Излучатель инфракрасных лучей. Источники инфракрасного излучения: виды, применение

В невидимой области электромагнитного спектра, которая начинается за видимым красным светом и заканчивается перед микроволновым излучением между частотами 10 12 и 5∙10 14 Гц (или находится в диапазоне длин волн 1-750 нм). Название происходит от латинского слова infra и означает «ниже красного».

Применение инфракрасных лучей разнообразно. Они используются для визуализации объектов в темноте или в дыму, отопления саун и подогрева крыльев воздушных судов для защиты от обледенения, в ближней связи и при проведении спектроскопического анализа органических соединений.

Открытие

Инфракрасные лучи были обнаружены в 1800 г. британским музыкантом и астрономом-любителем немецкого происхождения Уильямом Гершелем. Он с помощью призмы разделил солнечный свет на составляющие его компоненты и за красной частью спектра с помощью термометра зарегистрировал увеличение температуры.

ИК-излучение и тепло

Инфракрасное излучение часто называют тепловым. Следует, однако, отметить, что оно является лишь его следствием. Тепло - это мера поступательной энергии (энергии движения) атомов и молекул вещества. «Температурные» датчики фактически измеряют не тепло, а только различия в ИК-излучении различных объектов.

Многие учителя физики инфракрасным лучам традиционно приписывают всю тепловую радиацию Солнца. Но это не совсем так. С видимым солнечным светом поступает 50% всего тепла, и электромагнитные волны любой частоты при достаточной интенсивности могут вызвать нагрев. Однако справедливо будет сказать, что при комнатной температуре объекты выделяют тепло в основном в полосе среднего инфракрасного диапазона.

ИК-излучение поглощается и испускается вращениями и вибрациями химически связанных атомов или их групп и, следовательно, многими видами материалов. Например, прозрачное для видимого света оконное стекло ИК-радиацию поглощает. Инфракрасные лучи в значительной степени абсорбируются водой и атмосферой. Хотя они и невидимы для глаз, их можно ощутить кожей.

Земля как источник инфракрасного излучения

Поверхность нашей планеты и облака поглощают солнечную энергию, большую часть которой в виде ИК-радиации отдают в атмосферу. Определенные вещества в ней, в основном пар и капли воды, а также метан, углекислый газ, оксид азота, хлорфторуглероды и гексафторид серы, поглощают в инфракрасной области спектра и переизлучают во всех направлениях, в том числе на Землю. Поэтому из-за парникового эффекта земная атмосфера и поверхность намного теплее, чем если бы вещества, поглощающие ИК-лучи, в воздухе отсутствовали.

Это излучение играет важную роль в теплопередаче и является неотъемлемой частью так называемого парникового эффекта. В глобальном масштабе влияние инфракрасных лучей распространяется на радиационный баланс Земли и затрагивает почти всю биосферную активность. Практически каждый объект на поверхности нашей планеты испускает электромагнитное излучение в основном в этой части спектра.

Области ИК-диапазона

ИК-диапазон часто разделяется на более узкие участки спектра. Немецкий институт стандартов DIN определил такие области длин волн инфракрасных лучей:

• ближний (0,75-1,4 мкм), обычно используемый в волоконно-оптической связи;
• коротковолновой (1,4-3 мкм), начиная с которого значительно возрастает поглощение ИК-излучения водой;
• средневолновой, также называемый промежуточным (3-8 мкм);
• длинноволновый (8-15 мкм);
• дальний (15-1000 мкм).

Однако эта схема классификации не используется повсеместно. Например, в некоторых исследованиях указываются следующие диапазоны: ближний (0,75-5 мкм), средний (5-30 мкм) и длинный (30-1000 мкм). Длины волн, используемые в телекоммуникации, подразделяются на отдельные полосы из-за ограничений детекторов, усилителей и источников.

Общая система обозначений оправдана реакциями человека на инфракрасные лучи. Ближняя ИК-область наиболее близка к длине волны, видимой человеческим глазом. Среднее и дальнее ИК-излучение постепенно удаляются от видимой части спектра. Другие определения следуют различным физическим механизмам (таким как пики эмиссии и поглощение воды), а самые новые основаны на чувствительности используемых детекторов. Например, обычные кремниевые сенсоры чувствительны в области около 1050 нм, а арсенид индий-галлия - в диапазоне от 950 нм до 1700 и 2200 нм.

Четкая граница между инфракрасным и видимым светом не определена. Глаз человека значительно менее чувствителен к красному свету, превышающему длину волны 700 нм, однако интенсивное свечение (лазера) можно видеть примерно до 780 нм. Начало ИК-диапазона определяется в разных стандартах по-разному - где-то между этими значениями. Обычно это 750 нм. Поэтому видимые инфракрасные лучи возможны в диапазоне 750-780 нм.

Обозначения в системах связи

Оптическая связь в ближней ИК-области технически подразделяется на ряд полос частот. Это связано с различными поглощающими и передающими материалами (волокнами) и детекторами. К ним относятся:

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

Термография

Термография, или тепловидение - это тип инфракрасного изображения объектов. Поскольку все тела излучают в ИК-диапазоне, а интенсивность радиации увеличивается с температурой, для ее обнаружения и получения снимков можно использовать специализированные камеры с ИК-датчиками. В случае очень горячих объектов в ближней инфракрасной или видимой области, этот метод называется пирометрией.

Термография не зависит от освещения видимым светом. Следовательно, можно «видеть» окружающую среду даже в темноте. В частности, теплые предметы, в том числе люди и теплокровные животные, хорошо выделяются на более холодном фоне. Инфракрасная фотография ландшафта улучшает отображение объектов в зависимости от их теплоотдачи: голубое небо и вода кажутся почти черными, а зеленая листва и кожа ярко проявляются.

