввода в дом. При последовательном соединении автоматов защиты, подбором их характеристик можно добиться селективности — свойству срабатывать защите ближайшей  к повреждению, без срабатывания вышестоящей. И у меня две новости.

Хорошая — можно воспользоваться специальными таблицами, которые есть у многих производителей, и подобрать пары автоматических выключателей, которые при перегрузке будут обеспечивать селективность. На графике это видно как непересекающиеся графики работы  расцепителей:

Но по графику вы могли понять, что плохая новость — обеспечить полную селективность автоматических выключателей при коротком замыкании затруднительно. Кривые пересекаются в области больших токов. Поэтому чаще всего речь о частичной селективности. Например, если синий график — автомат В10, а фиолетовый В40, то ток селективности составит 120А (значение взято из таблиц одного производителя для конкретной модели автоматов). Тоесть при токах меньше тока селективности — все отлично. При токах больше — сработать могут оба устройства защиты.

В бытовой серии модульных автоматических выключателей обеспечивать селективность, даже частичную, довольно трудно. Лишь большие и мощные устройства защиты, например на подстанциях, имеют тонкие настройки уставок расцепителей для обеспечения селективности с вышестоящими устройствами защиты.

Да скажи уже что ставить!?

Прежде всего то, что предусмотрено проектом.

Ну а если уж совсем среднестатистический случай с кучей оговорок, то:

Линия 1,5 мм2 — Автомат В10 с отключающей способностью 6000А

Линия 2,5 мм2 — Автомат В16 с отключающей способностью 6000А

Применение автоматического выключателя с характеристикой «C» или «D» вместо «B» должно иметь вескую причину.

Плюшки

Автоматические выключатели разных производителей могут содержать разные приятности/полезности, которые напрямую на защитные функции не влияют, но могут быть полезны:

Это различные шторки/колпачки/крышечки для пломбирования вводного автомата по требованию электросетевой компании.

Это визуальный индикатор фактического состояния контактов, такой индикатор останется красным, если контакты из-за перегрузки сварились

Это окошки для дополнительных нашлепок с электромагнитными расцепителями, контактами

Это дополнительное окошко у клемм для использования гребенки при подключении

и прочее и прочее.

Резюме

1. Номинальный ток автоматического выключателя не равен предельно допустимому для кабеля!  В силу особенностей конструкции автоматический выключатель может длительное время пропускать через себя токи значительно больше номинальных и не отключаться.

2. Разные типы электромагнитных расцепителей позволяют избежать ложных срабатываний, но использовать тип С, и в особенности тип D нужно понимая что к чему.

3. Если ток короткого замыкания в вашей линии мал — то использование автоматического выключателя требует вдумчивого подхода.

4. Если ток короткого замыкания в вашей линии огромен, то отключающая способность автоматического выключателя должна быть еще больше.

5. А чтобы знать ток короткого замыкания, его нужно измерить специализированным прибором. И только после измерения можно сказать, будет ли правильно работать  защита

Хочу сказать спасибо всем, кто принимал участие в рецензировании черновика. Буду рад указаниям на фактические ошибки в статье и ценным дополнениям.

характеристики срабатывания автоматов

3.3.3. Трудовая функция / КонсультантПлюс

Электромагнитное излучение (ЭМ-излучение или ЭМИ) представляет собой форму лучистой энергии, высвобождаемой в результате определенных электромагнитных процессов. Видимый свет — это один из видов электромагнитного излучения, другие известные формы — это невидимые электромагнитные излучения, такие как рентгеновские лучи и радиоволны.

Классически ЭМИ состоит из электромагнитных волн, которые представляют собой синхронизированные колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся со скоростью света.Колебания двух полей перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения энергии и волны, образуя поперечную волну. Электромагнитные волны можно охарактеризовать либо частотой, либо длиной волны их колебаний для формирования электромагнитного спектра, который включает в себя в порядке увеличения частоты и убывания длины волны: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма лучи.

Электромагнитные волны возникают всякий раз, когда заряженные частицы ускоряются, и эти волны впоследствии могут взаимодействовать с любыми заряженными частицами. Электромагнитные волны уносят энергию, импульс и угловой момент от частицы-источника и могут сообщать эти величины материи, с которой они взаимодействуют. Электромагнитные волны не имеют массы, но на них все еще действует гравитация. Электромагнитное излучение связано с теми электромагнитными волнами, которые могут свободно распространяться («излучать») без продолжающегося влияния породивших их движущихся зарядов, поскольку они достигли достаточного расстояния от этих зарядов. Поэтому ЭМИ иногда называют дальним полем.На этом жаргоне ближнее поле относится к электромагнитным полям вблизи зарядов и токов, которые непосредственно их произвели, как (например) с простыми магнитами, явлениями электромагнитной индукции и статического электричества.

В квантовой теории электромагнетизма ЭМИ состоит из фотонов, элементарных частиц, ответственных за все электромагнитные взаимодействия. Квантовые эффекты обеспечивают дополнительные источники ЭМИ, такие как переход электронов на более низкие энергетические уровни в атоме и излучение черного тела. Энергия отдельного фотона квантуется и больше для фотонов более высокой частоты. Это соотношение задается уравнением Планка E=h, где E — энергия, приходящаяся на фотон, — частота фотона, а h — постоянная Планка. Например, один фотон гамма-излучения может нести примерно в 100 000 раз больше энергии, чем один фотон видимого света.

Воздействие ЭМИ на биологические системы (а также на многие другие химические системы при стандартных условиях) зависит как от мощности излучения, так и от его частоты.Для ЭМИ видимых частот или ниже (т. е. радио, микроволнового, инфракрасного) повреждение, наносимое клеткам и другим материалам, определяется в основном мощностью и вызывается главным образом эффектами нагрева от комбинированного переноса энергии многих фотонов. Напротив, для ультрафиолетовых и более высоких частот (т. е. рентгеновских лучей и гамма-лучей) химические материалы и живые клетки могут быть повреждены в большей степени, чем простое нагревание, поскольку отдельные фотоны такой высокой частоты обладают достаточной энергией, чтобы вызвать прямое молекулярное повреждение. .

Электромагнитные волны, составляющие электромагнитное излучение, можно представить как самораспространяющуюся поперечную колебательную волну электрического и магнитного полей. На этой диаграмме показана плоская линейно поляризованная волна ЭМИ, распространяющаяся слева направо. Электрическое поле находится в вертикальной плоскости, а магнитное поле в горизонтальной плоскости. Электрические и магнитные поля в ЭМИ-волнах всегда совпадают по фазе и находятся под углом 90 градусов друг к другу.

Из Википедии, свободной энциклопедии

Различные виды электромагнитного излучения

Позволяет увидеть или поговорить с любимым человеком в другом уголке мира, а иногда жарит из космоса — это электромагнитное излучение.Это действительно классная вещь. Итак, давайте посмотрим на все виды электромагнитного излучения и почему все они, по сути, одно и то же.

Изображение предоставлено Джорджем Джеймсом.

Когда заряженные частицы в форме атомов (ионов) или элементарных частиц (электронов или протонов) получают достаточно энергии, чтобы двигаться и взаимодействовать с себе подобными, они начинают создавать магнитные и электрические поля. Взаимодействие между этими двумя типами полей порождает (вы никогда не догадаетесь) электромагнитные явления.И это очень хорошие новости: электромагнетизм (ЭМ) — одна из фундаментальных сил в природе, совокупность четырех законов природы, которые взяли на себя ответственность после Большого взрыва и сформировали нашу Вселенную такой, какая она есть сегодня.

Одним из особенно интересных кусочков электромагнитного пирога является электромагнитное излучение. Эти явления в настоящее время являются бесспорным рекордом самых быстрых вещей в истории. Итак, давайте посмотрим на них, начиная с:

Основы

Фотоны, вероятно, наиболее известны своей ролью частиц, «переносящих» свет, но это только часть их работы.Эти элементарные частицы являются носителями энергии для нескольких других видов волн, которые вместе образуют спектр электромагнитного излучения (ЭМИ). Как и любой тип волны (да, волны на воде в том числе), они частично характеризуются длиной волны и частотой. В порядке увеличения частоты/уменьшения длины волны они могут быть:

• радиоволны
• микроволновые печи
• инфракрасное излучение
• видимый свет
• ультрафиолетовое излучение
• Рентген
• гамма-лучи

На первый взгляд могут показаться, что это совершенно разные вещи.Например, рентгеновские лучи можно использовать для просмотра кожи с по , а ультрафиолет дает вам загар и ожог кожи, если вы не используете солнцезащитный крем. Совсем другое, да?

