Инфракрасные излучатели
Использование излучения для целей отопления началось с тех пор, как человек поставил себе на службу огонь. Пламя открытого очага камина нагревает воздух только за счёт теплоизлучения. Камин, старый открытый очаг, есть форма отопления путём лучистой энергией.
Электрическая лампа с угольной нитью, которая была изобретена в 1897 году Эдисоном, излучала лучистую энергию. Большая часть этого теплоизлучения лежит в области инфракрасных лучей, и только небольшая часть производит видимый свет. Таким образом, электрическая лампа с угольной нитью является хорошим излучателем тепла и плохим источником света. При соответствующем выборе материала и обеспечении более высокой температуры нити накаливания это соотношение сдвигается в сторону лучшего выхода света. Первые электрические инфракрасные излучатели можно увидеть в применении медицинских рефлекторов, специальных ламповых обогревателей.
В 1906 году была разработана англичанином Варкером система отопления с помощью лучистой энергии, где в качестве теплоносителя применялась горячая вода.
В 30-х годах двадцатого века инфракрасные излучатели получили широкое распространение. Инфракрасное излучение стало применяться в светлых излучателях в форме лампы накаливания и тёмных в виде излучателя из металлической или керамической трубки.
В тот же период в Англии появился излучатель, работающий на газовом топливе, который с помощью простых пламенных горелок обогревал керамическое тело, а оно отдавало своё тепло в виде инфракрасного излучения.
На современном этапе они делятся на два типа инфракрасных обогревателей : коротковолновые и длинноволновые. В коротковолновых излучателях малая доля теплоизлучения попадает в область видимого света и воспринимается глазом. Теплоизлучение от длинноволнового, может быть определенно лишь ощущением тепла при этом видимый спектр света отсутствует.
Инфракрасное излучение
Инфракрасное излучение – электромагнитная волна находящаяся в интервале излучения от 0.74 мкм до 2000 мкм.
Открытие инфракрасных лучей было сделано более чем два столетия назад. Английский учёный Хензель наблюдал своеобразное явление. Он разложил с помощью стеклянной призмы белый солнечный свет на его спектральные цвета.
Затем он проводил термометр вдоль шкалы радужной окраски, которую образовала призма, и определил, что температура заметно повышалась. Когда остриё термометра помещалось за пределы видимого спектра, температура повышалась дальше, и только после того как термометр был полностью вынесен за пределы красного спектра, температура начала понижаться.
Из этого эксперимента он сделал вывод, что существуют лучи, родственные видимому свету, которые обладают свойством выделять тепло. Максимальное значение теплоизлучения лежит за пределами красной части спектра. Эти лучи назвали инфракрасным излучением. Благодаря данным опытам стало известно, что за пределами спектральной области, ощутимой человеческим глазом, имеется ещё инфракрасное излучение, которое ведёт себя подобно свету, т.е. оно распространится прямолинейно, может преломляться, отражается и сосредотачиваются в пучок. В этом заключается свойство инфракрасного теплового излучения для сферы технического применения, и на этой основе строятся обогреватели. Из проведённых опытов стало возможным определить, что такое инфракрасное тепло и как оно распространяется до объекта обогрева.
Энергию, падающую на участок за красной границей, переносит не воспринимаемая глазом излучение — электромагнитные волны, длинны которых заключены в диапазоне от 0,740 до 2000 мкм. Сейчас весь этот диапазон делят на три поддиапазона:
♦ коротковолновая область: λ = 0,74-2,5 мкм;
♦ средневолновая область: λ = 2,5-50 мкм;
♦ длинноволновая область: λ = 50-2000 мкм.
При этом максимум теплоизлучения человеческого тела приходится на длину волны λ = 9,37 мкм, а тающего льда на λ = 10,6 мкм.
Существенное продвижение в исследование инфракрасного теплоизлучения дали работы Кирхгофа напечатанные в 1859 году. В них он пришёл к выводам что тело, которое интенсивно поглощает лучи определённой длины, может испускать точно такое же излучение. Им также было введено понятие (чёрного тела). Идеально чёрное тело можно представить, в виде большого полого помещения с маленьким отверстием. Весь свет, все лучи, которые попадают через это отверстие внутрь полой камеры, отражаются на стенках до тех пор, пока они полностью не поглотятся. Сажа также обладает свойством поглощать инфракрасные лучи. В этом отношении она подходит очень близко к идеальным чёрным телам.