Исторически термография широко использовалась военными и службами безопасности. Кроме того, она находит множество других применений. Например, пожарные используют ее, чтобы видеть сквозь дым, находить людей и локализовать горячие точки во время пожара. Термография может выявить патологический рост тканей и дефекты в электронных системах и схемах из-за их повышенного выделения тепла. Электрики, обслуживающие линии электропередач, могут обнаружить перегревающиеся соединения и детали, что сигнализирует о нарушении их работы, и устранить потенциальную опасность. При нарушении теплоизоляции специалисты-строители могут увидеть утечки тепла и повысить эффективность систем охлаждения или обогрева. В некоторых автомобилях высокого класса тепловизоры устанавливаются для помощи водителю. С помощью термографических изображений можно контролировать некоторые физиологические реакции у людей и теплокровных животных.

Внешний вид и способ работы современной термографической камеры не отличаются от таковых у обычной видеокамеры. Возможность видеть в инфракрасном спектре является настолько полезной функцией, что возможность записи изображений часто является опциональной, и модуль записи не всегда доступен.

Другие изображения

В ИК-фотографии ближний инфракрасный диапазон захватывается с помощью специальных фильтров. Цифровые фотоаппараты, как правило, блокируют ИК-излучение. Однако дешевые камеры, у которых нет соответствующих фильтров, способны «видеть» в ближнем ИК-диапазоне. При этом обычно невидимый свет выглядит ярко-белым. Особенно это заметно во время съемки вблизи освещенных инфракрасных объектов (например, лампы), где возникающие помехи делают снимок блеклым.

Также стоит упомянуть Т-лучевую визуализацию, которая представляет собой получение изображения в дальнем терагерцовом диапазоне. Отсутствие ярких источников делает такие снимки технически более сложными, чем большинство других методов ИК-визуализации.

Светодиоды и лазеры

Искусственные источники инфракрасного излучения включают, помимо горячих объектов, светодиоды и лазеры. Первые представляют собой небольшие недорогие оптоэлектронные устройства, изготовленные из таких полупроводниковых материалов, как арсенид галлия. Они используются в качестве оптоизоляторов и в качестве источников света в некоторых системах связи на основе волоконной оптики. Мощные ИК-лазеры с оптической накачкой работают на основе двуокиси и окиси углерода. Они используются для инициации и изменения химических реакций и разделения изотопов. Кроме того, они применяются в лидарных системах определения дистанции до объекта. Также источники инфракрасного излучения используются в дальномерах автоматических самофокусирующих камер, охранной сигнализации и оптических приборах ночного видения.

ИК-приемники

К приборам обнаружения ИК-излучения относятся термочувствительные устройства, такие как термопарные детекторы, болометры (некоторые из них охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю, чтобы снизить помехи от самого детектора), фотогальванические элементы и фотопроводники. Последние изготавливаются из полупроводниковых материалов (например, кремния и сульфида свинца), электрическая проводимость которых увеличивается при воздействии инфракрасных лучей.

Обогрев

Инфракрасное излучение используется для нагрева - например, для отопления саун и удаления льда с крыльев самолетов. Кроме того, оно все чаще применяется для плавления асфальта во время укладки новых дорог или ремонта поврежденных участков. ИК-излучение может использоваться при приготовлении и подогреве пищи.

Связь

ИК-длины волн применяются для передачи данных на небольшие расстояния, например, между компьютерной периферией и персональными цифровыми помощниками. Эти устройства обычно соответствуют стандартам IrDA.

ИК-связь обычно используется внутри помещений в районах с высокой плотностью населения. Это наиболее распространенный способ дистанционного управления устройствами. Свойства инфракрасных лучей не позволяют им проникать сквозь стены, и поэтому они не взаимодействуют с техникой в соседних помещениях. Кроме того, ИК-лазеры используются в качестве источников света в оптоволоконных системах связи.

Спектроскопия

Инфракрасная радиационная спектроскопия - это технология, используемая для определения структур и составов (главным образом) органических соединений путем изучения пропускания ИК-излучения через образцы. Она основана на свойствах веществ поглощать определенные его частоты, которые зависят от растяжения и изгиба внутри молекул образца.

Характеристики инфракрасного поглощения и излучения молекул и материалов дают важную информацию о размере, форме и химической связи молекул, атомов и ионов в твердых телах. Энергии вращения и вибрации квантуются во всех системах. ИК-излучение энергии hν, испускаемое или поглощаемое данной молекулой или веществом, является мерой разности некоторых внутренних энергетических состояний. Они, в свою очередь, определяются атомным весом и молекулярными связями. По этой причине инфракрасная спектроскопия является мощным инструментом определения внутренней структуры молекул и веществ или, когда такая информация уже известна и табулирована, их количества. ИК-методы спектроскопии часто используются для определения состава и, следовательно, происхождения и возраста археологических образцов, а также для обнаружения подделок произведений искусства и других предметов, которые при осмотре под видимым светом напоминают оригиналы.

Польза и вред инфракрасных лучей

Длинноволновое ИК-излучение применяется в медицине с целью:

• нормализации артериального давления путем стимуляции кровообращения;
• очищения организма от солей тяжелых металлов и токсинов;
• улучшения кровообращения мозга и памяти;
• нормализации гормонального фона;
• поддержания водно-солевого баланса;
• ограничения распространения грибков и микробов;
• обезболивания;
• снятия воспаления;
• укрепления иммунитета.

Вместе с тем ИК-излучение может нанести вред при острых гнойных заболеваниях, кровотечениях, острых воспалениях, болезнях крови, злокачественных опухолях. Неконтролируемое продолжительное воздействие ведет к покраснению кожи, ожогам, дерматиту, тепловому удару. Коротковолновые ИК-лучи опасны для глаз - возможно развитие светобоязни, катаракты, нарушений зрения. Поэтому для отопления должны применяться исключительно источники длинноволнового излучения.