Ну, не совсем. Думайте о спектре электромагнитного излучения как о гитарной струне, натянутой на восемь ладов. Сыграйте самую низкую ноту, и вы получите радиоволны, сыграйте самую высокую, и вы получите гамма-лучи. На гитаре разные паттерны вибрации струны будут издавать разные звуки в виде нот — наше восприятие их различается, но все они, по сути, одно и то же, но с разной интенсивностью. Точно так же разные модели колебаний магнитных и электрических полей будут генерировать различные виды ЭМИ. Мы воспринимаем их как совершенно разные (некоторые мы вообще не можем ощутить напрямую), но все они в основном являются одними и теми же явлениями с разной интенсивностью.

Источник генерирует электромагнитное излучение, когда в системе есть энергия, потому что это то, что заставляет частицы вибрировать. Как правило, более горячие тела генерируют волны большей мощности и преимущественно на более высоких частотах. Частота измеряется в герцах (Гц), что определяется как один цикл в секунду.Частота в один Гц означает, что каждую секунду генерируется одна волна, в один кГц — 1000 волн в секунду, а один ГГц соответствует одному миллиарду в секунду.

Просто измерьте расстояние между одинаковыми точками на волне.
Изображение предоставлено Ричардом Ф. Лайоном / Википедия.

Длина волны равна отношению скорости к частоте и обычно принимается за расстояние между двумя последовательными гребнями. Однако технически его можно измерить в любом месте волны.

Наконец, электромагнитное излучение отличается от остальных электромагнитных явлений тем, что оно является эффектом «дальнего поля».Эти волны не ограничиваются взаимодействием с близлежащими объектами, в отличие, например, от электростатического эффекта. После возникновения волны также могут мчаться сквозь пространство (они «излучают», откуда и происходит термин «излучение») без каких-либо дополнительных воздействий со стороны породивших их зарядов. Таким образом, эти волны будут продолжаться до тех пор, пока у них не закончится энергия — либо потому, что они сталкиваются с некоторыми частицами, с которыми они могут взаимодействовать, либо потому, что они просто выдыхаются.

Итак, теперь у нас есть общее представление о том, как они формируются, круто.Пройдемся по каждому типу волны.

Радиоволны

Генерация радиоволн в антенне постоянного тока.
Изображение из Википедии.

Радиоволны имеют самые низкие частоты среди всех типов ЭМИ, а их фотоны несут наименьшее количество энергии. Обычно все, что находится в диапазоне от 3 кГц до 300 ГГц, считается радиоволной, хотя некоторые определения классифицируют все, что выше 1 ГГц или 3 ГГц, как микроволны. Это делает радиоволны ленивцами ЭМИ. Фотоны радиоволн разнесены далеко друг от друга — на частоте 3 кГц длина волны составляет 100 км (62 мили), 1 мм (0.039 дюймов) на частоте 300 ГГц — это означает, что они несут меньше энергии, чем другие типы ЭР.

Их взаимодействие с материей в значительной степени ограничивается созданием множества электрических зарядов, распределенных по множеству атомов, поэтому каждый заряд довольно мал. Однако это полезно, поскольку это распространение позволяет проводнику, подключенному к цепи, преобразовывать радиоволны обратно в некоторые электрические сигналы. Прибавьте к этому их скорость (все электромагнитные волны распространяются со скоростью света в вакууме), и они действительно хороши для дальней связи.

В качестве альтернативы, если у вас есть проводник, который не подключен к цепи, скажем, самолет в полете, разделение этих зарядов будет генерировать новые радиоволны — это то, что позволяет сигналам радара «отражаться» от предметов. Поглощение или излучение радиоволн всегда вызывает электрический ток, тепло или и то, и другое.

Микроволновые печи

Микроволны — это электромагнитное излучение с частотами от 300 МГц (длина волны 100 см) до 300 ГГц (0,1 см). Помимо немного более энергичных фотонов и более короткой длины волны (что означает большую плотность энергии), они действительно чем-то похожи на радиоволны.На самом деле микроволны также широко используются для связи, но с некоторыми ключевыми отличиями от радиоволн.

Во-первых, вам нужна прямая видимость приемника, поскольку микроволны не изгибаются (дифрагируют) вокруг холмов или гор, они не отражаются обратно от ионосферы и не следуют кривизне планеты в виде поверхностных волн. Но они обладают большей мощностью, чем радиоволны, и могут проникать сквозь некоторые вещи, которые радио не может — например, густые облака или пыль — из-за их более высокой частоты.

Микроволны используются для передачи данных по беспроводным сетям, для связи со спутниками и космическими кораблями, в автономных и классических транспортных средствах для систем предотвращения столкновений, некоторых радиосетях, системах доступа без ключа и пультах дистанционного управления гаражными воротами.

Их также можно использовать в печах. Тот же процесс, который позволяет поглощать радиоволны для выработки тепла, делает микроволновую печь с частотой 2,45 ГГц (12 см) очень хорошей для нагрева воды. А поскольку в еде всегда есть хотя бы немного воды, это означает, что микроволновые печи — отличный способ разогреть еду.

Инфракрасное излучение

Сотрудник НАСА/Лаборатории реактивного движения Арт Хаммонд смотрит через инфракрасную камеру.
Изображение предоставлено НАСА / JPL.

Любимец дрянных боевиков, инфракрасный или ИК. Это только часть видимого спектра, охватывающая от 300 ГГц (1 мм) до нижнего видимого предела (красный цвет) на частоте 430 ТГц (700 нм). Это спектр, в котором большинство объектов, с которыми вы взаимодействуете, излучают тепло. В отличие от радио- и микроволнового излучения, инфракрасное излучение взаимодействует с диполями (сильно поляризованными химическими молекулами, такими как вода), что означает, что оно поглощается широким спектром веществ — и почти всеми органическими веществами — которые превращают его вибрацию в тепло. Однако верно и обратное, а это означает, что сыпучие вещества обычно излучают некоторые уровни ИК-излучения, выделяя свое тепло.

Так что для дальней связи он не очень хорош, так как просто поглотится водой в атмосфере. Но ваш пульт от телевизора может с большим успехом использовать ИК для отдачи команд на короткие расстояния. ИК-детекторы полезны, если вы пытаетесь увидеть что-то, что излучает тепло, например грабителя посреди ночи. Инфракрасное излучение также используется в астрономии для наблюдения за облаками пыли в поисках планет, в промышленности для отслеживания утечек тепла или предотвращения перегрева, в прогнозировании погоды и в некоторых медицинских целях.Военные тоже, очевидно, большие любители ИК, используют их как для наблюдения, так и для наведения боеприпасов на цель.

Любители ящериц знают, что инфракрасное излучение — отличный способ передать тепло туда, где оно необходимо. Собственно, именно так люди и открыли для себя IR. Еще в 1800 году астроном по имени сэр Уильям Гершель впервые описал инфракрасное излучение, наблюдая его воздействие на термометр.

Как и все другие электромагнитные излучения, инфракрасное излучение несет энергию и ведет себя как волна и как квантовая частица, фотон.Чуть больше половины всей солнечной энергии, достигающей Земли, поступает в виде инфракрасного излучения — вот почему солнечный свет кажется таким теплым.

Видимый свет

Это интервал электромагнитного излучения, на который настроены ваши глаза. Видимый свет охватывает спектр от 430 до 770 ТГц (от 390 до 700 нм). Мы видим разные цвета, потому что определенные части этого спектра поглощаются объектами, а остальные отражаются. Чтобы что-то казалось вам красным, оно должно поглощать длины волн, которые не соответствуют цвету, и отражать только красные длины волн, чтобы ваши глаза могли их уловить.

Однако цвет также может возникать из-за того, как свет взаимодействует с конкретным объектом. Текстура объекта также создается почти таким же механизмом. Снег, например, кажется белым, матовым и отражающим одновременно, но отдельные кристаллы снега выглядят как кусочки стекла. Вы можете узнать, почему здесь.