В 1884 году Больцман выдвинул общий закон излучения, который дал разъяснение энергии, исходящей из черных тел. Этот закон Стефана Больцмана гласит, что энергия Е излучения, исходящая от чёрных тел, увеличивается на абсолютную температуру Т в четвёртой степени:
Где σ = 5,67 * 10 -5 ерг см -2 S -1 град -4 .
Т — абсолютная температура, точка нуля которой = — 273,15 градуса.
Таким образом, если температура чёрного тела удваивается, то выделенная им энергия увеличивается в 16 раз.
Соотношение, данное Больцманом, относится к общему излучению чёрного тела.
Зависимость длины волны теплоизлучения от температуры излучаемого тела была установлена Вином в 1893 году и имеет следующее выражение:
λ мах * Т = constant
Где λ — есть длина волны, при которой излучаемая энергия достигает своего максимального значения.
Преобразовав выше приведённое выражение можно получить, формулу для определения максимума длины волны излучения соответствующей температуре нагрева черного тела:
λ мах мкм = 2897/(Т о С + 273,15)
Инфракрасное излучение физика
Инфракрасные излучатели работают в соответствии с принципом теплового излучения нагретого тела. Тепловая энергия это форма энергии, связанная с колебаниями атомов, молекул или других частиц, из которых состоит тело. Физика возникновения инфракрасного излучения тесно связано с процессами, происходящими в молекулярном строении излучателя. Вокруг ядра атома вращаются электроны.
Когда в результате какого-нибудь внешнего влияния электроны выбиваются из своей орбиты, они отдают энергию при обратном движении на орбиту. Эта отдача энергии происходит посредством внутреннего излучения электромагнитных волн. При этом поражается внешняя оболочка электрона, которая выделяет теплоизлучение в области видимого света, близкого к ультрафиолетовым излучениям и инфракрасным лучам, с совершенно определёнными длинами волн. Это теплоизлучение не даёт полного спектра, а только совершенно определённые «цвета».
Вещества, молекулы которых построены из множества атомов, обладают свойствами колебательного движения по отношению друг к другу или вращаются вокруг общего центра тяжести. Эти явления усиливаются, когда вещества нагревают. При колебательных процессах выделяются электромагнитные волны. Нагреванием твёрдых или жидких тел достигают наслоение колебаний непрерывного спектра
Излучение видимого света, которое мы воспринимаем глазами, отличается длинной волны от теплового излучения. Оба они имеют одинаковое свойство, распространятся со скоростью света. Но в отличие от видимого света инфракрасные излучатели дают теплоизлучение которое в то же время осуществляет нагрев воспринимаемой поверхности.
Свойства инфракрасного излучения
Свойства материи в инфракрасном излучении сильно разнятся от их особенностей в видимом излучении.
Передача тепла инфракрасными обогревателями . путём излучения происходит иначе, чем конвекцией или теплопроводностью. Если предмет находится в потоке горячих газов, то неизбежно отнимается какое, то количество тепла, пока температура предмета находится ниже температуры нагретого газа. Напротив, если инфракрасные излучатели облучают предмет, то этим самым нельзя сказать, что поверхность предмета поглощает это теплоизлучение. Предмет может отражать, поглощать или пропускать лучи без потерь. На практике всегда действуют три вида теплопередачи. Облучаемый предмет поглощает часть этого облучения, часть отражает и часть пропускает. Поэтому тело характеризуют по способности поглощения A, отражения R и пропускания D. Эти три величины, находятся в соотношении друг с другом:
Используя небольшой карманный фонарь можно ярко осветить какой-либо предмет, фокусируя на этом предмете соответствующим рефлектором весь свет. Точно так же используя свойства инфракрасного излучения можно сфокусировать луч и на некотором расстоянии, нагревать определённое тело или человека, не нагревая при этом воздух, через который проходят лучи.