Инфракрасное (ИК) излучение – вид электромагнитного излучения, занимающее спектральный диапазон между видимым красным светом (ИНФРАкрасный: НИЖЕ красного) и коротковолновым радиоизлучением. Эти лучи создают тепло и в науке известны, как термические волны. Эти лучи создают тепло и в науке известны, как термические волны.

Все нагретые тела источают инфракрасное изучение, в том числе и человеческое тело и Солнце, которое именно этим способом и греет нашу с вами планету, давая жизнь всему живому на ней. Тепло, которое мы ощущаем от огня у костра или камина, обогревателя или теплого асфальта – все это следствие инфракрасных лучей.

Весь спектр инфракрасного излучения принято делить на три основных диапазона, отличающихся длинной волны:

• Коротковолновый, с длинной волны λ = 0,74-2,5 мкм;
• Средневолновый, с длинной волны λ = 2,5-50 мкм;
• Длинноволновый, с длинной волны λ = 50-2000 мкм.

Ближние или иначе коротковолновые ИК лучи совсем не горячие, фактически мы их даже не чувствуем. Эти волны используются, например, в пультах дистанционного управления телевизоров, системах автоматики, охранных системах и т.д. Их частота больше, и соответственно их энергия выше, чем у дальних (длинных) инфракрасных лучей. Но не на таком уровне, чтобы повредить организму. Тепло же начинает создаваться на средних инфракрасных длинах волн, и их энергию мы уже чувствуем. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, т. к. излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека, как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Например источник с длиной волны 1,1 мкм соответствует расплавленному металлу, а источник с длиной волны 3,4 мкм – металлу к концу прокатки, ковки.

Для нас с вами интерес представляет спектр с длинной волны 5-20 мкм, так как именно в этом диапазоне приходится более 90% производимого инфракрасными системами отопления излучения с пиком излучения в 10 мкм. Очень важно, что именно на данной частоте само человеческое тело излучает инфракрасные волны 9,4 мкм. Таким образом, любое излучение на данной частоте воспринимается человеческим организмом как родственное и оказывает на него благотворное и, даже более того, оздоровительное влияние.

При таком воздействии на организм инфракрасным излучением возникает эффект «резонансного поглощения», которое характеризуется активным поглощением организмом внешней энергии. В результате чего можно наблюдать у человека повышение уровня гемоглобина, усиление активности ферментов и эстрогенов, в общем итоге – стимуляция жизненной активности человека.

Воздействие инфракрасного излучения на поверхность тела человека, как мы уже говорили, полезно и, вдобавок ко всему, приятно. Вспомните первые солнечные дни в начале весны, когда после долгой и пасмурной зимы наконец-то выглянуло солнышко! Вы чувствуете, как оно приятно обволакивает освещаемый участок вашей кожи, лицо, ладони. Уже не хочется надевать перчатки и головной убор, не смотря на достаточно низкую по сравнению с «комфортной» температуру. Но стоит появиться маленькой тучке, как мы сразу испытываем ощутимый дискомфорт от прерывания столь приятного ощущения. Это и есть то самое излучение, которого нам так не хватало на протяжении всей зимы, когда Солнце долгое время отсутствовало, и мы волей-неволей несли свой "инфракрасный пост".

В результате воздействия инфракрасного излучения можно наблюдать:

• Ускорение обмена веществ в организме;
• Восстановление кожной ткани;
• Замедление процесса старения;
• Вывод из организма излишних жиров;
• Высвобождение двигательной энергии человека;
• Повышение антимикробной устойчивости организма;
• Активация роста растений

и многое многое другое. Более того инфракрасное облучение применяется в физиотерапии для лечения многих заболеваний в том числе онкологических, так как способствует расширению капилляров, стимулирует кровоток в сосудах, повышает иммунитет и производит общий лечебный эффект.

И это совсем не удивительно, потому что данное излучение дано нам от природы как способ передачи тепла, жизни всему живому, нуждающемуся в этом тепле и комфорте, минуя пустое пространство и воздух как посредников.

Об инфракрасном излучении

Из истории изучения инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение или тепловое излучение не является открытием 20 или 21 века. Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем . Он обнаружил, что «максимум тепла» лежит за пределами красного цвета видимого излучения. Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения. Очень многие известные ученые приложили свои головы к изучению данного направления. Это такие имена как: немецкий физик Вильгельм Вин (закон Вина), немецкий физик Макс Планк (формула и постоянная Планка), шотландский ученый Джон Лесли (устройство измерения теплового излучения – куб Лесли), немецкий физик Густав Кирхгоф (закон излучения Кирхгофа), австрийский физик и математик Йозеф Стефан и австрийский физик Стефан Людвиг Больцман (закон Стефана-Больцмана).

Использование и применение знаний по тепловому излучению в современных отопительных устройствах вышло на передний план лишь в 1950-х годах. В СССР теория лучистого отопления разработана в трудах Г. Л. Поляка, С. Н. Шорина, М. И. Киссина, А. А. Сандера. С 1956 года в СССР было написано или переведено на русский язык множество технических книг по данной тематике (список литературы ). В связи с изменением стоимости энергоресурсов и в борьбе за энергоэффективность и энергосбережение, современные инфракрасные обогреватели получили широкое применение в отоплении бытовых и промышленных зданий.

Солнечное излучение - природное инфракрасное излучение

Наиболее известным и значительным природным инфракрасным обогревателем является Солнце. По сути, это природный и самый совершенный метод обогрева, известный человечеству. В пределах Солнечной системы Солнце это самый мощный источник теплового излучения, обусловливающий жизнь на Земле. При температуре поверхности Солнца порядка 6000К максимум излучения приходится на 0,47 мкм (соответствует желтовато-белому). Солнце находится на расстоянии многих миллионов километров от нас, однако, это не мешает ему передавать энергию через все это громадное пространство, практически не расходуя ее (энергию), не нагревая его (пространство). Причина в том, что солнечные инфракрасные лучи, проходят долгий путь в космосе, практически не имеют потерь энергии. Когда же на пути лучей встречается, какая либо поверхность, их энергия, поглощаясь, превратится в тепло. Нагревается непосредственно Земля, на которую попадают солнечные лучи, и другие предметы, на которые так же попадают солнечные лучи. И уже земля и другие, нагретые Солнцем предметы, в свою очередь, отдают тепло окружающему нас воздуху, тем самым нагревая его.