Ультрафиолетовое излучение

До и после солнцезащитного крема, как видно с помощью УФ-камеры, демонстрирующей его действие.
Изображение: Wikimedia Commons

Спектр ЭМ на частоте 789 терагерц (ТГц) или выше называется ультрафиолетовым.Ультрафиолетовый свет состоит из очень коротких волн от 10 до 400 нм и несет много энергии. На самом деле, начиная с УФ-границы, фотоны несут достаточно энергии, чтобы преобразовать некоторые химические связи в новые структуры. Что равно , черт возьми, , если вы молекула ДНК, просто пытающаяся сохранить информацию. Что еще хуже для живых существ, некоторые подтипы УФ-излучения, у которых недостаточно энергии для прямого повреждения ДНК (например, подтип А), по-прежнему представляют опасность, поскольку они производят активные формы кислорода внутри тела, высокореактивные соединения , которые захватывают химические связи в ДНК.

В целом УФ-излучение обладает достаточной энергией, чтобы представлять реальную опасность для жизни. Даже относительно низкоэнергетический УФ-излучение может вызвать неприятные ожоги кожи, гораздо более серьезные, чем те, которые вызваны просто температурой (поскольку они также являются радиационными ожогами, как объяснялось выше). Воздействие УФ-излучения более высокой энергии может привести к раку, поскольку волны наносят ущерб цепям ДНК.

Эта способность повреждать живые организмы теперь будет обычным явлением в списке, так как частоты будут только увеличиваться.На верхних концах УФ-спектра (около 125 нм или меньше, иногда называемом «экстремальным УФ») энергия, переносимая этими волнами, настолько высока, что она может фактически отрывать электроны от оболочек атомов в процессе, называемом фотоионизацией.

Учитывая, что УФ-излучение составляет около 10% от общего светового потока Солнца, оно причинит много неприятностей всему живому на суше (поскольку вода неплохо поглощает УФ-излучение). К счастью для нас, землян, мы защищены озоновым слоем и остальной атмосферой, которые отфильтровывают большую часть ультрафиолетовых лучей, прежде чем они причинят какой-либо реальный ущерб.

Однако это еще не все плохие новости. УФ-излучение играет ключевую роль в синтезе витамина D у большинства наземных позвоночных, включая человека. Ультрафиолетовые лучи также используются в фотографии и астрономии, в некоторых приложениях безопасности (для проверки подлинности счетов или кредитных карт), в криминалистике, в качестве стерилизатора и, конечно же, в соляриях.

Рентгеновское излучение / рентгеновское излучение

Кредиты изображения Джонни Линднер.

С частотами в диапазоне от 30 петагерц до 30 экзагерц («пета» означает 15 нулей, «экза» означает 18 нулей) и длинами волн от 0.От 01 до 10 нанометров рентгеновские лучи очень энергичны. Те, у которых длина волны менее 0,2–0,1 нм, называются «жесткими» рентгеновскими лучами. Врачи используют их, чтобы увидеть кости внутри тела, потому что они настолько крошечные и мощные, что наши мягкие ткани практически прозрачны для них. То же самое и с багажом в аэропорту — жесткий рентген может видеть его насквозь. Их длина волны сравнима с размерами отдельных атомов, поэтому геологи используют их для определения кристаллических структур.

Рентгеновские лучи (и более энергичные гамма-лучи) состоят из фотонов, которые несут минимальную энергию ионизации (все они могут фотоионизировать), и поэтому называются ионизирующим излучением.Они могут нанести огромный ущерб организмам и биомолекулам, часто поражая ткани очень глубоко под кожей, поскольку они легко проникают через большинство веществ.

Они названы в честь Вильгельма Рентгена, немецкого ученого, открывшего их 8 ноября 1895 года. Сам Рентген называл их рентгеновским излучением, потому что в то время это было довольно загадочно — никто толком не понимал, что это за излучение и что оно делает.

Гамма-лучи

Художественное изображение гамма-всплеска GRB 080319B.Обратите внимание на два полярных луча излучения: внутренний, более концентрированный, и внешний, более рассеянный.
Изображение предоставлено NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith и John Jones.

Это ЭМИ с фотонами с самой высокой энергией, о которых мы знаем. Их частоты превышают 30 экзагерц, а длина волны меньше 10 пикометров (1 пикометр составляет тысячную часть нанометра или тысячную миллиардную часть метра), что меньше диаметра атома. В основном они возникают в результате радиоактивного распада здесь, на Земле (например, ядерного оружия или Чернобыля), но также могут возникать в виде невероятно мощных гамма-всплесков, вероятно, в результате превращения умирающих звезд в сверхновые или более крупные гиперновые перед коллапсом в нейтронные звезды или черные дыры. .Это самый смертоносный тип электромагнитного излучения для живых организмов. К счастью, они в значительной степени поглощаются земной атмосферой.

Искусственные гамма-лучи иногда используются для изменения внешнего вида драгоценных камней, например, для превращения белого топаза в голубой топаз. США также экспериментируют с их использованием для создания своего рода рентгеновского аппарата на стероидах, который может сканировать до 30 контейнеров в час. Чтобы получить представление о том, насколько невероятно проникающими являются гамма-лучи, знайте, что при добыче полезных ископаемых используются генераторы гамма-излучения, чтобы просматривать огромные груды руды и выбирать для обработки самые богатые. Другие области применения включают облучение (используемое для стерилизации медицинского оборудования или пищевых продуктов), уничтожение раковых опухолей и ядерную медицину.

Короче говоря, это категории, которые мы используем для описания электромагнитного излучения. У них есть вещи, через которые они любят проходить, и вещи, над которыми они размышляют. Это свет, который вы не можете видеть, и он может быть приятным, очень опасным, а иногда и безумно смертельным.

Электромагнитный спектр

Свет несет информацию способами, о которых вы даже не подозреваете.Сотовые телефоны используют свет для отправки и приема звонков и сообщений. Беспроводные маршрутизаторы используют свет для отправки изображений кошек из Интернета на ваш компьютер. Автомобильные радиоприемники используют свет для приема музыки с ближайших радиостанций. Даже в природе свет несет много видов информации.

Телескопы собирают свет, и все, что мы знаем из Хаббла, связано со светом. Поскольку мы не можем отправиться к звезде или взять образцы из далекой галактики, мы должны полагаться на электромагнитное излучение — свет — для передачи нам информации от удаленных объектов в космосе.

Космический телескоп Хаббла может рассматривать объекты не только в видимом свете, включая ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный свет. Эти наблюдения позволяют астрономам определять определенные физические характеристики объектов, такие как их температура, состав и скорость.

Электромагнитный спектр состоит не только из видимого света. Он включает в себя длины волн энергии, которые человеческий глаз не может воспринимать.

Что такое электромагнитный спектр?

Электромагнитный спектр описывает все виды света, включая те, которые человеческий глаз не может видеть. На самом деле, большая часть света во Вселенной невидима для наших глаз.

Видимый нами свет, состоящий из отдельных цветов радуги, представляет собой лишь очень небольшую часть электромагнитного спектра. Другие типы света включают радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи — все они не воспринимаются человеческим глазом.

Весь свет или электромагнитное излучение распространяется в пространстве со скоростью 186 000 миль (300 000 километров) в секунду — со скоростью света.Это примерно столько, сколько проедет автомобиль за свою жизнь, проехав свет за одну секунду!

Как мы измеряем свет

Свет распространяется волнами, очень похожими на волны в океане. Как волна, свет имеет несколько основных свойств, которые его описывают. Один из них — частота, которая подсчитывает количество волн, проходящих через заданную точку за одну секунду. Другой — длина волны, расстояние от пика одной волны до пика следующей. Эти свойства тесно и обратно связаны: чем больше частота, тем меньше длина волны — и наоборот.Третий — энергия, аналогичная частоте в том смысле, что чем выше частота световой волны, тем больше энергии она несет.

Ваши глаза обнаруживают электромагнитные волны размером примерно с вирус. Ваш мозг интерпретирует различные энергии видимого света как разные цвета, от красного до фиолетового. Красный имеет самую низкую энергию, а фиолетовый — самую высокую.

