Діапазон інфрачервоного випромінювання. Характеристики інфрачервоного випромінювання

У невидимій області електромагнітного спектру, яка починається за видимим червоним світлом і закінчується перед мікрохвильовим випромінюванням між частотами 1012 та 5∙1014 Гц (або знаходиться в діапазоні довжин хвиль 1-750 нм). Назва походить від латинського слова infra і означає "нижче червоного".

Застосування інфрачервоних променів різноманітне. Вони використовуються для візуалізації об'єктів у темряві або в диму, опалення саун та підігріву крил повітряних суден для захисту від зледеніння, у ближньому зв'язку та при проведенні спектроскопічного аналізу органічних сполук.

Відкриття

Інфрачервоні промені були виявлені 1800 р. британським музикантом та астрономом-аматором німецького походження Вільямом Гершелем. Він за допомогою призми поділив сонячне світлона складові його компоненти та за червоною частиною спектра за допомогою термометра зареєстрував збільшення температури.

ІЧ-випромінювання та тепло

Інфрачервоне випромінюваннячасто називають тепловим. Слід, проте, відзначити, що є лише його наслідком. Тепло - це міра поступальної енергії (енергії руху) атомів та молекул речовини. «Температурні» датчики практично вимірюють не тепло, лише відмінності в ІЧ-випромінюванні різних об'єктів.

Багато вчителів фізики інфрачервоним променям традиційно приписують всю теплову радіацію Сонця. Але це зовсім так. З видимим сонячним світлом надходить 50% всього тепла, і електромагнітні хвилі будь-якої частоти за достатньої інтенсивності можуть викликати нагрівання. Однак справедливо буде сказати, що за кімнатної температури об'єкти виділяють тепло в основному в смузі середнього інфрачервоного діапазону.

ІЧ-випромінювання поглинається і випускається обертаннями та вібраціями хімічно зв'язаних атомів або їх груп і, отже, багатьма видами матеріалів. Наприклад, прозоре для видимого світлавіконне скло ІЧ-радіацію поглинає. Інфрачервоні промені значною мірою абсорбуються водою та атмосферою. Хоча вони невидимі для очей, їх можна відчути шкірою.

Земля як джерело інфрачервоного випромінювання

Поверхня нашої планети та хмари поглинають сонячну енергію, більшу частину якої у вигляді ІЧ-радіації віддають в атмосферу. Певні речовини в ній, в основному пара і краплі води, а також метан, вуглекислий газ, оксид азоту, хлорфторвуглеці та гексафторид сірки, поглинають у інфрачервоної областіспектра та перевипромінюють у всіх напрямках, у тому числі на Землю. Тому через парниковий ефект земна атмосфера і поверхня набагато тепліше, ніж якби речовини, що поглинають ІЧ-промені, у повітрі були б відсутні.

Це випромінювання грає важливу рольтеплопередачі і є невід'ємною частиною так званого парникового ефекту. У глобальному масштабі вплив інфрачервоних променів поширюється на радіаційний балансЗемлі і зачіпає майже всю біосферну активність. Майже кожен об'єкт на поверхні нашої планети випускає електромагнітне випромінюванняпереважно у цій частині спектра.

Області ІЧ-діапазону

ІЧ-діапазон часто поділяється на вужчі ділянки спектра. Німецький інститут стандартів DIN визначив такі області довжин хвиль інфрачервоних променів:

• ближній (0,75-1,4 мкм), який зазвичай використовується у волоконно-оптичному зв'язку;
• короткохвильовий (1,4-3 мкм), починаючи з якого значно зростає поглинання ІЧ-випромінювання водою;
• середньохвильовий, також званий проміжним (3-8 мкм);
• довгохвильовий (8-15 мкм);
• дальній (15-1000 мкм).

Однак, ця схема класифікації не використовується повсюдно. Наприклад, у деяких дослідженнях вказуються такі діапазони: ближній (0,75-5 мкм), середній (5-30 мкм) та довгий (30-1000 мкм). Довжини хвиль, що використовуються в телекомунікації, поділяються на окремі смуги через обмеження детекторів, підсилювачів та джерел.

Загальна система позначень виправдана реакціями людини на інфрачервоні промені. Близька ІЧ-область найближча до довжини хвилі, видимої людським оком. Середнє та дальнє ІЧ-випромінювання поступово віддаляються від видимої частини спектру. Інші визначення наслідують різні фізичні механізми (такі як піки емісії та поглинання води), а найновіші засновані на чутливості використовуваних детекторів. Наприклад, звичайні кремнієві рецептори чутливі в області близько 1050 нм, а арсенід індій-галію - в діапазоні від 950 нм до 1700 і 2200 нм.

Чітка межа між інфрачервоним та видимим світлом не визначена. Око людини значно менш чутливе до червоного світла, що перевищує довжину хвилі 700 нм, проте інтенсивне свічення (лазера) можна бачити приблизно до 780 нм. Початок ІЧ-діапазону визначається в різних стандартах по-різному – десь між цими значеннями. Зазвичай це 750 нм. Тому видимі інфрачервоні промені можливі діапазоні 750-780 нм.

Позначення у системах зв'язку

Оптичний зв'язок у ближній ІЧ-області технічно поділяється на ряд смуг частот. Це пов'язано з різними поглинаючими та передаючими матеріалами (волокнами) та детекторами. До них відносяться:

• О-діапазон 1260-1360 нм.
• Е-діапазон 1360-1460 нм.
• S-діапазон 1460-1530 нм.
• C-діапазон 1530-1565 нм.
• L-діапазон 1565-1625 нм.
• U-діапазон 1625-1675 нм.

Термографія

Термографія, або теплобачення – це тип інфрачервоного зображення об'єктів. Оскільки всі тіла випромінюють в ІЧ-діапазоні, а інтенсивність радіації збільшується з температурою, для її виявлення та отримання знімків можна використовувати спеціалізовані камери з ІЧ-датчиками. У випадку дуже гарячих об'єктів у ближній інфрачервоній або видимій області цей метод називається пірометрією.