От высоты Солнца над горизонтом самым существенным образом зависит как мощность солнечного излучения у земной поверхности, так и его спектральный состав. Различные составляющие солнечного спектра по-разному проходят через земную атмосферу. У поверхности Земли спектр солнечного излучения имеет более сложную форму, что связано с поглощением в атмосфере. В частности, в нем отсутствует высокочастотная часть ультрафиолетового излучения, губительная для живых организмов. На внешней границе земной атмосферы, поток лучистой энергии Солнца составляет 1370 Вт/м² ; (солнечная постоянная), а максимум излучения приходится на λ=470 нм (синий цвет). Поток, достигающий земной поверхности, значительно меньше вследствие поглощения в атмосфере. При самых благоприятных условиях (солнце в зените) он не превышает 1120 Вт/м² ; (в Москве, в момент летнего солнцестояния - 930 Вт/м² ), а максимум излучения приходится на λ=555 нм (зелено-желтый), что соответствует наилучшей чувствительности глаз и только четверть от этого излучения приходится на длинноволновую область излучения, включая вторичные излучения.

Однако, природа солнечной лучистой энергии весьма отлична от лучистой энергии, отдаваемой инфракрасными обогревателя, используемыми для обогрева помещений. Энергия солнечного излучения состоит из электромагнитных волн, физические и биологические свойства которых существенно отличаются от свойств электромагнитных волн, исходящих от обычных инфракрасных обогревателей, в частности, бактерицидные и лечебные (гелиотерапия) свойства солнечного излучения полностью отсутствуют у источников излучения с низкой температурой. И все же инфракрасные обогреватели дают тот же тепловой эффект , что и Солнце, являясь наиболее комфортными и экономичными из всех возможных источников тепла.

Природа возникновения инфракрасных лучей

Выдающийся немецкий физик Макс Планк , изучая тепловое излучение (инфракрасное излучение), открыл его атомный характер. Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, испускаемое телами или веществами и возникающее за счет его внутренней энергии, обусловленное тем, что атомы тела или вещества под действием теплоты движутся быстрее, а в случае твердого материала быстрее колеблются по сравнению с состоянием равновесия. При этом движении атомы сталкиваются, а при их столкновении происходит их ударное возбуждение с последующим излучением электромагнитных волн. Все предметы непрерывно излучают и поглощают электромагнитную энергию . Это излучение является следствием непрерывного движения элементарных заряженных частиц внутри вещества. Один из основных законов классической электромагнитной теории гласит, что движущаяся с ускорением заряженная частица излучает энергию. Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) это распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля, то есть изменяющийся во времени периодический электромагнитный сигнал в пространстве, состоящем из электрических и магнитных полей. Это и есть тепловое излучение. Тепловое излучение содержит электромагнитные поля различных длин волн. Поскольку атомы движутся при любой температуре, все тела при любой температуре, больше чем температура абсолютного нуля (-273°С) , излучают тепло. Энергия электромагнитных волн теплового излучения, то есть сила излучения, зависит от температуры тела, его атомной и молекулярной структуры, а также от состояния поверхности тела. Тепловое излучение происходит по всем длинам волн - от самых коротких до предельно длинных, однако принимают во внимание лишь то тепловое излучение, имеющее практическое значение, которое приходится в диапазоне длин волн: λ = 0,38 – 1000 мкм (в видимой и инфракрасной части электромагнитного спектра). Однако не всякий свет имеет особенности теплового излучения (на пример люминесценция), поэтому в качестве основного диапазона теплового излучения можно принять только диапазон инфракрасного спектра (λ = 0,78 – 1000 мкм) . Еще можно сделать дополнение: участок с длиной волны λ = 100 – 1000 мкм , с точки зрения отопления - не интересен.

Таким образом, тепловое излучение, представляет собой одну из форм электромагнитного излучения, возникающее за счёт внутренней энергии тела и имеющего сплошной спектр, то есть это часть электромагнитного излучения, энергия которого при поглощении вызывает тепловой эффект. Тепловое излучение присуще всем телам.

Все тела, имеющие температуру больше чем температура абсолютного нуля (-273°С), даже если они не светятся видимым светом, являются источником инфракрасных лучей и испускают непрерывный инфракрасный спектр. Это означает, что в излучении присутствуют волны со всеми без исключения частотами, и говорить об излучении на какой-либо определенной волне, совершенно бессмысленно.

Основные условные области инфракрасного излучения

На сегодня не существует единой классификации в разделении инфракрасного излучения на составляющие участки (области). В целевой технической литературе встречается более десятка схем деления области инфракрасного излучения на составляющие участки, и все они различаются между собой. Так как все виды теплового электромагнитного излучения имеют одинаковую природу, поэтому классификация излучения по длинам волн в зависимости от производимого ими эффекта носит лишь условный характер и определяются главным образом различиями в технике обнаружения (тип источника излучения, тип прибора учета, его чувствительность и т.п.) и в методике измерения излучения. Математически, с использованием формул (Планка, Вина, Ламберта и т.п.), так же нельзя определить точные границы областей. Для определения длины волны (максимума излучения) существуют две разные формулы (по температуре и по частоте), дающие различные результаты, с разницей примерно в 1,8 раз (это так называемый закон смещения Вина) и плюс к этому все расчеты делаются для АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА (идеализированного объекта), которых в реальности не существует. Реальные тела, встречающиеся в природе, не подчиняются этим законам и в той или иной степени от них отклоняются. Информация взята Компанией ЭССО из технической литературы российских и зарубежных ученых" data-lightbox="image26" href="images/26.jpg" title="Развернуть области инфракрасного излучения"> Излучение реальных тел зависит от ряда конкретных характеристик тела (состояния поверхности, микроструктуры, толщины слоя и т. д.). Это так же является причиной указания в разных источниках совершенно разных величин границ областей излучения. Всё это говорит о том, что использовать температуру для описания электромагнитного излучения надо с большой осторожностью и с точностью до порядка. Еще раз подчеркиваю, деление весьма условное!!!