Помимо красного и фиолетового, есть много других видов света, которые не могут видеть наши человеческие глаза, так же как и звуки, которые не слышат наши уши.На одном конце электромагнитного спектра находятся радиоволны, длина волны которых в миллиарды раз длиннее, чем у видимого света. На другом конце спектра находятся гамма-лучи, длина волны которых в миллиарды раз меньше, чем у видимого света.

Значение света и цвета

Ученые используют цвет как инструмент для передачи информации. Читать статью

Ученые используют различные методы с помощью телескопов для выделения различных типов света. Например, хотя наши глаза не могут видеть ультрафиолетовый свет звезды, один из способов его воспринять — это позволить свету звезды пройти через фильтр на телескопе, который удаляет все другие виды света, и попасть на специальную камеру телескопа, чувствительную к ультрафиолетовому свету. .

Сравнение различных типов света, включая длину волны и частоту.

О чем говорят нам разные типы света

Для изучения Вселенной астрономы используют весь электромагнитный спектр. Различные типы света говорят нам о разных вещах. См. интерактивные примеры

Радиоволны и микроволны, обладающие самой низкой энергией, позволяют ученым проникать сквозь плотные межзвездные облака и наблюдать за движением холодного газа.

Инфракрасный свет используется, чтобы видеть сквозь холодную пыль; изучать теплый газ и пыль, а также относительно холодные звезды; и обнаружить молекулы в атмосферах планет и звезд.

Большинство звезд излучают большую часть своей электромагнитной энергии в виде видимого света, той части спектра, которую могут видеть наши глаза. Более горячие звезды излучают свет с более высокой энергией, поэтому цвет звезды показывает, насколько она горячая. Это означает, что красные звезды холодные, а синие — горячие.

За пределами фиолетового лежит ультрафиолетовый (УФ) свет, энергия которого слишком высока для восприятия человеческим глазом. Ультрафиолетовый свет отслеживает горячее свечение звездных питомников и используется для определения самых горячих и энергичных звезд.

Рентгеновские лучи исходят от самого горячего газа, содержащего атомы. Они испускаются из перегретого вещества, вращающегося по спирали вокруг черной дыры, бурлящих нейтронных звезд или газовых облаков, нагретых до миллионов градусов.

Гамма-лучи имеют самую высокую энергию и самую короткую длину волны в электромагнитном спектре. Они исходят от свободных электронов и оборванных атомных ядер, ускоренных мощными магнитными полями во взрывающихся звездах, сталкивающихся нейтронных звездах и сверхмассивных черных дырах.

Это очень подробное изображение Крабовидной туманности объединяет данные телескопов, охватывающих почти всю ширину электромагнитного спектра.Изображение включает в себя данные с пяти разных телескопов: Космический телескоп Спитцер (инфракрасный) (желтый); Очень большой массив Карла Г. Янского (радио) красного цвета; Космический телескоп Хаббла (видимый) выделен зеленым цветом; XMM-Newton (ультрафиолетовый) — синий; и рентгеновская обсерватория Чандра (рентген) фиолетовым цветом.

Руководство для учащихся — Ультрафиолетовое излучение

Что это?

Проще говоря, ультрафиолетовое излучение (также известное как УФ-излучение или ультрафиолетовые лучи)
является формой энергии, путешествующей в пространстве.

Одними из наиболее часто признаваемых видов энергии являются тепло и свет.
Их, наряду с другими, можно классифицировать как явление, известное как
электромагнитный
излучение. Другие типы
К электромагнитным излучениям относятся гамма-лучи, рентгеновские лучи,
видимый свет,
инфракрасные лучи и радиоволны. Развитие
электромагнитное излучение через пространство можно визуализировать по-разному.
Некоторые эксперименты предполагают, что эти лучи распространяются в виде волн.Физик
может фактически измерить длину этих волн (просто называемых их
длина волны
).
Оказывается, чем меньше длина волны, тем больше энергии. В другие времена,
более правдоподобно описать электромагнитное излучение как
содержащихся и путешествующих в маленьких пакетах, называемых
фотоны.

Отличительный фактор среди
различные типы
электромагнитное излучение составляет их энергетическое содержание.
Ультрафиолетовое излучение обладает большей энергией, чем
видимое излучение и поэтому
имеет более короткий
длина волны.Чтобы быть более конкретным: ультрафиолетовые лучи
а
длина волны между примерно 100
нанометры и
400
нанометры, тогда как
видимое излучение
включает длины волн от 400 до 780 нанометров.

Откуда это?

Солнце является основным источником
ультрафиолетовые лучи. Хотя солнце излучает все виды
электромагнитное излучение, 99% его лучей находятся в виде
видимый свет,
ультрафиолетовые лучи и инфракрасные лучи (также известные как тепло).Искусственные лампы могут
также излучают УФ-излучение и часто используются в экспериментальных целях.

Что он делает?

Свет позволяет нам видеть,
а тепло удерживает нас от холода. Однако ультрафиолетовые лучи часто несут
неудачное обстоятельство содержания тоже
много энергии. Например, инфракрасные лучи создают тепло почти так же, как трение кожи.
руки вместе делает.Энергия, содержащаяся в инфракрасных лучах, вызывает
молекулы вещества, с которым он сталкивается, колеблются взад и вперед. Однако энергия, содержащаяся в ультрафиолетовых лучах
выше, поэтому вместо того, чтобы просто заставлять молекулы трястись, он фактически может
выбивают электроны из атомов или вызывают расщепление молекул. Этот
приводит к изменению химической структуры молекулы. Это изменение
особенно губительно для живых организмов, так как может вызвать повреждение клеток и
уродства, фактически мутируя его генетический код.

Что мешает?

Ультрафиолетовые лучи можно разделить на три длины волны.
диапазоны — УФ-А, УФ-В и УФ-С.
Это просто удобный способ классификации лучей на основе количества
энергия, которую они содержат, и их воздействие на биологическое вещество. УФ-С
самый энергичный и самый вредный; УФ-А наименее энергичен и наименее вреден.

К счастью, лучи УФ-С не достигают земной
поверхности из-за озонового слоя.Когда лучи UV-C встречаются
молекулы озона в верхних слоях атмосферы,
присущей им энергии достаточно, чтобы разорвать связь молекулы и
поглощать энергию. Поэтому никакого УФ-С
солнечные лучи когда-либо соприкасались с жизнью на Земле, хотя
Искусственные УФ-С лучи могут представлять опасность для определенных профессий, например сварщиков.

УФ-В лучи имеют более низкий уровень энергии
и более длинная длина волны
чем УФ-С. Поскольку их энергии часто недостаточно для расщепления молекулы озона,
некоторые из них доходят до
поверхность земли.У лучей УФ-А недостаточно энергии, чтобы разрушить связи
озона, поэтому УФ-А-излучение проходит через атмосферу земли почти не фильтруясь. В виде
как УФ-В, так и УФ-А лучи могут быть вредны для нашего здоровья, важно, чтобы мы
защитить себя. Это можно сделать различными способами. Большинство
очевидным является сокращение времени, которое человек проводит на солнце, особенно
между 11:00 и 15:00, когда солнце находится в самой высокой точке неба.
Однако, особенно во время летних каникул, это не всегда получается.Другие способы защитить себя можно найти здесь.

Изменчивость УФ

Уровни УФ-излучения не являются постоянными в течение дня или даже в течение года.
Очевидным фактором является положение солнца на небе. В
полдень, например,
электромагнитные волны, излучаемые солнцем, проходят гораздо более короткий путь
через земную атмосферу, то они будут, скажем, в 17:00, и, таким образом, интенсивность полудня
сильнее. Второй важный параметр, определяющий УФ
на земле — количество озона, присутствующего в
стратосфера.
Низкий уровень озона коррелирует с большим количеством УФ. Однако есть много других особенностей окружающей среды, которые
способствуют изменчивости УФ-излучения. Самое главное — облака. В пасмурные дни уровень УФ
обычно ниже, чем при ясном небе в виде облаков
может отклонять лучи вверх в космос. Облака, однако, также могут вести
к повышенному уровню УФ. Это происходит, например, когда солнце
не закрыт облаками, а облаками вблизи солнца
отражают дополнительное излучение на землю.Итак, общее правило
не чувствовать себя защищенным от УФ-излучения только потому, что пасмурно!