Термографія не залежить від освітлення видимим світлом. Отже, можна «бачити» довкілля навіть у темряві. Зокрема, теплі предмети, зокрема й теплокровні тварини, добре виділяються більш холодному тлі. Інфрачервона фотографія ландшафту покращує відображення об'єктів залежно від їхньої тепловіддачі: блакитне небоі вода здаються майже чорними, а зелене листя та шкіра яскраво проявляються.

Історично термографія широко використовувалася військовими та службами безпеки. Крім того, вона знаходить багато інших застосувань. Наприклад, пожежники використовують її, щоб бачити крізь дим, знаходити людей та локалізувати гарячі крапки під час пожежі. Термографія може виявити патологічне зростання тканин та дефекти в електронних системах та схемах через їх підвищене виділення тепла. Електрики, що обслуговують лінії електропередач, можуть виявити з'єднання, що перегріваються, і деталі, що сигналізує про порушення їх роботи, і усунути потенційну небезпеку. При порушенні теплоізоляції фахівці-будівельники можуть побачити витік тепла та підвищити ефективність систем охолодження або обігріву. У деяких автомобілях високого класу тепловізори встановлюються для допомоги водієві. За допомогою термографічних зображень можна контролювати деякі фізіологічні реакції у людей та теплокровних тварин.

Зовнішній вигляд та спосіб роботи сучасної термографічної камери не відрізняються від таких у звичайної відеокамери. Можливість бачити в інфрачервоному спектрі є настільки корисною функцією, що можливість запису зображень часто опціональна, і модуль запису не завжди доступний.

Інші зображення

В ІЧ-фотографії ближній інфрачервоний діапазон захоплюється за допомогою спеціальних фільтрів. Цифрові фотоапарати зазвичай блокують ІЧ-випромінювання. Однак дешеві камери, які не мають відповідних фільтрів, здатні «бачити» в ближньому ІЧ-діапазоні. При цьому зазвичай невидиме світловиглядає яскраво-білим. Особливо це помітно під час зйомки поблизу освітлених інфрачервоних об'єктів (наприклад, лампи), де перешкоди роблять знімок бляклим.

Також варто згадати Т-променеву візуалізацію, яка є отриманням зображення в далекому терагерцовому діапазоні. Відсутність яскравих джерел робить такі знімки більш складними, ніж більшість інших методів ІЧ-візуалізації.

Світлодіоди та лазери

Штучні джерела інфрачервоного випромінювання включають, окрім гарячих об'єктів, світлодіоди та лазери. Перші є невеликі недорогі оптоелектронні пристрої, виготовлені з таких напівпровідникових матеріалів, як арсенід галію. Вони використовуються як оптоізолятори і як джерела світла в деяких системах зв'язку на основі волоконної оптики. Потужні ІЧ-лазери з оптичним накачуванням працюють на основі двоокису та окису вуглецю. Вони використовуються для ініціації та зміни хімічних реакційта поділу ізотопів. Крім того, вони застосовуються у лідарних системах визначення дистанції до об'єкта. Також джерела інфрачервоного випромінювання використовуються в далекомірах автоматичних самофокусуючих камер, охоронної сигналізації та оптичних приладівнічного бачення.

ІЧ-приймачі

До приладів виявлення ІЧ-випромінювання відносяться термочутливі пристрої, такі як термопарні детектори, болометри (деякі з них охолоджуються до температур, близьких до абсолютного нуля, щоб знизити перешкоди від самого детектора), фотогальванічні елементи та фотопровідники. Останні виготовляються з напівпровідникових матеріалів (наприклад, кремнію та сульфіду свинцю), електрична провідністьяких збільшується за впливу інфрачервоних променів.

Обігрів

Інфрачервоне випромінювання використовується для нагрівання – наприклад, для опалення саун та видалення льоду з крил літаків. Крім того, воно все частіше застосовується для плавлення асфальту під час укладання нових доріг чи ремонту пошкоджених ділянок. ІЧ-випромінювання може використовуватися при приготуванні та підігріві їжі.

Зв'язок

ІЧ-довжини хвиль застосовуються для передачі даних на невеликі відстані, наприклад, між комп'ютерною периферією та персональними цифровими помічниками. Ці пристрої, як правило, відповідають стандартам IrDA.

ІЧ-зв'язок зазвичай використовується всередині приміщень у районах із високою щільністю населення. Це найпоширеніший спосіб дистанційного керування пристроями. Властивості інфрачервоних променів не дозволяють їм проникати крізь стіни, тому вони не взаємодіють з технікою в сусідніх приміщеннях. Крім того, ІЧ-лазери використовуються як джерела світла в оптоволоконних системах зв'язку.

Спектроскопія

Інфрачервона радіаційна спектроскопія - це технологія, що використовується для визначення структур та складів (головним чином) органічних сполук шляхом вивчення пропускання ІЧ-випромінювання через зразки. Вона ґрунтується на властивостях речовин поглинати певні його частоти, які залежать від розтягування та вигину всередині молекул зразка.

Характеристики інфрачервоного поглинання та випромінювання молекул та матеріалів дають важливу інформаціюпро розмір, форму та хімічного зв'язкумолекул, атомів та іонів у твердих тілах. Енергії обертання та вібрації квантуються у всіх системах. ІЧ-випромінювання енергії hν, що випромінюється або поглинається даною молекулою або речовиною, є мірою різниці деяких внутрішніх енергетичних станів. Вони, у свою чергу, визначаються атомною вагою та молекулярними зв'язками. З цієї причини інфрачервона спектроскопія є потужним інструментомвизначення внутрішньої структури молекул і речовин або, коли така інформація вже відома та табульована, їх кількості. ІЧ-методи спектроскопії часто використовуються для визначення складу та, отже, походження та віку археологічних зразків, а також для виявлення підробок творів мистецтва та інших предметів, які під час огляду під видимим світлом нагадують оригінали.

Користь та шкода інфрачервоних променів

Довгохвильове ІЧ-випромінювання застосовується в медицині з метою:

• нормалізації артеріального тиску шляхом стимуляції кровообігу;
• очищення організму від солей важких металівта токсинів;
• поліпшення кровообігу мозку та пам'яті;
• нормалізації гормонального тла;
• підтримання водно-сольового балансу;
• обмеження поширення грибків та мікробів;
• знеболення;
• зняття запалення;
• зміцнення імунітету.

