Radiatii infrarosii

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 30 iunie 2022; verificările necesită 6 modificări .

Radiație infraroșie  - radiație electromagnetică care ocupă regiunea spectrală dintre capătul roșu al luminii vizibile (cu o lungime de undă [1] λ \u003d 0,74 microni [ 2] și o frecvență de 430 T Hz ) și emisia radio cu microunde (λ ~ 1-2 mm, frecvență 300 GHz ) [3] .

Radiația infraroșie reprezintă cea mai mare parte a radiațiilor lămpilor cu incandescență , aproximativ 50% din radiația Soarelui ; radiația infraroșie este emisă de unele lasere . Pentru înregistrarea acestuia se folosesc receptoare termice și fotoelectrice, precum și materiale fotografice speciale [4] .

Datorită extinderii mari a gamei infraroșii, proprietățile optice ale substanțelor din radiația infraroșie pot varia semnificativ, inclusiv diferând de proprietățile lor în radiația vizibilă.

Istoria descoperirii și caracteristicile generale

Radiația infraroșie a fost descoperită în 1800 de astronomul englez W. Herschel . Fiind angajat în studiul Soarelui, el căuta o modalitate de a reduce încălzirea instrumentului cu care se făceau observațiile. Folosind termometre pentru a determina efectul diferitelor părți ale spectrului vizibil, Herschel a descoperit că „căldura maximă” se află în spatele culorii roșii saturate și, posibil, „în spatele refracției vizibile”. Acest studiu a marcat începutul studiului radiațiilor infraroșii.

Anterior, sursele de laborator de radiații infraroșii erau exclusiv corpuri incandescente sau descărcări electrice în gaze. Acum, pe baza laserelor cu stare solidă și cu gaz molecular, au fost create surse moderne de radiație infraroșie cu frecvență reglabilă sau fixă. Pentru a înregistra radiația în regiunea infraroșu apropiat (până la ~ 1,3 μm), se folosesc plăci fotografice speciale . Un domeniu de sensibilitate mai larg (până la aproximativ 25 de microni) este posedat de detectoarele fotoelectrice și fotorezistoare . Radiația în regiunea infraroșu îndepărtat este înregistrată de bolometre  - detectoare sensibile la încălzirea prin radiație infraroșie [5] .

Echipamentele IR sunt utilizate pe scară largă atât în ​​tehnologia militară (de exemplu, pentru ghidarea rachetelor), cât și în tehnologia civilă (de exemplu, în sistemele de comunicații cu fibră optică). Elementele optice din spectrometrele IR sunt fie lentile și prisme, fie rețele de difracție și oglinzi. Pentru a exclude absorbția radiației în aer, spectrometrele pentru regiunea infraroșu îndepărtat sunt fabricate într-o versiune în vid [5] .

Deoarece spectrele infraroșu sunt asociate cu mișcările de rotație și vibrație dintr-o moleculă, precum și cu tranzițiile electronice ale atomilor și moleculelor, spectroscopia IR face posibilă obținerea de informații importante despre structura atomilor și moleculelor, precum și despre structura benzilor. cristale [5] .

Domenii de infraroșu

Obiectele emit în mod obișnuit radiații infraroșii pe întregul spectru de lungimi de undă, dar uneori doar o regiune limitată a spectrului prezintă interes, deoarece senzorii colectează, de obicei, radiația doar într-o anumită lățime de bandă. Astfel, domeniul infraroșu este adesea subdivizat în intervale mai mici.