Приведем примеры условного деления инфракрасной области (λ = 0,78 – 1000 мкм) на отдельные участки (информация взята только из технической литературы российских и зарубежных ученых). На приведенном рисунке видно насколько разнообразно это деление, поэтому не стоит привязываться ни к одной из них. Просто нужно знать, что спектр инфракрасного излучения можно условно разбить на несколько участков, от 2-х до 5-и. Область, которая находится ближе в видимому спектру обычно называют: ближняя, близкая, коротковолновая и т.п.. Область которая находится ближе к микроволновым излучениям - дальняя, далекая, длинноволновая и т.п.. Если верить Википедии, то обычная схема деления выглядит так: Ближняя область (Near-infrared, NIR), Коротковолновая область (Short-wavelength infrared, SWIR), Средневолновая область (Mid-wavelength infrared, MWIR), Длинноволновая область (Long-wavelength infrared, LWIR), Дальняя область (Far-infrared, FIR).

Свойства инфракрасных лучей

Инфракрасные лучи - это электромагнитное излучение, имеющее ту же природу, что и видимый свет, поэтому оно так де подчиняется законам оптики. Поэтому, чтобы лучше себе представить процесс теплового излучения, следует проводить аналогию со световым излучением, которое нам всем известно и доступно наблюдению. Однако не надо забывать, что оптические свойства веществ (поглощение, отражение, прозрачность, преломление и т.п.) в инфракрасной области спектра, значительно отличаются от оптических свойств в видимой части спектра. Характерной особенностью инфракрасного излучения является то, что в отличие от других основных видов передачи теплоты здесь нет необходимости в передающем промежуточном веществе. Воздух и тем более вакуум считается прозрачным для инфракрасного излучения, хотя с воздухом это не совсем так. При прохождении инфракрасного излучения через атмосферу (воздух), наблюдается некоторое ослабление теплового излучения. Это обусловлено тем, что сухой и чистый воздух практически прозрачен для тепловых лучей, однако при наличии в нем влаги в виде пара, молекул воды (Н 2 О) , углекислого газа (СО 2) , озона (О 3) и других твердых или жидких взвешенных частиц, которые отражают и поглощают инфракрасные лучи, он становится не совсем прозрачной средой и в результате этого поток инфракрасного излучения рассеивается по разным направлениям и ослабевает. Обычно рассеяние в инфракрасной области спектра меньше, чем в видимой. Однако когда потери, вызванные рассеянием в видимой области спектра, велики, и в инфракрасной области они также значительны. Интенсивность рассеянного излучения изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Оно существенно только в коротковолновой инфракрасной области и быстро уменьшается в более длинноволновой части спектра.

Молекулы азота и кислорода в воздухе не поглощают инфракрасное излучение, а ослабляют его лишь в результате рассеяния. Взвешенные частицы пыли так же приводят к рассеиванию инфракрасного излучения, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны инфракрасного излучения, чем больше частицы, тем больше рассеивание.

Пары воды, углекислый газ, озон и другие примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают инфракрасное излучение. Например, пары воды, очень сильно поглощают инфракрасное излучение во всей инфракрасной области спектра , а углекислый газ поглощает инфракрасное излучение в средней инфракрасной области.

Что касается жидкостей, то они могут быть как прозрачными, так и не прозрачными для инфракрасного излучения. Например, слой воды толщиной в несколько сантиметров прозрачен для видимого излучения и непрозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны более 1 мкм.

Твердые вещества (тела), в свою очередь, в большинстве случаев не прозрачны для теплового излучения , но бывают и исключения. Например, пластины кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной области, а кварц, наоборот, прозрачен для светового излучения, но непрозрачен для тепловых лучей с длиной волны более 4 мкм. Именно по этой причине кварцевые стекла не применяются в инфракрасных обогревателях. Обычное стекло, в отличии от кварцевого, частично прозрачно для инфракрасных лучей, оно так же может поглощать значительную часть инфракрасного излучения в определенных интервалах спектра, но за то не пропускает ультрафиолетовое излучение. Каменная соль, так же, прозрачна для теплового излучения. Металлы, в своем большинстве, имеют отражательную способность для инфракрасного излучения значительно больше, чем для видимого света, которая возрастает с увеличением длины волны инфракрасного излучения. Например, коэффициент отражения алюминия, золота, серебра и меди при длине волны около 10 мкм достигает 98% , что значительно выше, чем для видимого спектра, это свойство широко используется в конструкции инфракрасных обогревателей.

Достаточно привести здесь в качестве примера остекленные рамы парников: стекло практически пропускает большую часть солнечного излучения, а с другой стороны, разогретая земля излучает волны большой длины (порядка 10 мкм ), в отношении которых стекло ведет себя как непрозрачное тело. Благодаря этому внутри парников длительное время поддерживается температура, значительно более высокая, чем температура наружного воздуха, даже после того, как солнечное излучение прекращается.