Водночас ІЧ-випромінювання може завдати шкоди при гострих гнійних захворюваннях, кровотечах, гострих запаленнях, хворобах крові, злоякісних пухлинах. Неконтрольована тривала дія веде до почервоніння шкіри, опіків, дерматиту, теплового удару. Короткохвильові ІЧ-промені небезпечні для очей - можливий розвиток світлобоязні, катаракти, порушень зору. Тому для опалення повинні застосовуватись виключно джерела довгохвильового випромінювання.

Інфрачервоне випромінювання (ІЧ) - це електромагнітне випромінювання з більшою довжиноюхвилі, ніж видиме світло, що тягнеться від номінального червоного краю видимого спектру на 0,74 мкм (мікрон) до 300 мкм. Цей діапазон довжин хвиль відповідає частоті діапазону приблизно від 1 до 400 ТГц, і включає більшу частину теплового випромінювання, що випускається об'єктами поблизу кімнатної температури. Інфрачервоне випромінювання випромінюється або поглинається молекулами, коли вони змінюють свої обертально-коливальні рухи. Наявність інфрачервоного випромінювання було вперше виявлено в 1800 астрономом Вільямом Гершелем.

Більшість енергії від Сонця надходить Землю як інфрачервоного випромінювання. Сонячне світло в зеніті забезпечує освітленість трохи більше 1 кіловат на квадратний метрнад рівнем моря. З цієї енергії, 527 ватів інфрачервоного випромінювання, 445 Вт є видимим світлом, і 32 ватів ультрафіолетовим випромінюванням.

Інфрачервоне світло використовується у промислових, наукових та медичних потребах. Прилади нічного бачення за допомогою інфрачервоного підсвічування дозволяють людям спостерігати за тваринами, які неможливо помітити у темряві. В астрономії зображення в інфрачервоному діапазоні дозволяє спостерігати приховані об'єкти міжзоряним пилом. Інфрачервоні камери використовуються для виявлення втрати тепла в ізольованих системах, спостерігати за зміною кровотоку в шкірі, а також для виявлення перегріву електроустаткування.

Інфрачервоні зображення широко використовуються для військових та цивільних цілей. Військові застосування включають такі цілі як спостереження, нічне спостереження, наведення і стеження. Не для військового застосування включають теплову ефективність аналізу, моніторингу навколишнього середовища, промислової інспекції об'єктів, дистанційне зондування температури, бездротовий зв'язок, що короткодіє, спектроскопію та прогноз погоди. Інфрачервона астрономія використовує датчик обладнаний телескопами для того, щоб проникнути в курні області простору, такі як молекулярні хмари, і виявляти об'єкти, такі як планети.

Хоча близькохвильова інфрачервона область спектру (780-1000 нм) вже давно вважається неможливою через шум у зорових пігментах, відчуття ближнього інфрачервоного світла збереглося у коропа і трьох видах циклид. Риби використовують близькохвильову інфрачервону область спектру, щоб захопити видобуток і для фототактичної орієнтації під час плавання. Близьохвильова інфрачервона область спектру для риби може бути корисна в умовах поганого освітлення в сутінках і в каламутних поверхнях води.

Фотомодуляція

Близьке інфрачервоне світло або фотомодуляція використовується для лікування хіміотерапією індукованих виразок, а також загоєння ран. Існує ряд робіт, пов'язаних із лікуванням вірусу герпесу. Дослідницькі проективключають роботу над вивченням центральної нервової системи і лікувальним впливом через регуляцію цитохром і оксидаз та інші можливі механізми.

Небезпека здоров'ю

Сильне інфрачервоне випромінювання у певній галузі та режимі високих температур може бути небезпечним для очей, що може призвести до пошкодження зору або сліпоти по відношенню до користувача. Оскільки випромінювання невидиме, необхідно надягати спеціальні інфрачервоні окуляри у таких місцях.

Земля як інфрачервоний випромінювач

Поверхня Землі та хмари поглинають видиме та невидиме випромінювання від сонця і знову повертають більшу частину енергії у вигляді інфрачервоного випромінювання назад в атмосферу. Деякі речовини в атмосфері, головним чином, краплі хмар і водяні пари, а також діоксид вуглецю, метан, окис азоту, гексафторид сірки та хлорфторвуглець поглинають інфрачервоне випромінювання і знову повертають його у всіх напрямках, включаючи назад на Землю. Таким чином, парниковий ефектзберігає атмосферу та поверхню набагато тепліше, ніж якби інфрачервоні амортизатори були відсутні в атмосфері.

Історія науки про інфрачервоне випромінювання

Відкриття інфрачервоного випромінювання приписується Вільяму Гершелю, астроному на початку 19 століття. Гершель опублікував результати своїх досліджень у 1800 році до Лондонського королівського товариства. Гершель використав призму, щоб переломити світло від сонця та виявити інфрачервоне випромінювання, поза червоною частиною спектра, через збільшення температури, зареєстрованої на термометрі. Він був здивований результатом і назвав їх «тепловим промінням». Термін «інфрачервоне випромінювання» виникли лише наприкінці 19 століття.

Інші важливі дативключають:

• 1737: Емілі дю Шатле передбачив, що сьогодні відомо як інфрачервоне випромінювання у своїй дисертації.
• 1835: Маседоніо Мельйоні робить перші термобатареї з інфрачервоним детектором.
• 1860 - Густав Кірхгоф формулює теорему абсолютно чорного тіла.
• 1873: Віллоубі Сміт виявив фотопровідність селену.
• 1879: Досвідченим шляхом сформульовано закон Стефана-Больцмана, згідно з яким енергія, випромінювана абсолютно чорним тілом, пропорційна.
• 1880-і та 1890-і роки: Лорд Релей і Вільгельм Він обидва вирішують частину рівняння абсолютно чорного тіла, але обидва рішення - приблизні. Цю проблему називали «ультрафіолетовою катастрофою та інфрачервоною катастрофою».
• 1901: Макс Планк Макс Планк видав рівняння абсолютно чорного тіла та теорему. Він вирішив проблему квантування допустимих енергетичних переходів.
• 1905: Альберт Ейнштейн розробляє теорію фотоелектричного ефектуяка визначає фотони. Також Вільям Коблентз у спектроскопії та радіометрії.
• 1917: Теодор Кейз розробляє датчик талію-сульфіду; британці розробляють перший прилад інфрачервоного пошуку та стеження у Першій світовій війні та виявляють літаки в діапазоні 1,6 км.
• 1935: Свинцеві солі – раннє ракетне керівництво у Другій світовій війні.
• 1938: Тью Та передбачив, що піроелектричний ефект може використовуватися, щоб виявити інфрачервону радіацію.
• 1952: Н. Вілкер виявляє антимоніди, з'єднання сурми з металами.
• 1950: Поль Круз та техаські інструменти утворюють інфрачервоні зображення до 1955 року.
• 1950-і та 1960-і роки: Специфікація та радіометричні підрозділи, визначені Фредом Нікодеменасом, Робертом Кларком Джоунсом.
• 1958 - У. Д. Лоусон (Королівська Радарна Установа в Мальверні) виявляє властивості виявлення ІЧ-фотодіодом.
• 1958: Фелкон розробив ракети з використанням інфрачервоного випромінювання і з'являється перший підручник з інфрачервоних датчиків Поля Круза та ін.
• 1961: Джей Купер винайшов піроелектричне виявлення.
• 1962: Kruse та Родат просувають фотодіоди; елементи сигналів та лінійних масивів доступні.
• 1964: У. Г. Еванс виявляє інфрачервоні терморецептори у жука.
• 1965: Перший інфрачервоний довідник, перші комерційні тепловізори; сформовано лабораторію нічного бачення в армії Сполучених Штатів Америки (нині лабораторію управління нічного бачення та електронними датчиками).
• 1970: Уіллард Бойл і Джордж Е.Сміт пропонують прилад із зарядним зв'язком для телефону із зображеннями.
• 1972: Створено загальний програмний модуль.
• 1978: Інфрачервона астрономія зображень досягає повноліття, заплановано створення обсерваторії, масове виробництво антимонідів та фотодіодів та інших матеріалів.

У 1800 році вчений Вільям Гершель оголосив на засіданні Лондонського Королівського товариствапро своє відкриття. Він виміряв температуру за межами спектру та виявив невидимі промені з великою нагрівальною силою. Досвід проводився за допомогою світлофільтрів телескопа. Він помітив, що вони в різною міроюпоглинають світло та тепло сонячних променів.

Через 30 років факт існування невидимих ​​променів, розташованих за червоною частиною видимого сонячного спектру, був незаперечно доведений. Французький Беккерель назвав це випромінювання інфрачервоним.

Властивості ІЧ-випромінювання

Спектр інфрачервоного випромінювання складається з окремих ліній та смуг. Але він може бути так само безперервним. Все залежить від джерела ІЧ променів. Інакше кажучи, має значення кінетична енергіяабо температура атома чи молекули. Будь-який елемент таблиці Менделєєва в умовах різних температурмає різноманітні характеристики.

Наприклад, інфрачервоні спектри збуджених атомів через відносний стан спокою зв'язки ядро ​​- матимуть строго лінійчасті ІЧ-спектри. А збуджені молекули – смугасті, хаотично розташовані. Усе залежить лише від механізму накладання власних лінійних спектрів кожного атома. Але також від взаємодії цих атомів між собою.

При підвищенні температури змінюється спектральна характеристикатіла. Так, нагріті тверді та рідкі тіла виділяють безперервний інфрачервоний спектр. При температурах нижче 300°С випромінювання нагрітого твердого тілаповністю розташоване в інфрачервоній області. Від діапазону температур залежить як вивчення ІЧ-хвиль, так їх застосування найважливіших властивостей.

Головні властивості ІЧ-променів це поглинання та подальше нагрівання тіл. Принцип передачі тепла інфрачервоними обігрівачами відрізняється від принципів конвекції чи теплопровідності. Перебуваючи в потоці гарячих газів, предмет втрачає якусь кількість тепла, поки його температура нижча за температуру нагрітого газу.

І навпаки: якщо інфрачервоні випромінювачі опромінюють предмет, ще означає, що його поверхню дане випромінювання поглинає. Він може також відбивати, поглинати чи пропускати промені без втрат. Практично завжди опромінюваний предмет поглинає частину цього опромінення, частина відбиває і пропускає.

Далеко не всі об'єкти, що світяться, або нагріті тіла випромінюють ІЧ-хвилі. Наприклад, люмінісцентні лампиабо полум'я газової плити такого випромінювання немає. Принцип роботи люмінесцентних лам заснований на світінні (фотолюмінесценції). Її спектр найближчий до спектра денного, білого світла. Тому ІЧ-випромінювання у ньому майже немає. А найбільша інтенсивність випромінювання полум'я газової плити посідає довжину хвилі блакитного кольору. У перерахованих нагрітих тіл ІЧ-випромінювання дуже слабке.

Існують також речовини, які прозорі для видимого світла, але не здатні пропускати ІЧ-промені. Наприклад, шар води завтовшки кілька сантиметрів не пропустить інфрачервоне випромінювання із довжиною хвилі більше 1 мкм. При цьому людина може розрізнити предмети, що перебувають на дні, неозброєним оком.

Інфрачервоне випромінювання – один із типів електромагнітного випромінювання, що межує з червоною частиною спектра видимого світла з одного боку та мікрохвильами – з іншого. Довжина хвилі – від 0.74 до 1000–2000 мікрометрів. Інфрачервоні хвилі називають ще «тепловими». Виходячи з довжини хвилі, їх класифікують на три групи:

короткохвильові (0.74-2.5 мікрометрів);

середньохвильові (довше 2.5, коротше 50 мікрометрів);

довгохвильові (більше 50 мікрометрів).

Джерела інфрачервоного випромінювання

На нашій планеті інфрачервоне випромінювання аж ніяк не рідкість. Практично будь-яке тепло ефект впливу інфрачервоних променів. Неважливо, що це: сонячне світло, тепло наших тіл або нагрівання, що походить від опалювальних приладів.