Schema de împărțire obișnuită

Cel mai adesea, împărțirea în intervale mai mici se face după cum urmează: [6]

Abreviere Lungime de undă Energia fotonică Caracteristică
Infraroșu apropiat, NIR 0,75-1,4 um 1,7-0,9 eV Aproape de IR, limitat pe o parte de lumina vizibilă, pe de altă parte de transparența apei, care se deteriorează semnificativ la 1,45 µm. În această gamă funcționează LED-uri și lasere cu infraroșu larg răspândite pentru fibre și sisteme de comunicații optice aeropurtate . Camerele video și dispozitivele de vedere pe timp de noapte bazate pe tuburi intensificatoare de imagine sunt, de asemenea, sensibile în această gamă.
Infraroșu cu lungime de undă scurtă, SWIR 1,4-3 um 0,9–0,4 eV Absorbția radiațiilor electromagnetice de către apă crește semnificativ la 1450 nm. Intervalul 1530-1560 nm domină în regiunea de distanță lungă.
Infraroșu cu lungime de undă medie, MWIR 3-8 µm 400-150 meV În acest interval, corpurile încălzite la câteva sute de grade Celsius încep să radieze. În această gamă, capetele de orientare termică ale sistemelor de apărare aeriană și camerele termice tehnice sunt sensibile .
Infraroșu cu lungime de undă lungă, LWIR 8-15 um 150-80 meV În acest interval, corpurile cu temperaturi în jur de zero grade Celsius încep să radieze. În această gamă, camerele termice pentru dispozitivele de vedere pe timp de noapte sunt sensibile.
Infraroșu îndepărtat, FIR 15 - 1000 µm 80-1,2 meV

Schema CIE

Comisia Internațională pentru Iluminare ( Comisia Internațională pentru Iluminare engleză  ) recomandă împărțirea radiației infraroșii în următoarele trei grupuri [7] :

Schema ISO 20473

Organizația Internațională de Standardizare propune următoarea schemă:

Desemnare Abreviere Lungime de undă
aproape de infrarosu NIR 0,78-3 um
infraroșu mijlociu MIR 3-50 um
infraroșu îndepărtat BRAD 50-1000 µm

Hartă astronomică

Astronomii împart de obicei spectrul infraroșu după cum urmează [8] :

Desemnare Abreviere Lungime de undă
aproape de infrarosu NIR (0,7…1) — 5 µm
infraroșu mijlociu MIR 5 — (25…40) µm
infraroșu îndepărtat BRAD (25…40) — (200…350) µm

Radiația termică

Radiația termică sau radiația este transferul de energie de la un corp la altul sub formă de unde electromagnetice radiate de corpuri datorită energiei lor interne. Radiația termică este în principal în regiunea infraroșu a spectrului de la 0,74 microni la 1000 microni . O caracteristică distinctivă a transferului de căldură radiantă este că poate fi efectuat între corpuri situate nu numai în orice mediu, ci și în vid . Un exemplu de radiație termică este lumina de la o lampă cu incandescență . Puterea de radiație termică a unui obiect care îndeplinește criteriile unui corp complet negru este descrisă de legea Stefan-Boltzmann . Raportul dintre abilitățile radiative și de absorbție ale corpurilor este descris de legea radiației lui Kirchhoff . Radiația termică este unul dintre cele trei tipuri elementare de transfer de energie termică (pe lângă conducția și convecția căldurii ). Radiația de echilibru este radiația termică care se află în echilibru termodinamic cu materia.

Viziune în infraroșu

Organele de percepție ale oamenilor și ale altor primate superioare nu sunt adaptate pentru radiația infraroșie (cu alte cuvinte, ochiul uman nu o vede), cu toate acestea, unele specii biologice sunt capabile să perceapă radiația infraroșie cu organele lor de vedere . Deci, de exemplu, vederea unor șerpi le permite să vadă în intervalul infraroșu și să vâneze prada cu sânge cald noaptea (când silueta sa are cel mai pronunțat contrast pe fundalul unei zone răcite). Mai mult, boaele obișnuite au această abilitate simultan cu vederea normală, drept urmare sunt capabile să vadă mediul simultan în două intervale: vizibil normal (ca majoritatea animalelor) și infraroșu. Dintre pești, abilitatea de a vedea sub apă în intervalul infraroșu se distinge prin pești, cum ar fi pradă piranha pe animalele cu sânge cald care au intrat în apă și peștii aurii . Dintre insecte, țânțarii au vedere în infraroșu , ceea ce le permite să navigheze cu mare precizie către zonele din corpul prăzii care sunt cele mai saturate cu vase de sânge [9] .