Важную роль в жизни человека играет лучистый теплообмен. Человек отдает окружающей среде теплоту, вырабатываемую в ходе физиологического процесса, главным образом путем лучистого теплообмена и конвекции. При лучистом (инфракрасном) отоплении лучистая составляющая теплообмена тела человека сокращается из-за более высокой температуры, возникающей как на поверхности отопительного прибора, так и на поверхности некоторых внутренних ограждающих конструкций, поэтому при обеспечении одного и того же тепло ощущения конвективные теплопотери могут быть больше, т.е. температура воздуха в помещении может быть меньше. Таким образом, лучистый теплообмен играет решающую роль в формировании ощущения теплового комфорта у человека.

При нахождении человека в зоне действия инфракрасного обогревателя, ИК лучи проникают в организм человека через кожу, при этом разные слои кожи по-разному отражают и поглощают данные лучи.

При инфракрасном длинноволновом излучении проникновение лучей значительно меньше по сравнению с коротковолновым излучением . Поглощающая способность влаги, содержащейся в тканях кожи, очень велика, и кожа поглощает более 90% попадающего на поверхность тела излучения. Нервные рецепторы, ощущающие теплоту, расположены в самом наружном слое кожи. Поглощаемые инфракрасные лучи возбуждают эти рецепторы, что и вызывает у человека ощущение теплоты.

Инфракрасные лучи оказывают как местное, так и общее воздействие. Коротковолновое инфракрасное излучение , в отличии от длинноволнового инфракрасного излучения, может вызвать покраснение кожи в месте облучения, которое рефлекторно распространяется на 2-3 см. вокруг облучаемой области. Причина этого в том, что капиллярные сосуды расширяются, кровообращение усиливается. Вскоре на месте облучения может появиться волдырь, который позднее превращается в струп. Так же при попадании коротковолновых инфракрасных лучей на органы зрения может возникнуть катаракта.

Перечисленные выше, возможные последствия от воздействия коротковолнового ИК обогревателя , не следует путать с воздействием длинноволнового ИК обогревателя . Как уже было сказано, длинноволновые инфракрасные лучи поглощаются в самой верхней части слоя кожи и вызывает только простое тепловое воздействие.

Использование лучистого отопления не должно подвергать человека опасности и создавать дискомфортный микроклимат в помещении.

При лучистом отоплении можно обеспечить комфортные условия при более низкой температуре. При применении лучистого отопления воздух в помещении чище, поскольку меньше скорость воздушных потоков, благодаря чему уменьшается загрязнение пылью. Так же при данном отоплении не происходит разложение пыли, так как температура излучающей пластины длинноволнового обогревателя никогда не достигает температуры, необходимой для разложения пыли.

Чем холоднее излучатель тепла, тем он безвреднее для организма человека, тем дольше может находиться человек в зоне действия обогревателя.

Длительное нахождение человека вблизи ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО источника тепла (более 300°С) вредно для здоровья человека.

Влияние на здоровье человека инфракрасного излучения.

Организм человека, как излучает инфракрасные лучи , так и поглощает их. ИК лучи проникают в организм человека через кожу, при этом разные слои кожи по-разному отражают и поглощают данные лучи. Длинноволновое излучение проникает в организм человека значительно меньше по сравнению с коротковолновым излучением . Влага, находящаяся в тканях кожи, поглощает более 90% попадающего на поверхность тела излучения. Нервные рецепторы, ощущающие теплоту, расположены в самом наружном слое кожи. Поглощаемые инфракрасные лучи возбуждают эти рецепторы, что и вызывает у человека ощущение теплоты. Коротковолновое ИК излучение наиболее глубоко проникает в организм, вызывая его максимальный прогрев. В результате этого воздействия повышается потенциальная энергия клеток организма, и из них будет уходить несвязанная вода, повышается деятельность специфических клеточных структур, растет уровень иммуноглобулинов, увеличивается активность ферментов и эстрогенов, происходят и другие биохимические реакции. Это касается всех типов клеток организма и крови. Однако длительное воздействие коротковолнового инфракрасного излучения на организм человека - нежелательно. Именно на этом свойстве основан эффект теплового лечения , широко используемого в физиотерапевтических кабинетах наших и зарубежных клиник и замете, длительность процедур - ограничена. Однако данные ограничения не распространяются на длинноволновые инфракрасные обогреватели. Важная характеристика инфракрасного излучения – длина волны (частота) излучения. Современные исследования в области биотехнологий показали, что именно длинноволновое инфракрасное излучение имеет исключительное значение в развитии всех форм жизни на Земле. По этой причине его называют также биогенетическими лучами или лучами жизни. Наше тело само излучает длинные инфракрасные волны , но оно само нуждается также и в постоянной подпитке длинноволновым теплом . Если это излучение начинает уменьшаться или нет постоянной подпитки им тела человека, то организм подвергается атакам различных заболеваний, человек быстро стареет на фоне общего ухудшения самочувствия. Дальнее инфракрасное излучение нормализует процесс обмена и устраняет причину болезни, а не только её симптомы.

С таким отоплением не будет болеть голова от духоты, вызываемой перегретым воздухом под потолком, как при работе конвективного отопления , - когда постоянно хочется открыть форточку и впустить свежий воздух (при этом выпуская нагретый).

При воздействии ИК-излучения интенсивностью 70-100 Вт/м2 в организме повышается активность биохимических процессов, что ведет к улучшению общего состояния человека. Однако существуют нормативы и их стоит придерживаться. Есть нормативы по безопасному отоплению бытовых и промышленных помещений, по длительности лечебных и косметологических процедур, по работе в ГОРЯЧИХ цехах и т.п. Не стоит об этом забывать. При правильном использовании инфракрасных обогревателей - отрицательного воздействия на организм ПОЛНОСТЬЮ ОТСУТСТВУЕТ.