Інфрачервона частина електромагнітного випромінювання гріє не простір, а сам об'єкт. Саме на цьому принципі побудовано роботу інфрачервоних ламп. Та й Сонце обігріває Землю аналогічним чином.

Вплив на живі організми

на Наразі, науці невідомі підтверджені факти негативного впливуінфрачервоних променів на організм людини Хіба що через занадто інтенсивне випромінювання може пошкодитися слизова оболонка очей.

А ось про користь можна говорити дуже довго. Ще в 1996 році, вчені зі США, Японії та Голландії підтвердили низку позитивних медичних фактів. Теплове випромінювання:

знищує деякі із видів вірусу гепатиту;

пригнічує та уповільнює ріст ракових клітин;

має здатність нейтралізації шкідливих електромагнітних полів та випромінювання. У тому числі радіоактивного;

допомагає виробляти інсулін діабетиками;

може допомогти при дистрофії;

покращення стану організму при псоріазі.

Під покращується самопочуття, внутрішні органи починають працювати ефективніше. Збільшується живлення м'язів, неабияк підвищується сила імунної системи. Відомий факт, Що за відсутності інфрачервоного випромінювання, організм відчутно швидше старіє.

Інфрачервоні промені ще називають променями життя. Саме під їх впливом зародилося життя.

Використання інфрачервоних променів у побуті людини

Інфрачервоне світло використовують не менш широко, ніж воно поширене. Мабуть, буде дуже складно знайти хоч одну область народного господарства, де не знайшла собі застосування інфрачервона частина електромагнітних хвиль. Перерахуємо найвідоміші сфери застосування:

військова справа. Самонаведення боєголовок ракет або прилади нічного бачення – це результат використання інфрачервоного випромінювання;

термографія широко використовується у науці визначення перегрітих чи переохолоджених частин досліджуваного об'єкта. Інфрачервоні знімки широко використовуються в астрономії, поряд з іншими типами електромагнітних хвиль;

побутові обігрівачі. На відміну від конвекторів такі пристрої за допомогою променистої енергії нагрівають всі об'єкти приміщення. А вже далі, предмети інтер'єру віддають тепло навколишньому повітрі;

передача даних та дистанційне керування. Так, всі пульти від телевізорів, магнітофонів та кондиціонерів використовують інфрачервоні промені;

дезінфекція в харчової промисловості

медицини. Лікування та профілактика багатьох різнотипних захворювань.

Інфрачервоні промені – невелика частина електромагнітного випромінювання. Будучи природним способом передачі тепла, без нього не обходиться жоден життєвий процес нашій планеті.

Про інфрачервоне випромінювання

З історії вивчення інфрачервоного випромінювання

Інфрачервоне випромінювання чи теплове випромінювання перестав бути відкриттям 20 чи 21 століття. Інфрачервоне випромінювання було відкрито 1800 року англійським астрономом У. Гершелем. Він виявив, що «максимум тепла» лежить поза червоного кольору видимого випромінювання. Це дослідження започаткувало вивчення інфрачервоного випромінювання. Дуже багато відомих вчених доклали свої голови до вивчення даного напряму. Це такі імена як: німецький фізик Вільгельм Він(закон Вина), німецький фізик Макс Планк(формула та постійна Планка), шотландський вчений Джон Леслі(пристрій вимірювання теплового випромінювання – куб Леслі), німецький фізик Густав Кірхгоф(закон випромінювання Кірхгофа), австрійський фізик та математик Йозеф Стефанта австрійський фізик Стефан Людвіг Больцман(Закон Стефана-Больцмана).

Використання та застосування знань з теплового випромінювання в сучасних опалювальних пристроях вийшло на передній планлише у 1950-х роках. У СРСР теорія променистого опалення розроблена у працях Г. Л. Поляка, С. Н. Шоріна, М. І. Кіссіна, А. А. Сандера. З 1956 року в СРСР було написано або перекладено російською мовою безліч технічних книг з даної тематики ( список літератури). У зв'язку зі зміною вартості енергоресурсів та у боротьбі за енергоефективність та енергозбереження, сучасні інфрачервоні обігрівачі отримали широке застосуванняв опаленні побутових та промислових будівель.

Сонячне випромінювання - природне інфрачервоне випромінювання

Найбільш відомим та значним природним інфрачервоним обігрівачем є Сонце. По суті, це природний та найдосконаліший метод обігріву, відомий людству. В межах Сонячна системаСонце це потужне джерелотеплового випромінювання, що зумовлює життя Землі. При температурі поверхні Сонця порядку 6000Кмаксимум випромінювання посідає 0,47 мкм(відповідає жовтувато-білому). Сонце знаходиться на відстані багатьох мільйонів кілометрів від нас, однак це не заважає йому передавати енергію через весь цей величезний простір, практично не витрачаючи її (енергію), не нагріваючи його (простір). Причина в тому, що сонячні інфрачервоні промені проходять довгий шляхв космосі практично не мають втрат енергії. Коли на шляху променів зустрічається, якась поверхня, їх енергія, поглинаючись, перетвориться на тепло. Нагрівається безпосередньо Земля, яку потрапляють сонячні промені, та інші предмети, на які так само потрапляють сонячні промені. І вже земля та інші, нагріті Сонцем предмети, у свою чергу, віддають тепло навколишньому повітрі, тим самим нагріваючи його.

Від висоти Сонця над горизонтом найсуттєвіше залежить як потужність сонячного випромінювання у земної поверхні, і його спектральний склад. Різні компоненти сонячного діапазону по-різному проходять через земну атмосферу. У поверхні Землі спектр сонячного випромінювання має більше складну формущо пов'язано з поглинанням в атмосфері. Зокрема, у ньому немає високочастотної частини ультрафіолетового випромінювання, згубної для живих організмів. на зовнішньому кордоні земної атмосфери, потік променистої енергії Сонця становить 1370 Вт/м²; (сонячна постійна), а максимум випромінювання посідає λ=470 нм(синій колір). Потік, що досягає земної поверхні, значно менший унаслідок поглинання в атмосфері. При самих сприятливих умов(сонце в зеніті) він не перевищує 1120 Вт/м²; (У Москві, в момент літнього сонцестояння - 930 Вт/м²), а максимум випромінювання припадає на λ=555 нм(зелено-жовтий), що відповідає найкращій чутливості очей і лише чверть від цього випромінювання посідає довгохвильову область випромінювання, включаючи вторинні випромінювання.