Многие вещества, прозрачные для видимого света, не пропускают инфракрасные лучи, и наоборот. К примеру слой воды толщиной несколько сантиметров позволяет отчётливо видеть находящиеся под ним предметы, но он непрозрачен для теплоизлучения с длинами волн больше 1 мкм. На эту область падают все процессы, которые основываются на испарении тонких слоёв воды. Особенно сильные места поглощения тонких слоёв воды находящейся в жидком агрегатном состоянии приходятся на длинны волн 2; 3; 4,7; и 6,1 мкм.
Если к телу направлены лучи определённой длинны волн, то может или очень много отражается лучей, и тогда уменьшается поглощение и проницаемость лучей или лучи в основной своей части поглощаются, и в незначительной части имеет место прохождение инфракрасного излучения. Воздух, например, есть вещество, при котором проницаемость лучей составляет приблизительно 100 %. Материалы же, напротив, не пропускают инфракрасные лучи даже при незначительной толщине. В зависимости от свойства поверхности и виду металла, поглощение и отражение принимают значительную величину. Окалина, грязь и коррозия на поверхности металла значительно повышают возможность поглощения. Точно так же неодинаково воспринимают лучи матовые, полированные или анодированные металлы. Блестящий алюминий хорошо отражает инфракрасные лучи. Возможность отражения также зависит от поверхности металла, в то время как возможность поглощения и проницаемость определяются толщиной материала и внутренним строением. С увеличением толщины уменьшается прохождение инфракрасного излучения, если материал однородный по своему строению. При однородной массе повышается возможность теплоёмкости .
При оценке материала по его отношению к инфракрасным лучам нельзя руководствоваться свойствами, проявляемыми веществом в видимом свете. Стеклянная пластина пропускает лучи только при длине около 2.5 мкм. Теплоизлучение более длинных волн очень сильно поглощается. Если необходимо нагреть стекло, то нужно применить излучатель, максимум лучей которого имеет длину волны 2.5 мкм. Если выбрать коротковолновый излучатель, тогда поглощается небольшая часть лучистой энергии. Если применять длинноволновый излучатель, тогда имеет место полное поглощение лучистой энергии в ближайших нескольких миллиметрах толщины стекла. Для тонких стеклянных пластинок, возможно, применять только длинноволновый излучатель. Для толстых стеклянных тел применение длинноволнового излучателя недопустимо, так как вследствие плохой теплопроводности стекла появляются перенапряжения, приводящие к разрушению стекла.
Свойства теплового излучения в процессе сушки имеют другие особенности. Промышленное применение инфракрасной сушки показало , что особенно сильно поглощает инфракрасное излучение вода. Так как вода при сушке в большинстве случаев находится на поверхности высушиваемого материала в виде тонкого слоя, то и температурные различия не оказывают решающего значения на тепловой процесс. В данном случае является важно выбрать подходящую область длины волн. К тому же надо знать свойство материала при нагреве его инфракрасным излучением.
Тёмные и светлые инфракрасные излучатели
Источники инфракрасного излучения делятся на два основных типа: светлые — коротковолновые и тёмные — длинноволновые.
Светлые источники излучения тепла дают инфракрасное теплоизлучение, с малой долей в области видимого света и воспринимается глазом. Теплоизлучение, исходящее от тёмного источника инфракрасного излучения, может быть воспринято только ощущением тепла кожей человека, но не зрением. Поверхностная температура, не более 700 градусов (длина волны = 3 микрометрам и больше), является границей между этими двумя типами. Известная русская печь применяемая для отопления дома, является темным источником инфракрасного излучения тепла.
Типичными светлыми источниками теплоизлучения являются так называемые электрические лампы накаливания. Только очень небольшая часть излучаемых ими лучей, около 12%, находится в области видимого света и выполняет своё непосредственное назначение. Остальная часть – это инфракрасное излучение тепла, которое идёт на отопление.