Aplicație

Dispozitiv de vedere pe timp de noapte

Există mai multe moduri de a vizualiza o imagine invizibilă în infraroșu:

Termografie

Termografia în infraroșu, imaginea termică sau videoul termic este o metodă de obținere a unei termograme - o imagine în raze infraroșii care arată o imagine a distribuției câmpurilor de temperatură. Camerele termografice sau camerele termice detectează radiațiile în domeniul infraroșu al spectrului electromagnetic (aproximativ 900-14000 nanometri ) și, pe baza acestei radiații, creează imagini care vă permit să determinați locurile supraîncălzite sau suprarăcite. Deoarece radiația infraroșie este emisă de toate obiectele care au o temperatură, conform formulei lui Planck pentru radiația corpului negru , termografia vă permite să „vedeți” mediul cu sau fără lumină vizibilă . Cantitatea de radiație emisă de un obiect crește pe măsură ce temperatura acestuia crește, astfel încât termografia vă permite să vedeți diferențele de temperatură. Obiectele calde se văd mai bine decât cele răcite la temperatura ambiantă; oamenii și animalele cu sânge cald sunt mai ușor vizibile în mediu, atât ziua, cât și noaptea.

Camerele termice sunt folosite de forțele armate pentru a detecta ținte cu contrast termic (forță de muncă și echipamente) în orice moment al zilei, sunt folosite de serviciile de pompieri și salvare pentru a căuta victime, a identifica sursele de ardere, a analiza situația și a căuta cai de evacuare, sunt folosite si in medicina pentru diagnosticarea diverselor afectiuni, cu ajutorul acestora se detecteaza supraincalzirea la nivelul articulatiilor si pieselor aflate in stare de urgenta etc.

Homing în infraroșu

Un cap de orientare în infraroșu este un cap de orientare care funcționează pe principiul captării undelor infraroșii emise de o țintă capturată . Este un dispozitiv optic-electronic conceput pentru a identifica o țintă pe fundalul înconjurător și pentru a emite un semnal de captare către un dispozitiv de ochire automată (APU), precum și pentru a măsura și emite un semnal al vitezei unghiulare a liniei de vedere către pilot automat .

Încălzitor cu infraroșu

Radiația infraroșie este utilizată pe scară largă pentru încălzirea încăperilor și a spațiilor exterioare. Încălzitorul cu infraroșu  - un dispozitiv de încălzire care degajă căldură în principal prin radiație, și nu prin convecție  - este utilizat pentru a organiza încălzirea suplimentară sau principală în camere (case, apartamente, birouri etc.), precum și pentru încălzirea locală a spațiului exterior ( cafenele stradale, foișoare, verande) sau zone din spații mari (zone de casă în hipermarketuri) [10] .

Un încălzitor cu infraroșu în viața de zi cu zi este uneori numit inexact reflector. Energia radiantă este absorbită de suprafețele din jur, transformându-se în energie termică, încălzindu-le, care la rândul lor degajă căldură aerului. Acest lucru dă un efect economic semnificativ în comparație cu încălzirea prin convecție, unde căldura este cheltuită în mod semnificativ pentru încălzirea spațiului nefolosit din subtavan. In plus, cu ajutorul radiatoarelor IR, devine posibil sa se incalzeasca local doar acele zone din incapere in care este necesar fara a incalzi intregul volum al incaperii; efectul termic al radiatoarelor cu infraroșu se simte imediat după pornire, ceea ce evită preîncălzirea încăperii. Acești factori reduc costurile cu energia.

Când pictează

Emițătorii cu infraroșu sunt adesea folosiți pentru a usca suprafețele vopsite. Metoda de uscare cu infraroșu are avantaje semnificative față de metoda tradițională, prin convecție . În primul rând, acesta este un efect economic: datorită absorbției de căldură de către suprafața vopsită direct, procesul decurge mult mai rapid și se cheltuiește mult mai puțină energie în acest caz decât în ​​cazul metodelor tradiționale. În plus, convecția aerului este redusă la minimum, rezultând mai puțin praf pe suprafețele vopsite.