Однак, природа сонячної променистої енергії дуже відмінна від променистої енергії, що віддається інфрачервоними обігрівачами, що використовуються для обігріву приміщень. Енергія сонячного випромінювання складається з електромагнітних хвиль, фізичні та біологічні властивості яких суттєво відрізняються від властивостей електромагнітних хвиль, що походять від звичайних інфрачервоних обігрівачів, зокрема, бактерицидні та лікувальні (геліотерапія) властивості сонячного випромінювання повністю відсутні у джерел випромінювання з низькою температурою. І все ж таки інфрачервоні обігрівачі дають той же тепловий ефект, що і Сонце, будучи найбільш комфортними та економічними з усіх можливих джерелтепла.

Природа виникнення інфрачервоних променів

Видатний німецький фізик Макс Планквивчаючи теплове випромінювання (інфрачервоне випромінювання), відкрив його атомний характер. Теплове випромінювання- це електромагнітне випромінювання, що випромінюється тілами або речовинами і виникає за рахунок його внутрішньої енергії, обумовлене тим, що атоми тіла чи речовини під впливом теплоти рухаються швидше, а разі твердого матеріалушвидше коливаються проти станом рівноваги. При цьому русі атоми стикаються, а при їх зіткненні відбувається їхнє ударне збудження з подальшим випромінюванням електромагнітних хвиль. Всі предмети безперервно випромінюють та поглинають електромагнітну енергію . Це випромінювання є наслідком безперервного руху елементарних заряджених частинок усередині речовини. Один із основних законів класичної електромагнітної теоріїговорить, що заряджена частка, що рухається з прискоренням, випромінює енергію. Електромагнітне випромінювання (електромагнітні хвилі) це обурення електромагнітного поля, що поширюється в просторі, тобто періодичний електромагнітний сигнал, що змінюється в часі, в просторі, що складається з електричних і магнітних полів. Це теплове випромінювання. Теплове випромінювання містить електромагнітні полярізних довжин хвиль. Оскільки атоми рухаються за будь-якої температури, всі тіла при будь-якій температурі, більше ніж температура абсолютного нуля (-273 ° С)випромінюють тепло. Енергія електромагнітних хвиль теплового випромінювання, тобто сила випромінювання, залежить від температури тіла, його атомної та молекулярної структури, а також стану поверхні тіла. Теплове випромінювання відбувається по всіх довжинах хвиль - від найкоротших до гранично довгих, проте беруть до уваги лише теплове випромінювання, що має практичне значення, яке припадає в діапазоні довжин хвиль: λ = 0,38 – 1000 мкм(У видимій та інфрачервоній частині електромагнітного спектру). Однак не всяке світло має особливості теплового випромінювання (наприклад люмінесценція), тому як основний діапазон теплового випромінювання можна прийняти тільки діапазон інфрачервоного спектру (λ = 0,78 - 1000 мкм). Ще можна зробити доповнення: ділянка з довжиною хвилі λ = 100 – 1000 мкм, З погляду опалення - не цікавий.

Таким чином, теплове випромінювання є однією з форм електромагнітного випромінювання, що виникає за рахунок внутрішньої енергії тіла і має суцільний спектр, тобто це частина електромагнітного випромінювання, енергія якого при поглинанні викликає тепловий ефект. Теплове випромінювання притаманне всім тілам.

Всі тіла, що мають температуру більше ніж температура абсолютного нуля (-273°С), навіть якщо вони не світяться видимим світлом, є джерелом інфрачервоних променів і випускають безперервний спектр інфрачервоного. Це означає, що в випромінюванні присутні хвилі з усіма без винятку частотами, і говорити про випромінювання на певній хвилі, абсолютно безглуздо.

Основні умовні галузі інфрачервоного випромінювання

На сьогодні немає єдиної класифікації у розподілі інфрачервоного випромінювання на складові ділянки (області). У цільовій технічній літературі зустрічається більше десятка схем розподілу області інфрачервоного випромінювання на складові ділянки, і всі вони різняться між собою. Так як всі види теплового електромагнітного випромінювання мають однакову природу, тому класифікація випромінювання по довжинах хвиль в залежності від виробленого ними ефекту носить лише умовний характер і визначаються головним чином відмінностями у техніці виявлення (тип джерела випромінювання, тип приладу обліку, його чутливість тощо) .) та у методиці вимірювання випромінювання. Математично, з використанням формул (Планка, Вина, Ламберта тощо), так само не можна визначити точні межі областей. Для визначення довжини хвилі (максимуму випромінювання) існують дві різні формули(за температурою і частотою), що дають різні результати, з різницею приблизно в 1,8 раз (це так званий закон усунення Вина) і плюс до цього всі розрахунки робляться для АБСОЛЮТНО-ЧОРНОГО ТІЛА (ідеалізованого об'єкта), яких насправді не існує. Реальні тіла, що зустрічаються в природі, не підкоряються цим законам і тією чи іншою мірою від них відхиляються. Інформація взята Компанією ЕССО з технічної літературиросійських та зарубіжних учених" data-lightbox="image26" href="images/26.jpg" title="Розгорнути області інфрачервоного випромінювання"> Излучение реальных тел зависит от ряда !} конкретних характеристиктіла (стани поверхні, мікроструктури, товщини шару тощо). Це також є причиною вказівки в різних джерелахцілковито різних величинмеж областей випромінювання. Все це говорить про те, що використовувати температуру для опису електромагнітного випромінювання треба дуже обережно і з точністю до порядку. Ще раз підкреслюю, поділ дуже умовний!