Светлые инфракрасные излучатели
Электрические коротковолновые обогреватели инфракрасные в основном очень сходны с лампой накаливания и являются источниками жесткого инфракрасного излучения, поэтому они в основном применяются при отоплении помещений имеющих высокие потолки. Для нити накаливания применяется вольфрамовая проволока. Рабочая температура находится в пределах 2000 градусов (длина волны = 1.2 микрометра). Поэтому часть энергии, излучающей видимый свет, незначительна и составляет 2-12%. Вольфрамовая спираль находится в стеклянной колбе в вакууме. Часть поверхности колбы отражает лучистую энергию, которая может быть направлена на тело. При работе коротковолнового излучателя подведённая электроэнергия превращается в лучистую энергию. Незначительное количество энергии теряется на нагрев цоколя лампы. Так как вольфрамовая нить находится в стеклянной колбе, а стекло пропускает излучение, в том числе и инфракрасное, только ниже 2.5 мкм. (что соответствует температуре 886 градусов и выше), то это приводит к значительному нагреву стеклянной колбы. Это тепло частично отдается окружающему воздуху, частично опять излучается. Так как эти лучи не направлены рефлектором, то только незначительное их количество попадает на предмет, который необходимо нагреть. Таким образом, коротковолновые излучения, поглощаются стеклянной колбой и в большей части теряются. КПД светлого электрического излучателя, то есть отношение излучённой энергии в форме инфракрасных лучей к затраченной электроэнергии, составляет примерно 65%. Если спираль поместить в колбу или трубку из кварцевого стекла, то граница для беспрепятственного прохождения инфракрасных волн сдвигается до 3.3 мкм., при этом интенсивное поглощения тепла наблюдается при температуре 600 градусов и ниже. Кварцевый трубчатый инфракрасный обогреватель коротковолновый по своему строению похож на софитовые лампы. Спираль накаливания состоит из хромоникелевой проволоки, которая наматывается на кварцевый стержень и помещается внутрь кварцевой трубки. Накалённая проволока частично излучает тепло, а частично нагревает кварцевый стержень докрасна, который в свою очередь излучает тепло.
Преимущество электрического кварцевого трубчатого излучателя состоит в том, что кварц устойчив к температурным изменениям.
Недостатком данного типа излучателя является присутствие в спектре жесткого инфракрасного излучения и весьма незначительная механическая прочность.
Тёмные инфракрасные излучатели
Электрические тёмные длинноволновые инфракрасные обогреватели по сравнению со светлыми значительно практичнее. У них излучает инфракрасное тепло не металлический проводник, пропускающий ток, а металл окружающий его. Речь идёт о керамическом, металлическом или искусственном материале, в котором укладывается электрическая спираль, защищенная теплоустойчивым изоляционным материалом. Рабочая температура 400 – 600 градусов является для них обычной. С помощью рефлекторов осуществляется направление инфракрасных лучей на отапливаемый объект. Тёмные длинноволновые инфракрасные обогреватели, как правило, очень устойчивы к механическим воздействиям и излучают мягкое длинноволновое инфракрасное излучение. Отопление помещений такими обогревателями желательно проводить при низких потолках. КПД тёмного электрического излучателя находится в пределах 90%.
Недостатком тёмных электрических инфракрасных излучателей является зависимость температуры поверхности и КПД лучистой энергии от расположения излучателей, так как потоки воздуха могут охлаждать незащищённую поверхность последних и таким образом уменьшать КПД инфракрасной установки в целом.
Что такое инфракрасное излучение?
Инфракрасное излучение (ИК) или инфракрасный свет — это тип лучистой энергии, который невидим для человеческого глаза, но который мы можем ощущать как тепло. Все объекты во Вселенной излучают инфракрасное излучение в той или иной степени, но два наиболее очевидных источника — солнце и огонь.
Полина Колесо
ИК-излучение — это один из трёх способов передачи тепла из одного места в другое.
ИК — это тип электромагнитного излучения, континуум частот, возникающий, когда атомы поглощают, а затем выделяют энергию. Электромагнитное излучение от самой высокой до самой низкой частоты включает гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны. Вместе эти виды излучения составляют электромагнитный спектр.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
По данным НАСА, британский астроном Уильям Гершель открыл инфракрасный свет в 1800 году. В эксперименте по измерению разницы температур между цветами видимого спектра он поместил термометры на пути света в пределах каждого оттенка. Он наблюдал повышение температуры от синего до красного и обнаружил ещё более высокую температуру сразу за красным концом видимого спектра.