Astronomie în infraroșu

Ramura astronomiei și astrofizicii care studiază obiectele din spațiu care sunt vizibile în lumina infraroșie. În acest caz, radiația infraroșie înseamnă unde electromagnetice cu o lungime de undă de la 0,74 la 2000 de microni. Radiația infraroșie este în intervalul dintre radiația vizibilă , a cărei lungime de undă variază de la 380 la 750 nanometri, și radiația submilimetrică.

Astronomia în infraroșu a început să se dezvolte în anii 1830, la câteva decenii după descoperirea radiației infraroșii de către William Herschel . Inițial, progresul a fost neglijabil și până la începutul secolului XX nu au existat descoperiri de obiecte astronomice în infraroșu, cu excepția Soarelui și a Lunii , cu toate acestea, după o serie de descoperiri făcute în radioastronomie în anii 1950 și 1960, astronomii și-au dat seama de prezența. a unei cantităţi mari de informaţii care se afla în afara intervalului vizibil.valuri. De atunci, s-a format astronomia modernă în infraroșu.

Spectroscopie în infraroșu

Spectroscopia în infraroșu este o ramură a spectroscopiei care acoperă regiunea cu lungime de undă lungă a spectrului (> 730 nm dincolo de limita roșie a luminii vizibile ). Spectrele infraroșu apar ca urmare a mișcării vibraționale (parțial de rotație) a moleculelor, și anume, ca urmare a tranzițiilor între nivelurile vibraționale ale stării electronice de bază a moleculelor. Radiația IR este absorbită de multe gaze, cu excepția gazelor precum O 2 , N 2 , H 2 , Cl 2 și gazele monoatomice. Absorbția are loc la o lungime de undă caracteristică fiecărui gaz specific, pentru CO, de exemplu, aceasta este lungimea de undă de 4,7 microni.

Folosind spectrele de absorbție în infraroșu, se poate stabili structura moleculelor diferitelor substanțe organice (și anorganice) cu molecule relativ scurte: antibiotice , enzime , alcaloizi , polimeri , compuși complecși etc. Spectrele vibraționale ale moleculelor diferitelor substanțe organice (și anorganice). cu molecule relativ lungi ( proteine , grăsimi , carbohidrați , ADN , ARN etc.) sunt în intervalul teraherți , astfel încât structura acestor molecule poate fi stabilită folosind spectrometre de frecvență radio în intervalul teraherți. După numărul și poziția vârfurilor în spectrele de absorbție IR, se poate aprecia natura substanței ( analiza calitativă ), iar după intensitatea benzilor de absorbție, cantitatea de substanță ( analiza cantitativă ). Instrumentele principale sunt diferite tipuri de spectrometre în infraroșu .

Transfer de date

Răspândirea LED-urilor, laserelor și fotodiodelor în infraroșu a făcut posibilă crearea unei metode optice de transmitere a datelor fără fir pe baza acestora. În tehnologia computerelor, este de obicei folosit pentru a conecta computere cu dispozitive periferice ( interfață IrDA ) Spre deosebire de canalul radio, canalul infraroșu este insensibil la interferența electromagnetică , ceea ce îi permite să fie utilizat în condiții industriale. Dezavantajele canalului infraroșu includ necesitatea ferestrelor optice pe echipament, orientarea relativă corectă a dispozitivelor. În prezent, există un număr mare de producători de echipamente de rețea bazate pe transmisia luminii în atmosferă (FSO), de regulă, aceasta este punct la punct. Acum, oamenii de știință au atins o rată de transfer de date în atmosferă de peste 4 Tbps. În același timp, sunt cunoscute terminale de comunicații produse în serie cu viteze de până la 100 Gbit/s. În condiții de linie de vedere, canalul infraroșu poate oferi comunicare pe distanțe de câțiva kilometri. Nu este nevoie să vorbim despre secretul canalului de comunicație, deoarece domeniul IR nu este vizibil pentru ochiul uman (fără a utiliza un dispozitiv special), iar divergența unghiulară a canalului de comunicație nu depășește 17 mrad în toate axele.