Инфракрасное излучение, инфракрасные лучи, свойства инфракрасных лучей, спектр излучения инфракрасных обогревателей

ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ИНФРАКРАСНЫЕ ЛУЧИ, СВОЙСТВА ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ, СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ ИНФРАКРАСНЫХ ОБОГРЕВАТЕЛЕЙ Калининград

ОБОГРЕВАТЕЛИ СВОЙСТВА ИЗЛУЧЕНИЕ СПЕКТР ОБОГРЕВАТЕЛЕЙ ДЛИНА ВОЛНЫ ДЛИННОВОЛНОВЫЕ СРЕДНЕВОЛНОВЫЕ КОРОТКОВОЛНОВЫЕ СВЕТЛЫЕ ТЕМНЫЕ СЕРЫЕ ВРЕД ЗДОРОВЬЕ ВЛИЯНИЕ НА ЧЕЛОВЕКА Калининград

Открытие инфракрасного излучения
Виды теплообмена
Физические свойства
Диапазон ИК волн благоприятных для человека

Английский исследователь Гершель У. в 1800 году в процессе изучения солнечного света установил, что в Солнечных лучах при разложении их на отдельные спектры при помощи призмы за границей красного видимого спектра, происходит повышение показаний термометра. Термометр, размещенный в этой области, показал большую температуру, чем поверочный термометр. Позже установили, что свойства этих лучей поддаются законам оптики, выходит, имеют одинаковую природу, с световым излучением. Таким образом, было открыто инфракрасное излучение.

Уточним, каким образом горячие предметы отдают тепло окружающим их объектам:
теплопередачей (теплообмен между телами при контакте или через разделитель),
конвекцией (передача тепла теплоносителем, жидкостью или газом от источника тепла, к более холодным предметам)
тепловым излучением (поток электромагнитного излучения в конкретном диапазоне длины волны, излучаемое веществом на основе его внутренней избыточной энергии).

Все объекты окружающего нас материального мира это источники и одновременно поглотители теплового излучения.
Тепловое излучение, основой которого являются инфракрасные лучи - это поток электромагнитных лучей, которые удовлетворяют законам оптики, имеют одинаковую природу со световым излучением. ИК-луч расположен между красным воспринимаемым человеком светом (0.7 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (1 - 2 мм). К тому же, ИК-область спектра делят на коротковолновую (0.7 - 2 мкм), средневолновую (от 2 до 5.1 мкм), длинноволновую (5.1 - 200 мкм). Инфракрасные лучи испускают все вещества жидкие и твердые, при этом от температуры вещества зависит длина излучаемой волны . При более высокой температуре, длина волны излучаемая веществом короче, но больше интенсивность излучения.

В диапазоне длинноволнового излучения (от 9 до 11 мкм) находится наиболее благоприятное тепловое излучение для человека . Длинноволновые излучатели, обладают более низкой температурой поверхности излучения, их характеризуют темными - при низкой температуре поверхности они не светятся (до 300°С). Средневолновые излучатели с более высокой температурой поверхности, характеризуют серыми, с максимальной температурой тела излучают короткие волны, их называют белыми или светлыми.

Подтверждение советскими ученными

Физические свойства инфракрасного излучения

Для инфракрасных лучей существует ряд отличий от оптических свойств видимого света. (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) К примеру ИК-излучения имеющего длину волны более 1 мкм, поглощаются водой в слое 1-2 см, по этому вода в некоторых случаях используется как теплозащитный барьер. Лист кремния непрозрачен в видимой области, но прозрачен в инфракрасной. Ряд металлов имеет рефлекторные качества которые для инфракрасного излучения выше, чем для воспринимаемого человеком света, вдобавок существенно улучшаются их свойства с увеличением показателя длины волны излучения. А именно, показатель отражения Al, Au, Ag при волне длиной около 10 мкм приближается к 98% . Учитывая эти свойства материалов, их используют при производстве инфракрасного оборудования . Прозрачные для инфракрасных лучей материалы - в качестве излучателей инфракрасного излучения (кварц, керамика), материалы имеющие высокую способностью к отражению лучей - в качестве рефлекторов, позволяющих сфокусировать ИК-излучение в нужном направлении (преимущественно алюминий).

Также важно знать о свойствах поглощения и рассеяния инфракрасного излучения. Сквозь воздух инфракрасные лучи распространяются практически беспрепятственно. А именно, молекулы азота и кислорода сами по себе инфракрасные лучи не поглощают, а только незначительно рассеивают, уменьшая интенсивность. Водяной пар, озон, углекислый газ, а также другие примеси, находящиеся в воздухе, абсорбируют инфракрасное излучение: водяной пар - практически во всей инфракрасной области спектра, углекислый газ - в средней части инфракрасной области. Присутствие в воздухе мелких частиц - пыли, дыма, мелких капель жидкостей приводит к ослаблению силы инфракрасного излучения в результате рассеяния его на этих частицах.

Что представляет собой инфракрасное излучение? Определение гласит, что инфракрасными лучами является электромагнитное излучение, которое подчиняется оптическим законам и имеет природу видимого света. Инфракрасные лучи имеют спектральную зону, находящуюся между красным видимым светом и коротковолновым радиоизлучением. Для инфракрасной области спектра имеется разделение на коротковолновые, средневолновые и длинноволновые. Обогревающий эффект от таких лучей высокий. Принята аббревиатура для инфракрасных излучения — ИК.

ИК-излучение

Производители сообщают разную информацию об обогревающих приборах, сконструированных по принципу рассматриваемого излучения. На одних может быть указано, что прибор инфракрасный, на другом — что он длинноволновый или темный. Все это на практике относится к инфракрасному излучению, длинноволновые обогреватели обладают наименьшей температурой излучающей поверхности, и выделяются волны в большей массе в длинноволновой зоне спектра. Они же получили наименование темных, так как при температуре они не отдают света и не сияют, как в других случаях. У средневолновых обогревателей температура поверхностей более высокая, и они получили название серых. К светлым относится коротковолновый прибор.