Как появляются ИК-волны
В электромагнитном спектре инфракрасные волны возникают на частотах выше частот микроволн и чуть ниже частот красного видимого света — отсюда и название «инфракрасный». По данным Калифорнийского технологического института, волны инфракрасного излучения длиннее, чем волны видимого света. Частоты ИК-излучения находятся в диапазоне от примерно 300 гигагерц (ГГц) до примерно 400 терагерц (ТГц), а длина волны оценивается в диапазоне от 1000 микрометров (мкм) до 760 нанометров. Хотя, по данным НАСА, эти значения не являются окончательными.
А знаете ли вы, как выглядит современный Лас-Вегас в инфракрасном свете?
Подобно спектру видимого света, который варьируется от фиолетового (самая короткая длина волны видимого света) до красного (самая длинная длина волны), инфракрасное излучение имеет свой собственный диапазон длин волн. Более короткие «ближние инфракрасные» волны, которые ближе к видимому свету в электромагнитном спектре, не излучают заметного тепла и излучаются пультом дистанционного управления телевизором для переключения каналов.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
По данным НАСА, более длинные «дальние инфракрасные» волны, которые ближе к микроволновой части электромагнитного спектра, можно ощущать как сильное тепло — такое как тепло от солнечного света или огня.
ИК-излучение — это один из трёх способов передачи тепла из одного места в другое, два других — конвекция и теплопроводность. Всё, что имеет температуру выше примерно минус 268 градусов по Цельсию, излучает ИК-излучение. По данным Университета Теннесси, Солнце излучает половину своей полной энергии в виде инфракрасного излучения, а большая часть видимого света звезды поглощается и как бы переизлучается в виде инфракрасного излучения.
Бытовое использование
Бытовые приборы, такие как тепловые лампы и тостеры, используют ИК-излучение для передачи тепла — как и промышленные обогреватели, например те, которые используются для сушки и отверждения материалов. По данным Агентства по охране окружающей среды, лампы накаливания преобразуют только около 10 процентов потребляемой ими электроэнергии в энергию видимого света. Остальные 90 процентов преобразуются в инфракрасное излучение.
Хорошие новости! Исследователи разработали специальные очки для незрячих, которые используют инфракрасную технологию, помогающую ориентироваться в пространстве.
Инфракрасные лазеры можно использовать для прямой связи на расстоянии в несколько сотен метров или ярдов. Согласно How Stuff Works, пульты дистанционного управления телевизора, использующие инфракрасное излучение, посылают импульсы ИК-энергии от светоизлучающего диода (LED) к ИК-приёмнику в телевизоре. Приёмник преобразует световые импульсы в электрические сигналы, которые указывают микропроцессору выполнить запрограммированную команду.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Инфракрасное зондирование
Одним из наиболее полезных применений ИК-спектра является обнаружение. Все объекты на Земле излучают ИК-излучение в виде тепла. Это можно обнаружить с помощью электронных датчиков — таких как те, которые используются в очках ночного видения и инфракрасных камерах.
Простым примером такого датчика является болометр, который состоит из телескопа с чувствительным к температуре резистором или термистором в фокусе, согласно Калифорнийскому университету в Беркли. Если тёплое тело попадает в поле зрения этого прибора, тепло вызывает заметное изменение напряжения на термисторе.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Камеры ночного видения используют более сложную версию болометра. Эти камеры обычно содержат микросхемы формирования изображений с зарядовой связью (ПЗС), которые чувствительны к ИК-излучению. Изображение, сформированное ПЗС, затем можно воспроизвести в видимом свете. Эти системы могут быть сделаны достаточно маленькими, чтобы их можно было использовать в портативных устройствах или очках ночного видения. Такие камеры можно использовать и для прицелов с добавлением ИК-лазера для наведения или без него.
Инфракрасная спектроскопия измеряет ИК-излучение материалов на определённых длинах волн. ИК-спектр вещества будет показывать характерные провалы и пики, когда фотоны (частицы света) поглощаются или испускаются электронами в молекулах, когда электроны переходят между орбитами или энергетическими уровнями. Затем эту спектроскопическую информацию можно использовать для идентификации веществ и мониторинга химических реакций.
