книги из ГПНТБ / Бобов С.С. Физика в сельском хозяйстве
.pdfпроверку. Эту группу приборов можно отнести к тех нике земледелия будущего.
Полупроводники в основном обладают электронной проводимостью. При нагревании их возрастает число свободных электронов, направленное движение кото рых образует ток. В результате сопротивление полу проводника уменьшается. В некоторых полупровод никовых материалах изменение температуры на 1° со провождается снижением сопротивления до 4%. Если из такого полупроводника изготовить маленький стер женек или шарик и измерить его сопротивление при различных температурах, то им можно пользоваться как термометром. Подобный полупроводник называют термосопротивлением, или термистором. В полупро водниковых приборах термисторы обычно применяют ся как датчики температур.
Достаточно датчик поместить в среду, температуру которой требуется измерить, или прикоснуться им к
поверхности тела, как он примет его температуру. Та кие термометры позволяют точно измерять температу ру даже на значительном расстоянии от объектов, ве сти непрерывные записи температуры и влажности. Соединив термистор с сигнальным или командным устройством автоматической системы, получают при способления автоматического контроля температур, их сохранения или изменения по заданной программе.
На том же физическом принципе основано устрой ство и полупроводниковых измерителей влажности. Относительная влажность воздуха представляет одну из наиболее важных характеристик условий произра стания растений. Наиболее распространен при изме рениях влажности психрометр Ассмана. Однако он обладает рядом существенных недостатков. Необхо димо непосредственное участие измерителя, что неиз бежно влияет на результаты наблюдений. По показа ниям прибора влажность определяют с помощью спе
11
циальной таблицы-номограммы. Пользуясь этим уст ройством, невозможно автоматизировать наблюдения.
Все эти недостатки исключены в электропсихро метре, созданном Агрофизическим институтом. В нем два термометра обычного психрометра заменены двумя одинаковыми термисторами, один из кото рых смачивается водой. Аспирация воздуха вызывает ся вращением моторчика. Отсчеты влажности дают ся непосредственно по шкале прибора и могут непре рывно записываться.
Другое замечательное свойство полупроводников— высокая чувствительность к действию света, способ ность превращать энергию светового излучения в электрический ток — получило применение в прибо рах для измерения освещенности и в различного рода автоматических устройствах. Основной частью таких приборов является полупроводниковый фотоэлемент. При освещении чувствительной поверхности его в це пи создается фототок.
Полупроводниковые элементы могут получить ши рокое применение при автоматизации управления мик роклиматом теплиц, освещении животноводческих по мещений, искусственном продлении светового дня, ультрафиолетовом облучении животных и птицы, а также при многих производственных процессах.
Пути применения фотоэлементов ищут и механиза торы. Благодаря высокой чувствительности к дейст вию света появление или исчезновение светового луча достаточно для немедленной реакции фотоэлемента и передачи им команды исполнительному устройству. На этом принципе в автоматизации земледелия воз можно точное проведение квадратно-гнездового сева
12
и посадки растений. В системе дистанционного управ ления сельхозмашинами, работающими без водите лей, фотоэлементам может быть поручено наблюдение за их нормальной работой. В случае поломки деталей или другой неисправности машины фотоэлемент не
медленно остановит ее и даст на пульт управления сигнал о характере аварии.
В полупроводниках возможно непосредственное превращение тепловой энергии в электрическую. Если составить замкнутую цепь из двух различных полу проводников и в местах их спаев поддерживать раз
ную температуру, то в цепи появится ток. Такая пара образует термоэлемент, а при их последовательном соединении создается термобатарея. Они получают применение в малой энергетике. В сельском хозяйстве термогенераторы используются для питания электро технических и радиотехнических устройств.
13
В полупроводниках про исходят разнообразные пре вращения энергии. Возмож но явление, в некотором роде противоположное тер моэлектричеству. Проходя через термобатарею, ток охлаждает одни и нагре вает другие спаи. Полупро водниковые термобатареи превращаются в источник тепла или холода в зависи мости от направления тока. Они могут обогревать теп лицы, животноводческие по мещения и птичники. Если поместить нагревающиеся спаи батареи внутри поме щения, а охлаждающиеся— снаружи, то батарея будет обогревать помещение за счет тепла, отнятого у на ружного воздуха даже в зимнее время.
Отопление полупровод никовыми батареями позво ляет легко регулировать тепловой режим, создавать в теплицах и других про изводственных помещениях необходимый микроклимат. В случае повышения тем-
%
-ц
пературы выше заданной автомату достаточно пере ключить в батарее направление тока, как помещение начнет охлаждаться. На работу полупроводникового отопления затрачивается небольшое количество элек троэнергии, что обуславливает его высокую экономич ность.
На таком же принципе работают и полупроводни ковые холодильники, которые по расходу энергии значительно экономичнее всех существующих холо дильных установок. Они найдут применение для охлаждения молока и для сохранения спермы при искусственном осеменении животных. Полупроводни ковой холодильной камерой при перевозках скоро портящихся продуктов можно оборудовать обычную автомашину. Аккумулятор машины вполне обеспечит холодильник энергией.
Полупроводники внесут много нового в работу сельскохозяйственных машин. На тракторах и авто мобилях обычное радиаторное охлаждение можно за менить полупроводниковым термоэлектрическим ох лаждением. Пропуская небольшой ток через радиатор в виде полупроводниковой термобатареи, можно обе спечить непрерывный отвод тепла от двигателя нару жу. Такой радиатор будет небольшим, легким и дол говечным в работе, его не надо заливать водой и про гревать в зимнее время.