Оптические характеристики вещества в инфракрасных областях спектра имеют отличия от оптического свойства в обычной повседневности. Обогревательные приборы, которые используются человеком каждый день, отдают инфракрасные лучи, но вы их не видите. Вся разница в длине волны, она варьируется. Обычный радиатор отдает лучи, именно таким образом происходит нагрев в комнате. Волны инфракрасного излучения присутствуют в жизни человека естественным путем, солнце отдает именно их.

Инфракрасное излучение относится к разряду электромагнитных, то есть глазами его не увидеть. Длина волны находится в диапазоне от 1 миллиметра до 0,7 микрометра. Самым большим источником ик-лучей является солнце.

ИК-лучи для отопления

Наличие отопления, основанное на этой технологии, позволяет избавиться от недостатков конвекционной системы, которая связана с циркуляцией потока воздуха в помещениях. Конвекция поднимает и переносит пыль, мусор, создает сквозняк. Если поставить электрический инфракрасный обогреватель, то он будет работать по принципу солнечных лучей, эффект будет как от солнечного тепла в прохладную погоду.

Инфракрасная волна является формой энергии, это естественный механизм, позаимствованный в природе. Эти лучи способны нагревать не только предметы, но и само воздушное пространство. Волны пронизывают воздушные слои и обогревают предметы и живые ткани. Локализация источника рассматриваемого излучения не так важна, если прибор стоит на потолке, до пола греющие лучи будут прекрасно доходить. Важно, что инфракрасное излучение позволяет оставлять воздух влажным, оно не высушивает его, как это делают другие виды отопительных приборов. Производительность приборов на основе инфракрасного излучения крайне высокая.

Инфракрасное излучение не требует больших энергетических затрат, поэтому возникает экономия для бытового использования данной разработки. Ик-лучи подходят для работы на больших пространствах, главное, верно выбрать длину лучей и настроить правильно приборы.

Вред и польза инфракрасного излучения

Длинные инфракрасные лучи, попадающие на кожу, вызывают реакцию нервных рецепторов. Это обеспечивает наличие тепла. Поэтому во многих источниках инфракрасное излучение получает название теплового. Большая часть излучаемого оказывается поглощена влажностью, которая содержится в верхнем слое кожного покрова человека. Поэтому повышается температура кожи, и за счет этого происходит обогрев всего тела.

Бытует мнение, что ик-излучение приносит вред. Это не так.

Исследования показывают, что длинноволновые излучения безопасны для организма, более того, от них есть польза.

Они усиливают иммунитет, стимулируют регенерацию и улучшение состояния внутренних органов. Эти лучи с длиной 9,6 мкм используются в медицинской практике с лечебными целями.

Коротковолновое ик-излучение работает иначе. Оно проникает глубоко в ткани и греет внутренние органы, минуя кожный покров. Если облучать кожу такими лучами, то капиллярная сетка расширяется, кожа краснеет, и могут появиться признаки ожога. Для глаз такие лучи опасны, они приводят к образованию катаракты, нарушают водно-солевой баланс, провоцируют судороги.

Тепловой удар человек получает из-за коротковолнового излучения. Если повысить температуру головного мозга хотя бы на градус, то уже появляются признаки удара или отравления:

• тошнота;
• частый пульс;
• затемнение в глазах.

Если перегрев происходит на два и более градуса, то развивается менингит, который опасен для жизни.

Интенсивность инфракрасного излучения зависит от некоторых факторов. Важно расстояние до нахождения источников тепла и показатель температурного режима. Длинноволновое инфракрасное излучение важно в жизнедеятельности, и без него обойтись нельзя. Вред может быть только тогда, когда длина волны неправильная, и время, которое она воздействует на человека, большое.

Как обезопасить человека от вреда инфракрасного излучения?

Не все инфракрасные волны вредны. Следует опасаться коротковолновой инфракрасной энергии. Где она встречается в повседневной жизни? Нужно избегать тел с температурой выше 100 градусов. К этой категории относятся сталеплавильное оборудование, электродуговая печь. На производствах сотрудники носят специально разработанное обмундирование, оно обладает защитным экраном.

Самым полезным инфракрасным обогревающим средством являлась русская печь, тепло от нее было лечебным и полезным. Однако сейчас никто такими приспособлениями не пользуется. Инфракрасные обогреватели прочно вошли в обиход, а инфракрасные волны используются широко в промышленности.

Если спираль, отдающая тепло, в инфракрасном приборе защищена теплоизолятором, то излучение будет мягким и длинноволновым, а это безопасно. Если у прибора открытый нагревательный элемент, то инфракрасное излучение будет жестким, коротковолновым, и это опасно для здоровья.

Для того чтобы разобраться в конструкции прибора, нужно изучить технический паспорт. Там будет информация об инфракрасных лучах, используемых в конкретном случае. Обращайте внимание, какова длина волны.

Не всегда однозначно вредно инфракрасное излучение, испускают опасность только открытые источники, короткие лучи и длительное нахождение под ними.

Следует беречь глаза от источника волн, при появлении дискомфорта уходить из-под влияния ИК-лучей. Если на коже появляется непривычная сухость, значит, лучи сушат липидный слой, а это очень хорошо.

Инфракрасное излучение в полезных диапазонах используется в качестве лечения, методы физиотерапии основываются на работе с лучами и электродами. Однако все воздействие проводится под наблюдением специалистов, самостоятельно лечиться инфракрасными приборами не стоит. Время действия должно быть строго определено медицинскими показаниями, нужно исходить из целей и задач лечения.

Считается, что инфракрасное излучение неблагоприятно для систематического воздействия на маленьких детей, поэтому желательно тщательно выбирать обогревательные приборы для спальни и детских комнат. Потребуется помощь специалистов, чтобы настроить безопасную и эффективную инфракрасную сетку в квартире или доме.

Не стоит отказываться от современных технологий из-за предрассудков по незнанию.