Наведемо приклади умовного поділу інфрачервоної області (λ = 0,78 - 1000 мкм)на окремі ділянки (інформацію взято лише з технічної літератури російських та зарубіжних учених). На наведеному малюнку видно наскільки різноманітний цей поділ, тому не варто прив'язуватися до жодної з них. Просто потрібно знати, що спектр інфрачервоного випромінювання можна умовно розбити на кілька ділянок, від 2-х до 5-ти. Область, що знаходиться ближче у видимому спектрі зазвичай називають: ближня, близька, короткохвильова тощо. Область, яка знаходиться ближче до мікрохвильових випромінювань - далека, далека, довгохвильова тощо. так: Близька область(Near-infrared, NIR), Короткохвильова область(Short-wavelength infrared, SWIR), Середньохвильова область(Mid-wavelength infrared, MWIR), Довгохвильова область(Long-wavelength infrared, LWIR), Дальня область(Far-infrared, FIR).

Властивості інфрачервоних променів

Інфрачервоні промені- це електромагнітне випромінювання, що має ту ж природу, що і видиме світло, тому воно так де підпорядковується законам оптики. Тому, щоб краще собі уявити процес теплового випромінювання, слід проводити аналогію зі світловим випромінюванням, яке нам усім відоме та доступне спостереженню. Однак не треба забувати, що оптичні властивості речовин (поглинання, відображення, прозорість, заломлення тощо) в інфрачервоній області спектра значно відрізняються від оптичних властивостей у видимій частині спектру. Характерною особливістюінфрачервоного випромінювання є те, що, на відміну від інших основних видів передачі теплоти, тут немає необхідності в передавальній проміжній речовині. Повітря і більше вакуум вважається прозорим для інфрачервоного випромінювання, хоча з повітрям це не зовсім так. При проходженні інфрачервоного випромінювання через атмосферу (повітря) спостерігається деяке ослаблення теплового випромінювання. Це обумовлено тим, що сухий і чисте повітряпрактично прозорий для теплових променів, проте за наявності в ньому вологи у вигляді пари, молекул води (Н 2 Про), Вуглекислий газ (З 2), озона (Про 3)та інших твердих або рідких зважених частинок, які відображають і поглинають інфрачервоні промені, він стає не зовсім прозорим середовищем і в результаті цього потік інфрачервоного випромінювання розсіюється по різним напрямкамта слабшає. Зазвичай розсіювання в інфрачервоній ділянці спектра менше, ніж у видимій. Однак коли втрати, спричинені розсіюванням у видимій області спектра, великі, і інфрачервоної області вони також значні. Інтенсивність розсіяного випромінювання змінюється обернено пропорційно четвертого ступеня довжини хвилі. Воно суттєво тільки в короткохвильовій інфрачервоній ділянці і швидко зменшується в більш довгохвильовій частині спектра.

Молекули азоту та кисню у повітрі не поглинають інфрачервоне випромінювання, а послаблюють його лише внаслідок розсіювання. Зважені частки пилу також призводять до розсіювання інфрачервоного випромінювання, причому величина розсіювання залежить від співвідношення розмірів частинок і довжини хвилі інфрачервоного випромінювання, чим більше частинки, тим більше розсіювання.

Пари води, вуглекислий газ, озон та інші домішки, що є в атмосфері, селективно поглинають інфрачервоне випромінювання. Наприклад, пари води, дуже сильно поглинають інфрачервоне випромінювання у всій інфрачервоній області спектруа вуглекислий газ поглинає інфрачервоне випромінювання в середній інфрачервоній області.

Що стосується рідин, то вони можуть бути прозорими, так і не прозорими для інфрачервоного випромінювання. Наприклад, шар води завтовшки кілька сантиметрів прозорий для видимого випромінювання і непрозорий для інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі більше 1 мкм.

Тверді речовини(тіла), у свою чергу, у більшості випадків не прозорі для теплового випромінюванняале бувають і винятки. Наприклад, пластини кремнію, непрозорі у видимій ділянці, прозорі в інфрачервоній ділянці, а кварц, навпаки, прозорий для світлового випромінювання, але непрозорий для теплових променів із довжиною хвилі понад 4 мкм. Саме з цієї причини кварцове скло не застосовується в інфрачервоних обігрівачах. Звичайне скло, на відміну від кварцового, частково прозоре для інфрачервоних променів, воно також може поглинати значну частинуінфрачервоного випромінювання у певних інтервалах спектру, але за те не пропускає ультрафіолетове випромінювання. Кам'яна сільтак само, прозора для теплового випромінювання. Метали, переважно, мають відбивну здатність для інфрачервоного випромінювання значно більше, ніж для видимого світла, яка зростає зі збільшенням довжини хвилі інфрачервоного випромінювання. Наприклад, коефіцієнт відображення алюмінію, золота, срібла та міді при довжині хвилі близько 10 мкмдосягає 98% що значно вище, ніж для видимого спектру, ця властивість широко використовується в конструкції інфрачервоних обігрівачів.

Достатньо навести тут як приклад засклені рами парників: скло практично пропускає більшу частину сонячного випромінювання, а з іншого боку, розігріта земля випромінює хвилі. великої довжини(порядку 10 мкм), щодо яких скло поводиться як непрозоре тіло. Завдяки цьому всередині парників довгий часпідтримується температура, значно більша, ніж температура зовнішнього повітря, навіть після того, як сонячне випромінювання припиняється.

Важливу роль життя людини грає променистий теплообмін. Людина віддає навколишньому середовищітеплоту, що виробляється в ході фізіологічного процесу, головним чином шляхом променистого теплообміну та конвекції. При променистому (інфрачервоному) опаленні промениста складова теплообміну тіла людини скорочується через більш високої температури, що виникає як на поверхні опалювального приладу, так і на поверхні деяких внутрішніх конструкцій, що захищають, тому при забезпеченні одного і того ж тепло відчуття конвективні тепловтрати можуть бути більше, тобто. температура повітря в приміщенні може бути меншою. Таким чином, променистий теплообмін відіграє вирішальну роль у формуванні відчуття теплового комфорту в людини.

При знаходженні людини в зоні дії інфрачервоного обігрівача ІЧ промені проникають в організм людини через шкіру, при цьому різні шари шкіри по-різному відображають і поглинають ці промені.