Количество УФ-излучения, которому подвергается человек
также меняется с высотой. Как правило, уровень УФ-излучения увеличивается примерно на
4% за каждые 1000 футов набора высоты. Это увеличение не имеет ничего общего с
быть ближе к солнцу — любая высота, которую вы могли бы поднять, была бы ничтожной в
по сравнению с расстоянием от земли до солнца, и поэтому
незначительный результат по УФ-уровням. Вместо этого увеличение является результатом
более разреженная атмосфера с меньшим количеством
присутствующие молекулы поглощают или рассеивают УФ. Примеры
таких молекул
тропосферный озон (обычно связан со смогом)
и аэрозоли,
молекулы, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии.
Аэрозоли могут быть
множество веществ — пыль, сажа, сульфаты и др. Эти
аэрозоли поглощают и
рассеивают УФ-лучи и таким образом сокращают предельное УФ-излучение.
излучение.

Другие факторы, имеющие
Влияние на уровень УФ-излучения оказывают физические характеристики земли – песок, снег и вода.
все имеют свойство отражать УФ-лучи.Это явление называется
альбедо. Часть ультрафиолетовых лучей отражается от
рассеяние на земле молекулами воздуха, аэрозолями или облаками обратно вниз к
земли, тем самым увеличивая общее
излучение. Когда там
это снег на земле количество времени, необходимое для получения солнечного ожога, равно
поэтому значительно
уменьшенный.

Также, чем ближе к экватору, тем больше ультрафиолетовых лучей
человек подвергается воздействию. Это можно объяснить тем, что
солнце обычно выше на небе при низкой
широты.Кроме того, озоновый слой тоньше на экваторе, поскольку он заканчивается.
пример США или Европы, и это тоже способствует
к большему УФ.

С 1980-х годов полярные регионы страдают от озоновой дыры.
Под озоновой дырой биологически значимые уровни УФ-излучения в 2-3 раза выше, чем
были раньше. Узнайте, на основе реальных данных, как уровни УФ-излучения
пострадавших от озоновой дыры, перейдя на страницу экспериментов! Здесь
вы можете сравнить УФ-излучение, измеренное сетью NSF в
Антарктика со спутниковыми данными по озону.

Вернуться к указателю гида

Какие бывают виды радиации?

АБ
Наука о знаниях и трудоустройстве 8, 9 (пересмотрено в 2009 г.)
8
Модуль C: Световые и оптические системы

АБ
Физика 30 (2007 г., обновление 2014 г.)
12
Модуль C: Электромагнитное излучение

АБ
Физика 30 (2007 г., обновление 2014 г.)
12
Раздел D: Атомная физика

АБ
Наука 30 (2007 г. , обновлено в 2014 г.)
12
Модуль C: Электромагнитная энергия

АБ
Наука 7-8-9 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
8
Модуль C: Световые и оптические системы

До нашей эры
Наука 8 класс (июнь 2016 г.)
8
Большая идея: Энергия может передаваться как частицей, так и волной.

МБ
Наука 8 класс (2000)
8
Кластер 2: Оптика

МБ
Старший 3 Физика (2003)
11
Тема 2: Природа света

МБ
Старший 4 Физика (2005)
12
Тема 4: Медицинская физика

NB
Физика 11 (2003)
11
Волны

NB
Наука 6: Навигация: осмысление вашего мира (2020)
6
Поведение и свойства света

Нидерланды
Физика 3204 (2019)
12
Модуль 4: Введение в квантовую физику

NS
Физика 12 (2015)
12
Радиоактивность

NS
Физика 12 (2015)
12
Волны и современная физика

NS
Наука 8 (2001)
8
Физические науки: оптика

NT
Наука о знаниях и трудоустройстве 8 (Альберта, редакция 2009 г.)
8
Модуль C: Световые и оптические системы

NT
Physics 30 (Альберта, 2007 г. , обновлено в 2014 г.)
12
Модуль C: Электромагнитное излучение

NT
Physics 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
12
Раздел D: Атомная физика

NT
Science 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
12
Модуль C: Электромагнитная энергия

NT
Наука 8 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
8
Модуль C: Световые и оптические системы

НУ
Наука о знаниях и трудоустройстве 8 (Альберта, редакция 2009 г.)
8
Модуль C: Световые и оптические системы

НУ
Physics 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
12
Раздел D: Атомная физика

НУ
Science 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
12
Модуль C: Электромагнитная энергия

НУ
Наука 8 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
8
Модуль C: Световые и оптические системы

НА
Науки о Земле и космосе, 12 класс, университет (SES4U)
12
Направление C: Планетарная наука (Наука о Солнечной системе)

НА
Экология, 11 класс, рабочее место (SVN3E)
11
Направление C: Здоровье человека и окружающая среда

НА
Физика, 12 класс, университет (СПх5У)
12
Цепь E: Волновая природа света

НА
Естествознание, 10 класс, академический (SNC2D)
10
Направление E: световая и геометрическая оптика

НА
Прикладные науки 10 класса (SNC2P) (2008 г. )
10
Направление E: Свет и применение оптики

ЧП
Наука 8 класс (пересмотрено в 2016 г.)
8
Раздел 3: Оптика

КК
Прикладная наука и технологии
Раздел III
Материальный мир

КК
Экологические науки и технологии
Раздел IV
Материальный мир

КК
Наука и технология
Раздел III
Материальный мир

КК
Наука и окружающая среда
Раздел IV
Материальный мир

СК
Физические науки 20 (2016)
11
Свойства волн

СК
Физика 30 (2017)
12
Современная физика

СК
Наука 8 класс (2009)
8
Физические науки — Оптика и зрение (OP)

ЮТ
Science Grade 8 (Британская Колумбия, июнь 2016 г.)
8
Большая идея: Энергия может передаваться как частицей, так и волной.

электромагнитных волн и как они работают | ОРЕЛ

За всем в этом мире стоит энергия, от сока в батареях, которые обеспечивают работу вашего контроллера Xbox, до силы удара деревянной битой, отбрасывающей мяч за пределы парка. Но не все энергии одинаковы, и есть один тип энергии, который сформировал наш мир электроники больше, чем любой другой, — электромагнитная (ЭМ) энергия.

Эта сила, которая приходит в форме электромагнитных волн, преодолевает физические барьеры, мчась сквозь космический вакуум и открывая мир открытий в наше время, от радио до радаров, спутников и многого другого! Чтобы полностью понять, как работает беспроводная связь в современной электронике, вам нужно отправиться на игру с мячом и посмотреть, как электромагнитные волны работают в движении.

Сделайте волну, все остальные!

Нас бомбардируют волны различных типов в любое время дня, каждая из которых имеет разные формы и ароматы. Например, удар бейсбольной битой по мячу создает звуковую волну, которая проходит через физическую среду и достигает ваших ушей. И когда все в толпе встают, чтобы помахать и аплодировать, это снова звуковые волны в движении. Эти звуковые волны, которые относятся к категории механических волн, требуют прохождения через физический объект или среду, чтобы быть услышанными.

Лучшая часть игры в мяч, а также основная часть того, как работает беспроводная электроника волна! (Источник изображения)

В отличие от механических волн, электромагнитные волны не требуют присутствия физической среды, и вы обнаружите, что они мчатся сквозь пустоту космоса, не задумываясь. Электромагнитные волны уникальны по своему составу, объединяя как электрические, так и магнитные поля, которые танцуют вместе в идеальной спирали, путешествуя в пространстве как поперечная волна.

Поперечные волны имеют как вертикальное волновое движение , так и горизонтальное движение частиц.

Поскольку электромагнитным волнам не требуется физическая среда для прохождения из точки А в точку Б, они также являются самой быстрой волной, известной человеку, и могут распространяться в космическом вакууме со скоростью 3,00 x 10 8 м/с ! Это не значит, что эти волны не могут проходить через физическую среду, просто когда они это делают, они работают немного по-другому.Давайте сломаем это:

• Поглощение . Сначала электромагнитная волна сталкивается с атомами физического материала, который поглощает волну.
• Вибрации . Поглощение этой электромагнитной энергии заставляет электроны внутри этого атома начать вибрировать.
• Выпуск . Атом, поглотивший электромагнитную энергию, испускает еще одну электромагнитную волну, передавая ее следующему атому в очереди.

