Інфрачервоне випромінювання

електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі, більшою, ніж у видимого світла, і меншою, ніж у мікрохвильового випромінювання / З Вікіпедії, безкоштовно енциклопедія

Шановний Wikiwand AI, Давайте зробимо це простіше, відповівши на ключові запитання:

Чи можете ви надати найпопулярніші факти та статистику про Інфрачервоне випромінювання?

Підсумуйте цю статтю для 10-річної дитини

Інфрачерво́не випромі́нювання (від лат. infra — нижче, скорочено ІЧ) — електромагнітне випромінювання, що охоплює спектральну область між червоною межею видимого світла з довжиною хвилі λ = 700 нм (частота близько 430 ТГц) та мікрохвильовим випромінюванням з довжиною хвилі λ ~ 1 мм (частота близько 300 ГГц) [1] . Інфрачервоне випромінювання інколи ще називають інфрачервоним світлом.

Зображення зоряного неба в космічному телескопі в інфрачервоному діапазоні (умовними кольорами): блакитному, зеленому та червоному кольорам відповідають довжини хвиль 3,4, 4,6 та 12 мкм, відповідно

Людське око не бачить інфрачервоного випромінення, органи чуття деяких інших тварин, наприклад, змій та кажанів, сприймають інфрачервоне випромінювання, що допомагає їм добре орієнтуватися в темряві.

Інфрачервоне випромінення також називають «тепловим випромінюванням» через залежність його спектру та інтенсивності, від температури, а також сприйняттям його шкірою людини як відчуття тепла. Довжини хвиль, що випромінюються тілом, залежать від температури нагрівання: чим вищою є температура, тим коротшою є довжина хвилі та вищою є інтенсивність випромінювання. Отже, зі зростанням температури, максимум інтенсивності випромінювання зміщується в бік коротших хвиль, тобто в напрямку видимого діапазону. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла за відносно невисоких (до декількох тисяч кельвінів) температур, лежить здебільшого саме в цьому діапазоні. Інфрачервоне випромінювання випускає збуджені атоми або іони.

Oops something went wrong:

Інфрачервоні промені: властивості, області застосування, вплив на людину. Джерела інфрачервоного випромінювання

Інфрачервоні промені – це електромагнітні хвилі в невидимій області електромагнітного спектру, яка починається за видимим червоним світлом і закінчується перед мікрохвильовим випромінюванням між частотами 1012 і 5 1014 Гц (або знаходиться в діапазоні довжин хвиль 1-750 нм). Назва походить від латинського слова infra і означає “нижче червоного”.

• Відкриття
• ІК-випромінювання і тепло
• Земля як джерело інфрачервоного випромінювання
• Області ІК-діапазону
• Позначення у системах зв ‘язку
• Термографія
• Інші зображення
• Світлодіоди та лазери
• ІК-приймачі
• Обігрів
• Зв ‘язок
• Спектроскопія
• Користь та шкода інфрачервоних променів

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

Відкриття

Інфрачервоні промені були виявлені в 1800 р. британським музикантом і астрономом-любителем німецького походження Вільямом Гершелем. Він за допомогою призми розділив сонячне світло на складові його компоненти і за червоною частиною спектра за допомогою термометра зареєстрував збільшення температури.

ІК-випромінювання і тепло

Інфрачервоне випромінювання часто називають тепловим. Слід, однак, зазначити, що воно є лише його наслідком. Тепло – це міра поступальної енергії (енергії руху) атомів і молекул речовини. “Температурні” датчики фактично вимірюють не тепло, а тільки відмінності в ВК-випромінюванні різних об ‘єктів.

Багато вчителів фізики інфрачервоним променям традиційно приписують всю теплову радіацію Сонця. Але це не зовсім так. З видимим сонячним світлом надходить 50% всього тепла, і електромагнітні хвилі будь-якої частоти при достатній інтенсивності можуть викликати нагрів. Однак справедливо буде сказати, що при кімнатній температурі об ‘єкти виділяють тепло в основному в смузі середнього інфрачервоного діапазону.