Инфракрасное излучение и его применение
Электромагнитное излучение с диапазоном длин волн от 0,74 мкм до 2 мм именуется в физике инфракрасным излучением или инфракрасными лучами, сокращенно «ИК». Оно занимает ту часть электромагнитного спектра, которая находится между видимым оптическим излучением (берущим начало в районе красного цвета) и коротковолновым радиодиапазоном.
Хотя практически инфракрасное излучение не воспринимается человеческим глазом как свет и не обладает каким-то определенным цветом, оно относится, тем не менее, к оптическому излучению, и находит самое широкое применение в современной технике.
Инфракрасные волны, что характерно, нагревают поверхности тел, поэтому инфракрасное излучение еще часто именуют тепловым излучением. Всю инфракрасную область принято условно делить на три части:
- далекая ИК область — с длинами волн от 50 до 2000 мкм;
- средняя ИК область — с длинами волн от 2,5 до 50 мкм;
- ближняя ИК область — от 0,74 до 2,5 мкм.
ИК-излучение было открыто в 1800 году английским астрономом Уильямом Гершелем, а позже, в 1802 году, независимо от него, английским же ученым Уильямом Волластоном.
Спектры в ИК-диапазоне
Атомные спектры, получаемые в виде инфракрасных лучей, — линейчатые; спектры конденсированных сред — непрерывные; молекулярные спектры — полосатые. Суть в том, что для инфракрасных лучей, по сравнению с видимой и ультрафиолетовой областями электромагнитного спектра, оптические свойства веществ, такие как коэффициент отражения, пропускания, преломления, — сильно отличаются.
Многие из веществ хотя и пропускают видимый свет, при этом оказываются непрозрачными для волн части инфракрасного диапазона.
Так, например, слой воды в несколько сантиметров толщиной — непрозрачен для инфракрасной волны с длиной более 1 мкм, и в некоторых условиях может использоваться в качестве теплозащитного фильтра. А слои германия или кремния не пропускают видимый свет, зато хорошо пропускают инфракрасные лучи определенной длины волны. ИК-лучи дальней области черная бумага пропускает легко, и может служить фильтром для их выделения.
Большинство металлов, такие как алюминий, золото, серебро и медь, — отражают инфракрасное излучение с большей длиной волны, например при длине волны ИК-лучей в 10 мкм, отражение от металлов доходит до 98%. Твердые и жидкие вещества неметаллической природы отражают лишь часть диапазона ИК, в зависимости от химического состава конкретного вещества. В силу данных особенностей взаимодействия ИК-лучей с различными средами, они успешно используются во многих исследованиях.
Рассеивание ИК-излучения
Инфракрасные волны исходящие от Солнца, проходя через атмосферу Земли, частично рассеиваются и ослабляются на молекулах и атомах воздуха. Кислород и азот атмосферы частично ослабляют ИК-лучи, рассеивая их, но не поглощая полностью, как поглощают часть лучей видимого спектра.
Содержащиеся в атмосфере вода, углекислый газ и озон частично поглощают инфракрасные лучи, причем более всего поглощает их вода, так как ее спектры ИК-поглощения приходятся на всю область инфракрасного спектра, а спектры поглощения углекислого газа — попадают лишь на среднюю область.
Слои атмосферы вблизи поверхности Земли пропускают совсем небольшую долю ИК-излучения, так как дым, пыль и вода дополнительно ослабляют его, рассеивая энергию на своих частицах. Чем меньше частицы (дыма, пыли, воды и т.д.) — тем меньше рассеивание ИК и больше рассеивание волн видимого спектра. Данный эффект применяется в инфракрасной фотографии.
Источники ИК-излучения
Для нас, живущих на Земле, очень мощным естественным источником инфракрасного излучения является Солнце, ведь половина его электромагнитного спектра приходится именно на инфракрасный диапазон. У ламп накаливания ИК-спектр составляет до 80% энергии излучения.
Также к искусственным источникам ИК-излучения относятся: электрическая дуга, газоразрядные лампы, и, конечно, бытовые обогреватели на ТЭНах. В науке для получения ИК-волн применяют штифт Нернста, вольфрамовые нити, а также ртутные лампы высокого давления и даже специальные ИК-лазеры (неодимовое стекло дает длину волны 1,06 мкм, а гелий-неоновый лазер — 1,15 и 3,39 мкм, углекислый газ — 10,6 мкм).