То, как электромагнитная волна распространяется через физическую среду, сильно отличается от ее путешествия в вакууме.(Источник изображения)

В физической среде этот процесс поглощения и выброса электромагнитной волны от атома к атому заставит волну двигаться немного медленнее, чем в вакууме. Чем плотнее физический материал, тем с большей задержкой будет двигаться электромагнитная волна.

Электромагнитный спектр

Прежде чем углубляться во все формы электромагнитных волн, во-первых, нам нужно понять, как эти волны измеряются, что также даст вам представление о том, как они организованы в спектре.Хотя все волны имеют разную форму, каждая электромагнитная волна, с которой вы столкнетесь, имеет одинаковую S-образную (синусоидальную) кривую, как показано ниже. Они называются поперечными волнами . Вы можете измерить эти поперечные волны несколькими способами:

• По амплитуде. Измерение поперечной волны по ее высоте даст вам ее амплитуду, которая измеряет волну от нулевой точки по оси x до вершины самой высокой точки волны.
• По длине волны. Вы также можете измерить электромагнитную волну по расстоянию между двумя самыми высокими точками между двумя волнами, называемыми гребнями. Это даст вам длину волны. Длина волны может быть короче размера атома и длиннее диаметра всей нашей планеты!
• По частоте. Наконец, вы можете измерить, сколько гребней проходит через заданную точку каждую секунду. Сколько гребней проходит за заданное время, называется волной или циклом и измеряется в герцах (Гц). Например, волна, имеющая четыре цикла, проходящих через заданную точку за секунду, будет иметь частоту 4 Гц.

Здесь вы можете увидеть, как мы получаем амплитуду, длину волны и частоту, наблюдая за распространением электромагнитной волны.

Имеет смысл? Теперь мы можем вернуться к нашему электромагнитному спектру. Все электромагнитные волны организованы в очень подробную иерархию, основанную на наших измерениях как частоты, так и длины волны. Электромагнитные волны в этом спектре развиваются в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волны, например:

.

Электромагнитный спектр, начиная с низкой частоты и низкой длины волны слева.(Источник изображения)

Радиоволны

На минимальном конце электромагнитного спектра находятся радиоволны с частотами от 30 гигагерц (ГГц) до 3 килогерц (кГц). Как следует из названия, радиоволны наиболее известны тем, что используются на радиостанциях, и если вы слушаете AM-радио, то вы будете набирать определенную радиочастоту между 520 и 16010. AM-радиостанции измеряются тысячами. герц в секунду, называемых килогерцами (кГц).

У вас также есть радиочастоты FM, которые можно набирать между 87.0 и 107,9 миллионов герц в секунду, называемых мегагерцами (МГц). Помимо традиционного радио, вы также обнаружите, что радиоволны питают почти все наши беспроводные электронные системы, такие как WiFi, Bluetooth, сигналы сотовых телефонов и даже радары. Радиоволны могут даже измерить, насколько быстро питчер бросает бейсбольный мяч, используя скоростной пистолет или камеру контроля скорости!

Вы можете использовать один из этих радаров для измерения скорости бейсбольного мяча, брошенного питчером. Радиоволны в действии! (Источник изображения)

Микроволновые печи

Микроволны находятся в середине радиоволн и инфракрасных волн и имеют частоту от 3 гигагерц (ГГц) до 30 терагерц (ТГц).Однако вы не найдете микроволновки, которые используются только для того, чтобы разогреть остатки еды на обед. Микроволны также имеют некоторые традиционные применения в других устройствах с высокой пропускной способностью, таких как радары, телевидение и спутники.

Инфракрасные волны

Прежде чем электромагнитные волны станут видимыми, они принимают форму инфракрасных волн. Они имеют частоту от 30 терагерц (ТГц) до 400 ТГц с длиной волны всего 0,00003 дюйма! Как и все другие волны до видимого спектра, инфракрасные волны совершенно невидимы для человеческого глаза, хотя их можно ощущать как тепло.

Инфракрасный свет используется в пультах дистанционного управления телевизорами, а также в тепловизионных очках ночного видения во всех ваших любимых шпионских фильмах. Ваше тело также производит инфракрасные волны, как и солнце!

Даже наши тела излучают тонны инфракрасных волн, как показано на этом скане тела. (Источник изображения)

Видимый свет

Наконец-то мы подошли к той единственной видимой части спектра электромагнитных волн, которую наши человеческие глаза могут видеть в видимом свете! Эта форма электромагнитной энергии видна всем нам как спектр цветов радуги.Цвета имеют определенную длину волны в электромагнитном спектре, вот лишь некоторые из них:

.

• Красный имеет самую большую длину волны, составляющую около 700 нанометров.
• Желтый занимает второе место с длиной волны 600 нанометров.
• Фиолетовый идет последним, его самая короткая длина волны составляет 400 нанометров.

Ультрафиолетовые волны

За пределами спектра видимого света мы попадаем в ультрафиолетовые волны, которые возникают на высоких частотах, отправляя более 1000 триллионов циклов каждую секунду с длиной волны от 400 до 1 нанометра.

УФ-волны используются для стерилизации медицинского оборудования, а также для защиты от бактерий и вирусов. Вы также можете использовать ультрафиолетовые волны для проверки на поддельные деньги, которые показывают все скрытые символы, которые Федеральная резервная система США печатает на законных долларовых банкнотах.

Посветите специальным ультрафиолетовым светом на долларовую купюру, и вы увидите несколько уникальных маркировок, которые идентифицируют как законную валюту .

Рентген

Затем у нас есть рентген, и если вы когда-нибудь ломали кость или были у стоматолога, то вы точно знаете, как используется эта электромагнитная волна. Длины волн рентгеновских лучей настолько коротки, что они пролетают мимо заданной точки со скоростью один миллион триллионов длин волн в секунду. В этой точке электромагнитного спектра вам нужно быть осторожным с тем, какое воздействие вы получаете на эти волны. Рентгеновские лучи производят такой интенсивный выброс энергии, что они могут убить клетки вашего тела, если вы контактируете с ними без защиты.

Гамма-лучи

Гамма-лучи — звери электромагнитного спектра, обладающие достаточной силой, чтобы разрушить связи между молекулами! Их частоты превышают 108 Гц, а длина волны очень мала, всего 100 пикометров (это 4 x 10-9 дюймов).Как и следовало ожидать, гамма-лучи могут вызывать неприятные повреждения живых тканей, что делает их идеальными для атаки на раковые клетки. Однако, если у вас есть неконтролируемое воздействие гамма-излучения, например, от ядерной бомбы, то вам, скорее всего, конец.

Начало электромагнитных волн

Электромагнитные волны имеют множество разновидностей, и вам может быть интересно, как мы вообще пришли к открытию такой таинственной и в значительной степени невидимой силы, которая питает наш мир. Наш путь к открытиям начинается в 1870-х годах с шотландского ученого Джеймса Клерка Максвелла.В конце концов Максвелл создал теорию, когда увидел, что электрические и магнитные поля могут соединяться вместе, образуя то, что мы теперь знаем как электромагнитные волны. Обнаруженное им соотношение было названо уравнениями Максвелла.

В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц продолжал расширять наблюдения Максвелла, заметив, что, когда он совершал скачок электрической искры между двумя клеммами, в то же время появлялась вторая вспышка между другой группой клемм в ярдах от них. Эта способность проявлять электромагнитные волны в их видимой форме привела к появлению волн Герца.

Познакомьтесь с Генрихом Герцем, немецким ученым , отцом волн Герца. (Источник изображения)

В 1896 году дела пошли в гору при изучении электромагнитных волн итальянским ученым Гульельмо Маркони. Маркони расширил первоначальное открытие Герца, чтобы создать самый первый радиопередатчик, который позволял ему посылать радиосигналы на расстояние до мили. Эти волны Герца, которые передал Маркони, позже стали известны как радиоволны, которые используются до сих пор.