ІК-випромінювання поглинається і випускається обертаннями і вібраціями хімічно пов ‘язаних атомів або їх груп і, отже, багатьма видами матеріалів. Наприклад, прозоре для видимого світла віконне скло ВК-радіацію поглинає. Інфрачервоні промені значною мірою абсорбуються водою і атмосферою. Хоча вони і невидимі для очей, їх можна відчути шкірою.

Земля як джерело інфрачервоного випромінювання

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

Це випромінювання відіграє важливу роль у теплопередачі і є невід ‘ємною частиною так званого парникового ефекту. У глобальному масштабі вплив інфрачервоних променів поширюється на радіаційний баланс Землі і зачіпає майже всю біосферну активність. Практично кожен об ‘єкт на поверхні нашої планети випускає електромагнітне випромінювання в основному в цій частині спектру.

Області ІК-діапазону

ІК-діапазон часто поділяється на більш вузькі ділянки спектру. Німецький інститут стандартів DIN визначив такі області довжин хвиль інфрачервоних променів:

• ближній (0,75-1,4 мкм), зазвичай використовується у волоконно-оптичному зв ‘язку;
• короткохвильовий (1,4-3 мкм), починаючи з якого значно зростає поглинання ВК-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) і довгий (30-1000 мкм). Довжини хвиль, що використовуються в телекомунікації, підрозділюються на окремі смуги через обмеження детекторів, підсилювачів і джерел.

Загальна система позначень виправдана реакціями людини на інфрачервоні промені. Ближня ВК-область найбільш близька до довжини хвилі, видимої людським оком. Середнє і далеке ІК-випромінювання поступово віддаляються від видимої частини спектра. Інші визначення дотримуються різних фізичних механізмів (таких як піки емісії і поглинання води), а найновіші засновані на чутливості використовуваних детекторів. Наприклад, звичайні кремнієві сенсори чутливі в області близько 1050 нм, а арсенід індій-галія – в діапазоні від 950 нм до 1700 і 2200 нм.

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

Позначення у системах зв ‘язку

Оптичний зв ‘язок у ближній ВК-області технічно підрозділюється на ряд смуг частот. Це пов ‘язано з різними джерелами світла, поглинаючими і передавальними матеріалами (волокнами) і детекторами. До них належать:

• О-діапазон 1,260-1,360 нм.
• Е-діапазон 1,360-1,460 нм.
• S-діапазон 1,460-1,530 нм.
• C-діапазон 1,530-1,565 нм.
• L-діапазон 1,565-1,625 нм.
• U-діапазон 1,625-1,675 нм.

Термографія

Термографія, або тепловидіння – це тип інфрачервоного зображення об ‘єктів. Оскільки всі тіла випромінюють в ВК-діапазоні, а інтенсивність радіації збільшується з температурою, для її виявлення та отримання знімків можна використовувати спеціалізовані камери з ВК-датчиками. У разі дуже гарячих об ‘єктів ближньої інфрачервоної або видимої області цей метод називається пірометрією.

Термографія не залежить від освітлення видимим світлом. Отже, можна “бачити” навколишнє середовище навіть у темряві. Зокрема, теплі предмети, в тому числі люди і теплокровні тварини, добре виділяються на більш холодному тлі. Інфрачервона фотографія ландшафту покращує відображення об ‘єктів залежно від їх тепловіддачі: блакитне небо і вода здаються майже чорними, а зелене листя і шкіра яскраво проявляються.

Історично термографія широко використовувалася військовими і службами безпеки. Крім того, вона знаходить безліч інших застосувань. Наприклад, пожежники використовують її, щоб бачити крізь дим, знаходити людей і локалізувати гарячі точки під час пожежі. Термографія може виявити патологічне зростання тканин і дефекти в електронних системах і схемах через їх підвищене виділення тепла. Електрики, що обслуговують лінії електропередач, можуть виявити перегрівання сполук і деталі, що сигналізує про порушення їхньої роботи, і усунути потенційну небезпеку. При порушенні теплоізоляції фахівці-будівельники можуть побачити витоки тепла і 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 і теплокровних тварин.

Зовнішній вигляд і 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 є опціональною, і додаток запису не завжди доступний.