При інфрачервоному довгохвильовому випромінюванніпроникнення променів значно менше порівняно з короткохвильовим випромінюванням. Поглинаюча здатність вологи, що міститься в тканинах шкіри, дуже велика, і шкіра поглинає більше 90% випромінювання, що потрапляє на поверхню тіла. Нервові рецептори, що відчувають теплоту, розташовані у зовнішньому шарі шкіри. Інфрачервоні промені, що поглинаються, збуджують ці рецептори, що і викликає у людини відчуття теплоти.

Інфрачервоні промені чинять як місцевий, так і загальний вплив. Короткохвильове інфрачервоне випромінювання, На відміну від довгохвильового інфрачервоного випромінювання, може викликати почервоніння шкіри в місці опромінення, яке рефлекторно поширюється на 2-3 см. навколо області, що опромінюється. Причина в тому, що капілярні судини розширюються, кровообіг посилюється. Незабаром на місці опромінення може з'явитися пухир, який пізніше перетворюється на струп. Так само при попаданні короткохвильових інфрачервонихпроменів на органи зору може виникнути катаракта.

Перераховані вище, можливі наслідкивід впливу короткохвильового ІЧ обігрівача, не слід плутати з впливом довгохвильового ІЧ обігрівача. Як уже було сказано, довгохвильові інфрачервоні промені поглинаються у верхній частині шару шкіри і викликає лише простий тепловий вплив.

Використання променистого опалення не повинно наражати людину на небезпеку і створювати дискомфортний мікроклімат у приміщенні.

При променистому опаленні можна забезпечити комфортні умовипри нижчій температурі. При застосуванні променистого опалення повітря в приміщенні чистіше, оскільки менша швидкість повітряних потоківзавдяки чому зменшується забруднення пилом. Так само при даному опаленні не відбувається розкладання пилу, оскільки температура випромінюючої пластини довгохвильового обігрівача ніколи не досягає температури, необхідної для розкладання пилу.

Чим холодніший випромінювач тепла, тим він нешкідливіший для організму людини, тим довше може бути людина в зоні дії обігрівача.

Тривале перебування людини поблизу високотемпературного джерела тепла (понад 300 ° С) шкідливо для здоров'я людини.

Вплив на здоров'я інфрачервоного випромінювання людини.

Організм людини, як випромінює інфрачервоні променітак і поглинає їх. ІЧ промені проникають в організм людини через шкіру, при цьому різні шари шкіри по-різному відображають і поглинають ці промені. Довгохвильове випромінювання проникає в організм людини значно менше в порівнянні з короткохвильовим випромінюванням. Волога, що знаходиться в тканинах шкіри, поглинає більше 90% випромінювання, що потрапляє на поверхню тіла. Нервові рецептори, що відчувають теплоту, розташовані у зовнішньому шарі шкіри. Інфрачервоні промені, що поглинаються, збуджують ці рецептори, що і викликає у людини відчуття теплоти. Короткохвильове ІЧ випромінювання найбільш глибоко проникає в організм, викликаючи його максимальне прогрівання. Внаслідок цього впливу підвищується потенціальна енергіяклітин організму, і з них йтиме незв'язана вода, підвищується діяльність специфічних клітинних структур, зростає рівень імуноглобулінів, збільшується активність ферментів та естрогенів, відбуваються та інші біохімічні реакції. Це стосується всіх типів клітин організму та крові. Однак тривалий впливкороткохвильового інфрачервоного випромінювання на організм людини – небажано.Саме на цій властивості заснований ефект теплового лікування, широко використовуваного у фізіотерапевтичних кабінетах наших та зарубіжних клінік та поміті, тривалість процедур – обмежена. Однак дані обмеження не поширюються на довгохвильові інфрачервоні обігрівачі. Важлива характеристика інфрачервоного випромінювання- Довжина хвилі (частота) випромінювання. Сучасні дослідженняв галузі біотехнологій показали, що саме довгохвильове інфрачервоне випромінюваннямає виняткове значення у розвитку всіх форм життя Землі. З цієї причини його називають також біогенетичними променями чи променями життя. Наше тіло саме випромінює довгі інфрачервоні хвилі, але воно саме потребує також і постійного підживлення довгохвильовим теплом. Якщо це випромінювання починає зменшуватися чи ні постійного підживлення ним тіла людини, то організм піддається атакам різних захворюваньлюдина швидко старіє на тлі загального погіршення здоров'я. Далі інфрачервоне випромінюваннянормалізує процес обміну та усуває причину хвороби, а не лише її симптоми.

З таким опаленням не болітиме голова від задухи, що викликається перегрітим повітрям під стелею, як при роботі конвективного опалення- коли постійно хочеться відкрити кватирку і впустити свіже повітря (при цьому випускаючи нагріте).

При вплив ІЧ-випромінювання інтенсивністю 70-100 Вт/м2 в організмі підвищується активність біохімічних процесів, що веде до поліпшення загального станулюдини. Проте існують нормативи, і їх варто дотримуватись. Є нормативи щодо безпечного опалення побутових та промислових приміщень, тривалості лікувальних та косметологічних процедур, роботи в ГАРЯЧИХ цехах тощо. Не варто забувати про це. При правильному використанніінфрачервоних обігрівачів - негативного впливу на організм ПОВНІСТТЮ ВІДСУТНІЙ.

Інфрачервоне випромінювання, інфрачервоні промені, властивості інфрачервоних променів, спектр випромінювання інфрачервоних обігрівачів

ІНФРАКРАСНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ, ІНФРАКРАСНІ ПРОМІНЮ, ВЛАСТИВОСТІ ІНФРАКРАСНИХ ПРОМІНЬ, СПЕКТР ВИПРОМІНЮВАННЯ ІНФРАКРАСНИХ ОБІГРІВАЧІВ Калінінград

ОБІГРІВАЧІ ВЛАСТИВОСТІ ВИПРОМІНЮВАННЯ СПЕКТР ОБІГРІВАЧІВ ДОВЖИНА ХВИЛИ ДОВГОВОХВИЛЬНІ СЕРЕДНЕХВИЛЬОВІ КОРОТКОХВИЛЬОВІ СВІТЛІ ТЕМНІ СІРІ ШКОДА ЗДОРОВ'Я ВПЛИВ НА ЧОЛОВ