В этом разделе кратко рассказано о некоторых возможностях использования полупроводников в но вой сельскохозяйственной технике.
ФИЗИКА В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Растения и свет
К. А. Тимирязев с присущим ему талантом на ру беже двух последних столетий создал увлекательную картину жизни растительного мира нашей планеты, сделал смелую попытку раскрыть тайны процессов, протекающих в зеленом листе. «Едва ли какой процесс, совершающийся на поверхности Земли, заслуживает в такой степени всеобщего внимания, как тот, еще да леко не разгаданный процесс, который происходит в зеленом листе, когда на него падает луч солнца»1, — писал великий русский естествоиспытатель.
Трудами К- А. Тимирязева закончился первый1
1 К. А. Тимирязев. Солнце, жизнь и хлорофилл. М., Сельхозгиз, 1956.
16
период развития физиологии растений, раскрывший основные стороны их жизнедеятельности. Вслед за этим начался новый этап выяснения внутренней орга низации и энергетики жизненных явлений в организме растений. «Мы переживаем период, когда физиология растений уделяет все большее внимание изучению внутренней организации процессов жизнедеятельно сти. На этой основе возникают основные прин ципы практического управления деятельностью расте ний»1, — говорит академик А. Л. Курсанов.
Успехи физиологии на новом этапе ее развития до стигнуты с помощью точных наук, особенно физики, которая вооружает биологию теоретическими и экспе риментальными методами проникновения в тайны жи вых организмов.
Фотосинтез и дыхание являются важнейшими про цессами жизнедеятельности растений. При дыхании они выделяют углекислоту, которая ранее была свя зана ими при фотосинтезе. В наше время к этому про цессу приковано внимание ученых всего мира.
Покорение фотосинтеза воле человека диктуется быстрым ростом населения земного шара, требующим резкого увеличения производства сельскохозяйствен ных продуктов.
Какие выгоды получит человечество, овладев уп равлением фотосинтеза? Как показали исследования, в условиях обычных посевов растения используют на фотосинтез в среднем 1—1,5% энергии, приносимой солнечными лучами на поверхность листьев. Профес-
1 А. Л. Курсанов. Внутренняя организация физиологических процессов у растений. Сб. «Глазами ученого». Изд-во АН СССР, 1963.
17
• Л .'ТУаЛИЧНАЯ |
II |
ч-ч-ТЕХНИЧЕСКАЯ |
|
... 6.і,іот£ка сест»
сор А. А. Ничипорович показал, что растения спо собны освоить до 28% лучистой энергии. Возникает вопрос, почему так неохотно они используют солнеч ный свет? Оказалось, что в усвоении солнечной энер гии они не получают достаточной помощи от окру жающей среды.
Интенсивность протекания фотосинтеза зависит от количества влаги, углекислого газа, усвояемых удоб рений и других факторов. Улучшая условия внешней среды и активно воздействуя на использование расте ниями света, тепла, влаги и воздуха, можно создавать более благоприятные условия для фотосинтеза и, в ко нечном счете, получать более высокие урожаи.
Свет в жизни растений является прежде всего источником энергии для фотосинтеза. Он существенно влияет на рост и формирование растений, обуславли вает прохождение ими световой стадии развития. Свет, использованный растениями, определяется не только его количеством и составом, но и условиями, при которых он действует.
Энергия солнечного луча имеет сложный по биоло гическому действию состав, отдельные ее области не одинаково влияют на жизнь растений. Видимый свет, к которому чувствителен наш глаз, образует сравни тельно небольшой диапазон световых волн с длинами от 380 до 780 ммк. Длинами волн видимого света оп ределяется различная окраска лучей. За фиолетовой частью спектра расположена обширная область уль
трафиолетовых лучей.
Красная часть спектра переходит в область инфра красного излучения, вызывающего тепловое действие. Зеленый лист поглощает лучи с длинами волн от 295
18
до 2500 ммк. Современной физикой установлено, что свет излучается и поглощается телами квантами—све товыми фотонами. Их энергия растет с уменьшением длины волн излучения и с увеличением — убывает. Фотонной природой света определяются все проявле ния взаимодействия света и вещества, все процессы жизнедеятельности организмов.
Современная квантовая физика помогла биологам понять, как при фотосинтезе взаимодействует свет с растениями. Световые фотоны, проникая в зеленый лист растений, с помощью пигмента хлорофилла раз лагают молекулы воды, разрывая связи между кисло родом и водородом. После некоторых превращений лист выделяет в атмосферу кислород воды, обеспечи вая дыхание растениям, животным и человеку. В сложном процессе фотосинтеза энергия поглощенных хлорофиллом световых фотонов превращается в энер гию химических связей всего комплекса продуктов зеленого растения.
Прошло почти двести лет с тех пор, как начали изучать фотосинтез растений и открыли одну из ос новных его сторон — способность к образованию сво бодного кислорода.
Позднее биологи пришли к выводу, что в фотосин тезе участвует свет, углекислота и вода. Однако только в наше время науке удалось близко подойти к выяс нению, как из углекислоты и воды с участием хлоро-, филла зеленого листа растения и света образуются при фотосинтезе органические вещества и свободный кислород.
В разгадке тайн зеленых растений большая роль принадлежит меченым атомам и квантово-статистиче
19