Інші зображення

В ВК-фотографії ближній інфрачервоний діапазон захоплюється за допомогою спеціальних фільтрів. Цифрові фотоапарати, як правило, блокують ВК-випромінювання. Однак дешеві камери, у яких немає відповідних фільтрів, здатні “бачити” в ближньому ВК-діапазоні. При цьому зазвичай невидиме світло виглядає яскраво-білим. Особливо це помітно під час зйомки поблизу освітлених інфрачервоних об ‘єктів (наприклад, лампи), де виникають перешкоди роблять знімок бляклим.

Також варто згадати Т-променеву візуалізацію, яка являє собою отримання зображення в дальньому терагерцевому діапазоні. Відсутність яскравих джерел робить такі знімки технічно складнішими, ніж більшість інших методів ВК-візуалізації.

Світлодіоди та лазери

Штучні джерела інфрачервоного випромінювання включають, крім гарячих об ‘єктів, світлодіоди і лазери. Перші являють собою невеликі недорогі оптоелектронні пристрої, виготовлені з таких напівпровідникових матеріалів, як арсенід галію. Вони використовуються в якості оптоізоляторів і в якості джерел світла в деяких системах зв ‘язку на основі волоконної оптики. Потужні ВК-лазери з оптичною накачкою працюють на основі двоокису та окису вуглецю. Вони використовуються для ініціації та зміни хімічних реакцій і поділу ізотопів. Крім того, вони застосовуються в лідарних системах визначення дистанції до об ‘єкта. Також джерела інфрачервоного випромінювання використовуються в далекомірах автоматичних самофокусуючих камер, охоронної сигналізації та оптичних приладах нічного бачення.

ІК-приймачі

До приладів виявлення ВК-випромінювання належать термочутливі пристрої, такі як термопаркові детектори, болометри (деякі з них охолоджуються до температур, близьких до абсолютного нуля, щоб знизити перешкоди від самого детектора), фотогальванічні елементи і фотопровідники. Останні виготовляються з напівпровідникових матеріалів (наприклад, кремнію і сульфіду свинцю), електрична провідність яких збільшується при впливі інфрачервоних променів.

Обігрів

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

Зв ‘язок

ІК-довжини хвиль застосовуються для передачі даних на невеликі відстані, наприклад, між комп ‘ютерною периферією і персональними цифровими помічниками. Ці пристрої зазвичай відповідають стандартам IrDA.

ІК-зв ‘язок зазвичай використовується всередині приміщень у районах з високою щільністю населення. Це найбільш поширений спосіб дистанційного керування пристроями. Властивості інфрачервоних променів не дозволяють їм проникати крізь стіни, і тому вони не взаємодіють з технікою в сусідніх приміщеннях. Крім того, ІК-лазери використовуються в якості джерел світла в оптоволоконних системах зв ‘язку.

Спектроскопія

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

Характеристики інфрачервоного поглинання і випромінювання молекул і матеріалів дають важливу інформацію про розмір, форму і хімічний зв ‘язок молекул, атомів і іонів у твердих тілах. Енергії обертання і вібрації квантуються у всіх системах. ІК-випромінювання енергії h^, що випускається або поглинається даною молекулою або речовиною, є мірою різності деяких внутрішніх енергетичних станів. Вони, у свою чергу, визначаються атомною вагою і молекулярними зв ‘язками. З цієї причини інфрачервона спектроскопія є потужним інструментом визначення внутрішньої структури молекул і речовин або, коли така інформація вже відома і табульована, їх кількості. ІК-методи спектроскопії часто використовуються для визначення складу і, отже, походження і віку археологічних зразків, а також для виявлення підробок творів мистецтва та інших предметів, які при огляді під видимим світлом нагадують оригінали.

Користь та шкода інфрачервоних променів

Довгохвильове ВК-випромінювання застосовується в медицині з метою:

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

Разом з тим ВК-випромінювання може завдати шкоди при гострих гнійних захворюваннях, кровотечах, гострих запаленнях, хворобах крові, злоякісних пухлинах. Неконтрольований тривалий вплив веде до почервоніння шкіри, опіків, дерматиту, теплового удару. Короткохвильові ВК-промені небезпечні для очей – можливий розвиток світлобоязні, катаракти, порушень зору. Тому для опалення повинні застосовуватися виключно джерела довгохвильового випромінювання.