Итальянский ученый Гульельмо Маркони с самым первым радиопередатчиком. (Источник изображения)

Мир за пределами невидимого

Беспроводные технологии и электромагнитные волны, которые делают их возможными, полны тайн и чудес. Поняв их основные строительные блоки, вы сможете со временем играть в высшей лиге, обладая собственной способностью отправлять данные по комнате без единого провода! В нашей серии «Основы беспроводной электроники» электромагнитные волны послужат основой для всех впечатляющих беспроводных технологий.Обязательно вернитесь к нам позже, когда мы более подробно изучим, как работают WiFi, Bluetooth, RFID, NFC и другие беспроводные технологии.

Готовы начать свой собственный проект беспроводной электроники? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно уже сегодня!

3.6: Расположение электронов — модель Бора (орбиты)

Цели обучения

• Знать свойства различных видов электромагнитного излучения.
• Определите уровень энергии в терминах модели Бора.
• Обсудите, как можно использовать модель Бора для объяснения атомных спектров.
• Опишите расположение электронов, используя оболочечную модель.

Электромагнитные волны имеют чрезвычайно широкий диапазон длин волн, частот и энергий. Форма электромагнитных волн с самой высокой энергией — это гамма (γ) лучи, а форма с самой низкой энергией — радиоволны.

На рисунке ниже показан электромагнитный спектр , представляющий собой все формы электромагнитного излучения. В крайнем левом углу рисунка \(\PageIndex{1}\) показаны электромагнитные волны с самой высокой энергией.Их называют гамма-лучами , и в больших количествах они могут быть весьма опасны для живых систем. Следующая низкоэнергетическая форма электромагнитных волн называется рентгеновскими лучами . Большинство из вас знакомы с проникающей способностью этих волн. Они также могут быть опасны для живых систем. Людям рекомендуется максимально ограничить количество медицинских рентгеновских снимков в год. Следующими ниже по энергии находятся ультрафиолетовых лучей . Эти лучи являются частью солнечного света, и верхний предел ультрафиолетового диапазона может вызвать солнечные ожоги и, возможно, рак кожи.Следующим крошечным участком в спектре является видимый диапазон света … этот участок значительно расширен в нижней половине рисунка, чтобы его можно было обсудить более подробно. Видимый диапазон электромагнитного излучения – это частоты, на которые реагирует человеческий глаз. Ниже в спектре находятся инфракрасные лучи и радиоволны.

Рисунок \(\PageIndex{1}\) Электромагнитный спектр с маркировкой его различных областей.Границы каждой области приблизительны.

Энергии света в видимом диапазоне представляют собой электромагнитные волны, которые заставляют человеческий глаз реагировать, когда эти частоты попадают в глаз. Глаз посылает сигнал в мозг, и человек «видит» различные цвета. Самые высокие энергетические волны в видимой области заставляют мозг видеть фиолетовый цвет, а по мере уменьшения энергии цвета меняются на синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Когда энергия волны выше или ниже видимого диапазона, глаз на них не реагирует.Когда глаз получает несколько разных частот одновременно, мозг смешивает цвета. Если все частоты света попадают в глаз вместе, мозг видит белое, а если нет видимых частот, попадающих в глаз, мозг видит черное. Объекты, которые вы видите вокруг себя, являются поглотителями света, то есть химические вещества на поверхности объекта будут поглощать определенные частоты, а не другие. Ваши глаза обнаруживают частоты, которые бросаются в глаза. Поэтому, если ваш друг носит красную рубашку, это означает, что краска в этой рубашке поглощает все частоты, кроме красного, и красные частоты отражаются.Если бы вашим единственным источником света была одна точная частота синего света, и вы освещали бы рубашку, которая была красной на солнце, рубашка казалась бы черной, потому что свет не отражался бы. Свет от люминесцентных ламп не содержит всех частот солнечного света, поэтому одежда внутри магазина может казаться немного другого цвета, чем когда вы получаете ее домой.

Непрерывный и линейный спектры

Электрические лампочки содержат очень тонкую проволоку, излучающую свет при нагревании.Проволока называется нитью. Конкретный провод, используемый в лампочках, сделан из вольфрама. Проволока, сделанная из любого металла, будет излучать свет в этих условиях, но был выбран вольфрам, потому что излучаемый им свет содержит практически все частоты, и поэтому свет, излучаемый вольфрамом, кажется белым. Провод, сделанный из какого-то другого элемента, будет излучать свет какого-то цвета, который нам не подходит. Каждый элемент излучает свет при нагреве или пропускании через него электрического тока.Элементы в твердой форме начинают светиться, когда они достаточно нагреты, а элементы в газообразной форме излучают свет, когда через них проходит электричество. Это источник света, излучаемый неоновыми вывесками, а также источник света в огне.

Рисунок \(\PageIndex{2}\) Человек/Потребность/Желание. Неоновая скульптура Брюса Наумана (1983), известного как художник-концептуалист.

Каждый элемент имеет уникальный спектр

Частоты света, излучаемого атомами, смешиваются нашими глазами, так что мы видим смешанный цвет.Несколько физиков, в том числе Ангстрем в 1868 году и Бальмер в 1875 году, пропускали свет от возбужденных атомов через стеклянные призмы таким образом, что свет рассеивался, чтобы они могли видеть отдельные частоты, составляющие свет. Спектр излучения (или атомный спектр ) химического элемента представляет собой уникальную структуру света, полученную, когда элемент подвергается воздействию тепла или электричества.

Рисунок \(\PageIndex{3}\) Спектр атомной эмиссии водорода.

Когда газообразный водород помещают в трубку и пропускают через нее электрический ток, цвет испускаемого света становится розовым.Но когда цвет расплывается, мы видим, что спектр водорода состоит из четырех отдельных частот. Розовый цвет трубки — результат смешения четырех цветов нашими глазами. Каждый атом имеет свой характерный спектр; нет двух одинаковых атомных спектров. На изображении ниже показан спектр излучения железа. Поскольку каждый элемент имеет уникальный спектр излучения, элементы можно определять с их помощью.

Рисунок \(\PageIndex{4}\) Атомно-эмиссионный спектр железа.

Возможно, вы слышали или читали об ученых, обсуждающих, какие элементы присутствуют на Солнце или какой-то более далекой звезде, и, услышав это, задавались вопросом, как ученые могут знать, какие элементы присутствуют в месте, где никто никогда не был.Ученые определяют, какие элементы присутствуют в далеких звездах, анализируя свет, исходящий от звезд, и находя атомный спектр элементов в этом свете. Если в свете, излучаемом звездой, присутствуют точные четыре линии, составляющие атомный спектр водорода, этот элемент содержит водород.

Объяснение Бором линейчатых спектров

В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил модель электронного облака атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра, и смогли получить атомные спектры. Понимание модели Бора требует некоторых знаний об электромагнитном излучении (или свете). Ключевая идея Бора в его модели атома состоит в том, что электроны занимают определенные орбитали, которые требуют, чтобы электрон обладал определенным количеством энергии. Чтобы электрон находился в электронном облаке атома, он должен находиться в

одна из допустимых орбиталей, и она должна иметь точную энергию, необходимую для этой орбиты. Орбиты ближе к ядру потребуют меньшего количества энергии для электрона, а орбиты дальше от ядра потребуют от электронов большего количества энергии.Возможные орбиты известны как энергетических уровней (n) . Одним из недостатков модели Бора было то, что он не мог объяснить, почему разрешены только определенные энергетические уровни или орбиты.

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Нильс Бор с Альбертом Эйнштейном в доме Пауля Эренфеста в Лейдене (декабрь 1925 г.).

Бор предположил, что единственный способ, которым электроны могут получить или потерять энергию, — это перейти с одного энергетического уровня на другой, приобретая или теряя точное количество энергии. Уровни энергии квантуются , что означает, что возможны только определенные количества. Это было бы похоже на лестницу, у которой есть ступени только на определенной высоте. Единственный способ, которым вы можете оказаться на этой лестнице, — это оказаться на одной из ступенек, и единственный способ, которым вы можете двигаться вверх или вниз, — это перейти на одну из других ступенек. Предположим, у нас была такая лестница с 10 ступенями. Другие правила для лестницы заключаются в том, что только один человек может находиться на ступеньке в нормальном состоянии, а пассажиры лестницы должны находиться на самой нижней доступной ступеньке.Если бы на лестнице было пять человек, они были бы на пяти нижних ступенях. В этой ситуации никто не может спуститься вниз, потому что все нижние ступени заняты. Бор разработал правила для максимального числа электронов, которые могут находиться на каждом энергетическом уровне в его модели, и требовал, чтобы атом в его нормальном состоянии (основном состоянии) имел все электроны на самых низких доступных энергетических уровнях. В этих условиях ни один электрон не мог потерять энергию, потому что ни один электрон не мог перейти на более низкий энергетический уровень.Таким образом, модель Бора объяснила, почему электроны, вращающиеся вокруг ядра, не излучают энергию и не проникают в ядро ​​по спирали.