Приемники ИК-излучения
Принцип работы приемников ИК-волн основывается на преобразовании энергии падающего излучения в другие виды энергии, доступные для измерения и использования. Поглощаемое в приемнике, ИК-излучение разогревает термочувствительный элемент, и повышение температуры регистрируется.
Фотоэлектрические приемники ИК-лучей генерируют электрическое напряжение и ток, реагируя на определенную узкую часть ИК-спектра, для работы с которой они предназначены, то есть фотоэлектрические ИК-приемники селективны. Для ИК-волн из диапазона до 1,2 мкм фоторегистрацию осуществляют при помощи специальных фотоэмульсий.
Очень широкое применение находит инфракрасное излучение в науке и технике, особенно для решения практических исследовательских задач. Исследуются спектры поглощения и испускания молекул и твердых тел, которые как раз приходятся на инфракрасную область.
Данный подход к исследованиям называется инфракрасной спектроскопией, позволяющей решать структурные задачи, проводя количественный и качественный спектральный анализ. На далекую ИК-область приходятся излучения, вызываемые переходами между подуровнями атомов. Благодаря ИК-спектрам можно изучать структуры электронных оболочек атомов.
И это не говоря о фотографии, когда один и тот же объект, будучи сфотографирован сначала в видимом, а затем — в инфракрасном диапазоне, будет выглядеть по разному, так как из-за различия в коэффициентах пропускания, рассеяния и отражения для разных областей электромагнитного спектра, некоторые элементы и детали в необычном режиме фотосъемки могут вообще отсутствовать: на обычной фотографии кое-что будет отсутствовать, а на ИК-фото — станет видимым.
Нельзя недооценить промышленное и бытовое использование инфракрасного излучения. Его применяют для сушки и нагрева различных изделий и материалов на производствах. В домах — обогревают помещения.
Электронно-оптические преобразователи используют фотокатоды, чувствительные в инфракрасной области электромагнитного спектра, что позволяет видеть то, что невидимо невооруженным глазом.
Приборы ночного видения позволяют видеть в темноте благодаря облучению объектов ИК-лучами, ИК-бинокли — вести наблюдение ночью, ИК-прицелы — вести прицеливание в полной темноте и т. д. Кстати, с помощью инфракрасного излучения можно воспроизвести точный эталон метра.
Приемники ИК-волн повышенной чувствительности позволяют вести пеленгацию различных объектов по их тепловому излучению, так например работают системы самонаведения ракет, которые дополнительно генерируют собственное ИК-излучение.
Дальномеры и локаторы на основе ИК-лучей дают возможность наблюдать некоторые предметы в темноте, и измерять расстояние до них с высокой точностью. ИК-лазеры используются в научных исследованиях, для зондирования атмосферы, для осуществления космической связи и т.д.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Инфракрасное излучение
Что такое инфракрасное излучение? Мы узнали, что тепловые лучи были открыты Гершелем в 1800 году. Чтобы разобраться в природе теплового (инфракрасного) излучения и его взаимодействия с окружающими нас объектами придется немного углубится в теорию. Начнем с определения.
[quote align=»center»]Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (от λ = 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (до λ = 1 мм).[/quote]
Электромагнитное излучение с самыми разными длинами волн окружает нас повсеместно и постоянно. Видимый свет — это тоже электромагнитные волны, которые ощущает человеческий глаз по интенсивности и спектральному составу (цвету). Для восприятия всех других электромагнитных волн нам нужны технические средства. С их помощью мы слушаем радио, смотрим телевизор, делаем рентген. И только инфракрасное излучение от нагретых предметов может воспринимается кожей человека как ощущение тепла. Поэтому ИК-излучение иногда называют «тепловым» излучением.
Самым мощным инфракрасным излучателем, безусловно, является Солнце. Около 50% излучения Солнца лежит в инфракрасной области. Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на инфракрасный спектр.