Radiația termică este folosită și pentru a primi semnale de avertizare [11] .

Telecomanda

Diodele și fotodiodele cu infraroșu sunt utilizate pe scară largă în telecomenzi , sisteme de automatizare, sisteme de securitate, unele telefoane mobile ( infraroșu ), etc. Razele infraroșii nu distrag atenția unei persoane din cauza invizibilitatii lor.

Interesant este că radiația infraroșie a unei telecomenzi de uz casnic este ușor de captată folosind camere digitale ieftine sau camere video cu modul de noapte, care nu au un filtru special de infraroșu.

Medicina

Radiația infraroșie cea mai utilizată în medicină este în diverși senzori de flux sanguin (PPG).

Contoarele larg răspândite pentru frecvența pulsului (HR, HR - Frecvența cardiacă) și saturația de oxigen din sânge (SpO2) folosesc LED-uri cu radiații verzi (pentru puls) și roșii și infraroșii (pentru SpO2).

Radiația laser infraroșu este utilizată în tehnica DLS (Digital Light Scattering) pentru a determina frecvența pulsului și caracteristicile fluxului sanguin.

Razele infrarosii sunt folosite in fizioterapie .

Influența radiației infraroșii cu undă lungă:

  • Stimularea și îmbunătățirea circulației sanguine. Când sunt expuși la radiații infraroșii cu undă lungă de pe piele, apare iritația receptorilor pielii și, datorită reacției hipotalamusului, mușchii netezi ai vaselor de sânge se relaxează, ca urmare, vasele se dilată.
  • Îmbunătățirea proceselor metabolice. Efectul termic al radiațiilor infraroșii stimulează activitatea la nivel celular, îmbunătățește procesele de neuroreglare și metabolism.

Sterilizarea alimentelor

Cu ajutorul radiațiilor infraroșii, produsele alimentare sunt sterilizate în scopul dezinfectării. .

Industria alimentară

O caracteristică a utilizării radiației infraroșii în industria alimentară este posibilitatea pătrunderii undei electromagnetice în produse capilare-poroase precum cereale, cereale și făină, până la o adâncime de până la 7 mm. Această valoare depinde de natura suprafeței, structura, proprietățile materialului și răspunsul în frecvență al radiației. O undă electromagnetică dintr-un anumit interval de frecvență are nu numai un efect termic, ci și biologic asupra produsului, ajută la accelerarea transformărilor biochimice în polimeri biologici ( amidon , proteine , lipide ). Transportoarele de uscare pe benzi transportoare pot fi utilizate cu succes la depunerea cerealelor în grânare și în industria de măcinare a făinii.

Dezavantajul este neuniformitatea semnificativ mai mare a încălzirii, care este complet inacceptabilă într-o serie de procese tehnologice.

Autentificarea banilor

Emițătorul infraroșu este folosit în dispozitivele de verificare a banilor. Cernelurile metamerice speciale aplicate bancnotei ca unul dintre elementele de securitate pot fi văzute doar în domeniul infraroșu. Detectoarele de monedă cu infraroșu sunt cele mai fără erori dispozitive pentru verificarea autenticității banilor. . Aplicarea etichetelor cu infraroșu pe bancnote, spre deosebire de cele ultraviolete, este costisitoare pentru falsificatori și, prin urmare, neprofitabilă din punct de vedere economic. . Prin urmare, detectoarele de bancnote cu emițător IR încorporat, astăzi, reprezintă cea mai fiabilă protecție împotriva contrafacerii. .

Teledetecția Pământului

Radiația infraroșie este utilizată pe scară largă în teledetecția Pământului din spațiu. Utilizarea în comun a imaginilor din satelit în domeniul IR cu imagini din alte părți ale spectrului face posibilă aplicarea unor metode care sunt fundamental similare cu spectroscopia pentru analiza suprafeței pământului. Acest lucru este valabil mai ales pentru studiul vegetației atunci când se calculează diferiți indici de vegetație .