Рисунок \(\PageIndex{6}\) Уровни энергии (n= 1,2,3…) электронов можно рассматривать как ступени лестницы.

Рисунок \(\PageIndex{7}\) В модели атома Бора электроны поглощают энергию для перехода на более высокий уровень и выделяют энергию для перехода на более низкие уровни. (CC BY-SA 3.0; Курзон).

Доказательства, использованные в поддержку модели Бора, были получены из атомных спектров.Он предположил, что атомный спектр создается электронами в атоме, движущимися энергетическими уровнями.

Основные состояния и возбужденные состояния

Электроны обычно имеют наименьшую возможную энергию, называемую основным состоянием . Если электронам передается энергия (через тепло, электричество, свет и т. д.), электроны в атоме могут поглощать энергию, перескакивая на более высокий энергетический уровень или в возбужденное состояние . Затем электроны выделяют энергию в виде части света, называемого фотоном , который они поглотили, чтобы вернуться на более низкий энергетический уровень.Энергия, испускаемая электронами, падающими обратно на более низкие энергетические уровни, всегда была бы точным количеством энергии, потому что различия в уровнях энергии были точными. Это объясняет, почему вы видите определенные световые линии, глядя на атомный спектр — каждая световая линия соответствует определенному «шагу вниз», который может сделать электрон в этом атоме. Это также объясняет, почему каждый элемент дает свой атомный спектр. Поскольку каждый элемент имеет разные приемлемые энергетические уровни для своих электронов, возможные шаги, которые могут предпринять электроны каждого элемента, отличаются от шагов всех других элементов.

Основываясь на длинах волн спектральных линий, Бор смог рассчитать энергии, которыми водородный электрон будет обладать на каждом из своих разрешенных энергетических уровней. Затем он математически показал, какие переходы энергетических уровней соответствуют спектральным линиям в спектре атомной эмиссии (см. ниже).

Рисунок \(\PageIndex{8}\) Излучение света атомом водорода в возбужденном состоянии. (а) Свет испускается, когда электрон совершает переход с орбиты с более высоким значением n (при более высокой энергии) на орбиту с более низким значением n (при более низкой энергии).(б) Серия эмиссионных линий Бальмера обусловлена ​​переходами с орбит с n ≥ 3 на орбиту с n = 2. Различия в энергии между этими уровнями соответствуют свету в видимой части электромагнитного спектра. (CC BY-SA-NC; анонимно по запросу).

Он обнаружил, что четыре видимые спектральные линии соответствуют переходам с более высоких энергетических уровней вниз на второй энергетический уровень \(\left( n=2 \right)\). Это называется серией Бальмера (рис. \(\PageIndex{8}\)).Переходы, оканчивающиеся в основном состоянии \(\left( n=1 \right)\), называются сериями Лаймана, но высвобождаемые энергии настолько велики, что все спектральные линии находятся в ультрафиолетовой области спектра. Переходы, называемые серией Пашена и серией Брэкетта, приводят к спектральным линиям в инфракрасной области, потому что энергии слишком малы.

Модель Бора имела огромный успех в объяснении спектра атома водорода. К сожалению, когда математика модели была применена к атомам с более чем одним электроном, она не смогла правильно предсказать частоты спектральных линий.Хотя модель Бора представляла собой большой шаг вперед в атомной модели, и концепция 90 377 электронных переходов 90 378 между энергетическими уровнями верна, для полного понимания всех атомов и их химического поведения требовались усовершенствования.

Электроны разных металлов излучают свет с разной длиной волны, чтобы вернуться в свое основное состояние, поэтому цвета пламени различаются. Это пламя можно использовать для получения спектров атомной эмиссии сгоревших элементов. Используя известные значения спектров излучения, можно провести испытание пламенем неизвестного вещества, собрать из него спектр излучения и определить, какие элементы входят в состав неизвестного вещества.

Например, в случае иона меди существует множество различных «путей», по которым возбужденные электроны могут следовать, чтобы испустить фотон с определенной дискретной энергией. Это создает несколько спектральных линий, потому что каждая дискретная разница уровней энергии будет давать определенную длину волны света, которая определяет цвет.

Рисунок \(\PageIndex{9}\) (слева): Медь нагревается, и когда электроны падают назад, излучается свет определенного цвета. (справа): субмикроскопический вид движения электронов при падении электронов.

Построение атомов: основные оболочки

Электронная оболочка – это внешняя часть атома вокруг атомного ядра. Это группа атомных орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа \(n\). Электронные оболочки имеют одну или несколько электронных подоболочек или подуровней. Название электронных оболочек происходит от модели Бора, в которой считалось, что группы электронов движутся вокруг ядра на определенных расстояниях, так что их орбиты образуют «оболочки».

Электронная оболочка может рассматриваться как орбита, по которой следуют электроны вокруг ядра атома.Поскольку каждая оболочка может содержать только фиксированное число электронов, каждая оболочка связана с определенным диапазоном энергии электронов, и поэтому каждая оболочка должна полностью заполниться, прежде чем электроны могут быть добавлены к внешней оболочке. Электроны на самой внешней оболочке определяют химические свойства атома (см. Валентную оболочку). Для объяснения того, почему электроны существуют в этих оболочках, см. электронную конфигурацию.

Рис.

Электронные оболочки обозначены K, L, M, N, O, P и Q; или 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7; идущий от самой внутренней оболочки наружу.Электроны во внешних оболочках имеют более высокую среднюю энергию и перемещаются дальше от ядра, чем электроны во внутренних оболочках. Это делает их более важными в определении того, как атом реагирует химически и ведет себя как проводник, потому что притяжение ядра атома к ним слабее и его легче сломать. Таким образом, реакционная способность данного элемента сильно зависит от его электронной конфигурации.

Чертеж моделей оболочки

Видео \(\PageIndex{1}\) Как нарисовать модель оболочки для серы.

Примечание: Количество электронов, которые могут занимать каждый энергетический уровень, равно 2 (первый уровень), 8 (2-й уровень), 18 (3-й уровень) и 32 (4-й уровень) на основе формулы: количество электронов = 2(n) ² , где n = главный уровень энергии.

В таблице \(\PageIndex{1}\) показано количество электронов, заполняющих каждую оболочку для нейтральных атомов нескольких элементов. Как упоминалось ранее, самая внутренняя оболочка (соответствующая самой низкой энергии) заполняется первой, и в каждой оболочке допускается только фиксированное количество электронов.Единственный электрон в водороде (Z=1) переходит на первую оболочку. В атоме лития (Z=3) два электрона заполняют первую оболочку, а третий электрон переходит на вторую оболочку. Атом аргона (Z=18) имеет 18 электронов. 10 электронов заполняют первую и вторую оболочки, а оставшиеся 8 электронов переходят на третью оболочку. Электронная конфигурация элементов без аргона более подробно описана в разделе 3.7.

Примечание:* В нейтральном атоме количество протонов равно количеству электронов.

Резюме

• Электромагнитное излучение имеет широкий спектр, включая гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны.
• Различные цвета света различаются по частоте (или длине волны).

• Модель Бора предполагает, что каждый атом имеет набор неизменных энергетических уровней, и электроны в электронном облаке этого атома должны находиться на одном из этих энергетических уровней.
• Модель Бора предполагает, что атомные спектры атомов создаются электронами, получающими энергию из какого-то источника, перескакивающими на более высокий энергетический уровень, затем немедленно падающими обратно на более низкий энергетический уровень и излучающими энергию, различную для двух энергетических уровней.
• Существование атомных спектров подтверждает боровскую модель атома.
• Модель Бора оказалась успешной только при расчете уровней энергии для атома водорода.