Инфракрасное излучение делят на условные диапазоны. Наименования и границы этих диапазонов связаны с техническими устройствами и задачами, решаемыми ими. Поэтому можно найти несколько вариантов деления. Приведу наиболее распространенный в сфере тепловизионного контроля:
- ближняя область (Near-infrared, NIR): λ = 0,74 — 1,4 мкм;
- коротковолновая область (Short-wave, SW): λ = 1,4 — 3 мкм;
- средневолновая область (Mid-wave, MW): λ = 3 — 5 мкм;
- длинноволновая область (Long-wave, LW): λ = 8 — 14 мкм;
- дальняя область (Far infrared, FIR): λ = 14 — 1000 мкм.
Диапазоны NIR и SW иногда называют «reflected infrared», так как в этих диапазонах при обычных температурах регистрируется не собственное, а только отраженное от объекта ИК-излучение. Основные рабочие в тепловидении диапазоны MW и LW иногда называют «thermal infrared», так как в них регистрируется собственное тепловое излучение объектов, связанное с их температурой.
Границы этих рабочих тепловизионных диапазонов определены окнами прозрачности атмосферы. Дело в том, что проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Азот и кислород воздуха ослабляют ик-излучение в результате рассеяния, которое значительно меньше, чем для видимого света. Особенно сильно поглощают ик-излучение пары воды и углекислый газ. К дополнительному ослаблению инфракрасного излучения приводит наличие в атмосфере взвешенных частиц: дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман), а также осадки (снег, дождь).
Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов. Природа всех лучей одинакова, они представляют собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела, количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела. Таким образом, все тела, температура которых отличается от абсолютного нуля, непрерывно излучают энергию. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.
При температурах ниже 500°С излучение тела почти целиком расположено в инфракрасной области, такое тело можно увидеть глазом только при освещении, само оно не светится. При повышении температуры спектр излучения смещается в видимую область (доля излучения в видимой области увеличивается) и тело начинает само светиться. Сначала тёмно-красным, затем красным, жёлтым уже при очень высоких температурах оно кажется белым (цвета каления). При этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения.
Для описания законов излучения применяют модель идеального объекта — абсолютно черного тела (АЧТ). На сайте есть отдельная статья про АЧТ с более подробным описанием. Следующие законы описывают характеристики ик-излучения:
- формула Планка (распределение энергии теплового излучения по длинам волн в зависимости от температуры),
- закон Стефана-Больцмана (зависимость мощности излучения тела от его температуры),
- закон смещения Вина (длина волны, на которую приходится максимум излучения при заданной температуре).
Связь мощности инфракрасного излучения с температурой поверхности используется для бесконтактного измерения температуры в инфракрасных пирометрах и тепловизорах.
Хотя инфракрасное излучение подчиняется законам оптики и имеет ту же природу, что и видимый свет, взаимодействие ик-излучения с объектами имеет свои особенности. Это связано с тем, что оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой области.
Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в инфракрасных областях и наоборот. Например, небольшой слой воды непрозрачен для ик-излучения. Пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (из этих материалов изготавливают линзовые объективы тепловизоров). Чёрная бумага прозрачна в далёкой инфракрасной области. В рабочем диапазоне длинноволновых тепловизоров оконные стекла непрозрачны, а полиэтилен полупрозрачен.
Коэффициент излучения (и связанный с ним коэффициент отражения) — важнейшая характеристика поверхности объекта в инфракрасном контроле, также сильно отличается от характеристик в видимом диапазоне. У большинства металлов в ик-области отражательная способность значительно больше, чем для видимого света. В зависимости от состояния поверхности коэффициент отражения может достигать 98%. В этом разделе вы найдете отдельную статью о практических измерениях и важности коэффициента излучения в тепловизионных измерениях.
Измерение температуры объектов с низким коэффициентом излучения (большой степенью отражения) проблематично, так как в исходящем от них инфракрасном излучении доля собственного излучения мала (именно по нему рассчитывается температура поверхности), а доля отражения окружающих объектов высока.
Использованы материалы: БСЭ; Википедия; Планк М. «Теория теплового излучения»; Леконт Ж. «Инфракрасное излучение»; Дерибере М. «Практические применения инфракрасных лучей»; Козелкин В. В., Усольцев И. Ф. «Основы инфракрасной техники», Госсорг Ж. «Инфракрасная термография».