Pericol pentru sănătate

Radiația infraroșie foarte puternică în locurile cu căldură ridicată poate usca membrana mucoasă a ochilor. Este cel mai periculos atunci când radiația nu este însoțită de lumină vizibilă. În astfel de situații, este necesar să se poarte ochelari speciali de protecție pentru ochi [12] .

Radiația infraroșie cu o lungime de undă de 1,35 µm, 2,2 µm, cu o putere de vârf suficientă într-un impuls laser, poate provoca distrugerea efectivă a moleculelor de ADN, care este mai puternică decât radiația în domeniul infraroșu apropiat [13] .

Pământul ca emițător de infraroșu

Suprafața Pământului și norii absorb radiațiile vizibile și invizibile de la Soare și reradiază cea mai mare parte a energiei absorbite sub formă de radiații infraroșii înapoi în atmosferă. Anumite substanțe din atmosferă, în principal picături de apă și vapori de apă, dar și dioxid de carbon, metan, azot, hexafluorura de sulf și clorofluorocarburi, absorb această radiație infraroșie și o reradiază în toate direcțiile, inclusiv înapoi pe Pământ. Astfel, efectul de seră menține atmosfera și suprafața mai calde decât dacă nu ar exista absorbanți de infraroșu în atmosferă [14] [15] .

Vezi și

Note

  1. ↑ Lungimea undei electromagnetice în vid.
  2. ↑ Radiația infraroșie // Kazahstan. Enciclopedia Națională . - Almaty: Enciclopedii kazahe , 2005. - T. II. — ISBN 9965-9746-3-2 .  (CC BY SA 3.0)
  3. ↑ Marea Enciclopedie Rusă  : [în 35 de volume]  / cap. ed. Yu. S. Osipov . - M .  : Marea Enciclopedie Rusă, 2004-2017.
  4. ↑ Radiația infraroșie // Marea Enciclopedie a lui Cyril și Methodius
  5. ↑ 1 2 3 Spectrul // Enciclopedia lui Collier
  6. ↑ Byrnes, James. Detectarea și atenuarea munițiilor neexplodate  . - Springer, 2009. - P.  21-22 . — ISBN 978-1-4020-9252-7 .
  7. ↑ Henderson, Roy Considerații privind lungimea de undă . Instituts für Umform- und Hochleistungs. Consultat la 18 octombrie 2007. Arhivat din original pe 28 octombrie 2007.
  8. ↑ Infraroșu apropiat, mediu și îndepărtat . NASAIPAC. Consultat la 4 aprilie 2007. Arhivat din original pe 28 mai 2013.
  9. ↑ Animals That Can See Infrared Light Arhivat 15 iunie 2017 la Wayback Machine De Rebecca Boardman; scienceing.com . 25 aprilie 2017.
  10. ↑ Sistem de încălzire cu infraroșu . Consultat la 29 octombrie 2017. Arhivat din original la 21 septembrie 2017.
  11. ↑ A.I. Bodrenko. Brevet RU 165421 U1 pentru model de utilitate: un dispozitiv conceput pentru a primi un semnal de alertă de către un trăgător atunci când folosește o armă de foc individuală cu arme de calibru mic, care conține un mâner de control și un stoc . SERVICIUL FEDERAL DE PROPRIETATE INTELECTUALĂ (20 octombrie 2016).  (link indisponibil)
  12. ↑ Monona Rossol. Ghidul complet de sănătate și siguranță al artistului . - 2001. - S. 33. - 405 p. — ISBN 978-1-58115-204-3 .
  13. ↑ Ivanov Igor. Întregul interval de radiații în infraroșu apropiat este distructiv pentru ADN . elementy.ru (2 mai 2014). Consultat la 3 mai 2014. Arhivat din original pe 3 mai 2014.
  14. ↑ Surse globale de gaze cu efect de seră . Emisii de gaze cu efect de seră în Statele Unite 2000 . Energy Information Administration (2 mai 2002). Data accesului: 13 august 2007. Arhivat din original la 28 mai 2013.
  15. ↑ Nori și radiații . Preluat la 12 august 2007. Arhivat din original la 16 septembrie 2008.

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii