Что такое инфракрасное излучение

Для того, чтобы понять принцип работы инфракрасных излучателей, необходимо представлять себе суть такого физического явления как инфракрасное излучение.

Диапазон инфракрасного излучения и длина волны

Коротковолновая часть спектра примыкает к видимому свету, а длинноволновая сливается с областью ультракоротких радиоволн. Поэтому инфракрасное излучение обладает как свойствами видимого света (распространяется прямолинейно, отражается, преломляется как и видимый свет), так и свойствами радиоволн (оно может проходить сквозь некоторые материалы, непрозрачные для видимого излучения).

Источники инфракрасного излучения

Вообще говоря, любое тело, нагретое до определенной температуры, излучает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн и может передавать эту энергию посредством лучистого теплообмена другим телам. Передача энергии происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, при этом, разные тела имеют различную излучающую и поглощающую способность, которая зависит от природы двух тел, от состояния их поверхности и т.д.

Электромагнитное излучение обладает квантово-фотонным характером. При взаимодействии с веществом фотон поглощается атомами вещества, передавая им свою энергию. При этом возрастает энергия тепловых колебаний атомов в молекулах вещества, т.е. энергия излучения переходит в теплоту.

Суть лучистого отопления состоит в том, что горелка, являясь источником излучения, генерирует, формирует в пространстве и направляет тепловое излучение в зону обогрева. Оно попадает на ограждающие конструкции (пол, стены), технологическое оборудование, людей, находящихся в зоне облучения, поглощается ими и нагревает их. Поток излучения, поглощаясь поверхностями, одеждой и кожей человека, создает тепловой комфорт без повышения температуры окружающего воздуха. Воздух в обогреваемых помещениях, оставаясь практически прозрачным для инфракрасного излучения, нагревается за счет «вторичного тепла», т.е. конвекции от конструкций и предметов, нагретых излучением.

Свойства и применение инфракрасного излучения

Установлено, что воздействие инфракрасного радиационного отопления благоприятно сказывается на человеке. Если тепловое излучение с длиной волны больше 2 мкм воспринимается в основном кожным покровом с проведением образовавшейся тепловой энергии внутрь, то излучение с длиной волны до 1,5 мкм проникает через поверхность кожи, частично нагревает ее, достигает сети кровеносных сосудов и непосредственно повышает температуру крови. При определенной интенсивности теплового потока его воздействие вызывает приятное тепловое ощущение. При лучистом обогреве человеческое тело отдает большую часть избыточного тепла путем конвекции окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру. Такая форма теплоотдачи действует освежающе и благоприятно влияет на самочувствие.

В нашей стране изучение технологии инфракрасного отопления ведется с 30-х годов как применительно к сельскому хозяйству, так и для промышленности.

Проведенные медико-биологические исследования позволили установить, что системы инфракрасного отопления более полно отвечают специфике животноводческих помещений, чем конвективные системы центрального или воздушного отопления. Прежде всего, за счет того, что при инфракрасном обогреве температура внутренних поверхностей ограждений, особенно пола, превышает температуру воздуха в помещении. Этот фактор благоприятно сказывается на тепловом балансе животных, исключая интенсивные потери тепла.

Инфракрасные системы, работающие совместно с системами естественной, вентиляции обеспечивают снижение относительной влажности воздуха до нормативных значений (на свинофермах и в телятниках до 70-75% и ниже).

В результате работы этих систем температурно-влажностный режим в помещениях достигает благоприятных параметров.

Применение систем лучистого отопления для сельскохозяйственных зданий позволяет не только создавать необходимые условия микроклимата, но и интенсифицировать производство. Во многих хозяйствах Башкирии (колхоз им. Ленина, колхоз им. Нуриманова) значительно увеличилось получение приплода после внедрения инфракрасного отопления (увеличение опороса в зимний период в 4 раза), возросла сохранность молодняка (с 72,8% до 97,6%).

Источник

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:

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:

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».

Источник

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

Многие из веществ хотя и пропускают видимый свет, при этом оказываются непрозрачными для волн части инфракрасного диапазона.

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.

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).

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.

Источник

Инфракрасное излучение

Инфракра́сное излуче́ние — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны [1] λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ

Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

Последнее время длинноволновую окраину этого диапазона выделяют в отдельный, независимый диапазон электромагнитных волн — терагерцовое излучение (субмиллиметровое излучение).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное 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. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

Содержание

История открытия и общая характеристика

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем. Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.

Ранее лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскаленные тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней инфракрасной-области (до

Источник

Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение (ИК-излучение) часть электромагнитного спектра с длиной волны &lambda = 0,76 1000 мкм, энергия которого при поглощении в веществе вызывает тепловой эффект. С учетом особенности биологического действия по длинам волн ИК-излучение делится на области: коротковолновую, с &lambda = 0,7615 мкм, средневолновую, с &lambda = 16-100 мкм, длинноволновую, с &lambda100 мкм.

Инфракрасное излучение также называют тепловым излучением, так как инфракрасное 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.

Воздействие инфракрасного излучения на организм проявляется как общими, так и местными реакциями.

Местная реакция сильнее выражена при облучении длинноволновыми инфракрасными лучами, поэтому при одной и той же интенсивности облучения время переносимости коротковолнового инфракрасного излучения больше, чем длинноволнового. Коротковолновое инфракрасное излучение обладает более выраженным общим действием за счет большей глубины проникновения в ткани тела.

Изменения в организме под воздействием инфракрасного излучения зависят от его интенсивности, спектрального состава, площади и зоны облучения. Так, наибольший эффект, наблюдается при облучении области шеи, верхней половины туловища.

Изменения на коже характеризуются эритемой, при интенсивном облучении может быть ожёг, при длительном воздействии на коже может развиться коричнево-красная пигментация.

Под действием высоких температур и теплового облучения работающих происходят резкое нарушение теплового баланса в организме, биохимические сдвиги, появляются нарушения сердечно-сосудистой и нервной систем, усиливается потоотделение, происходит потеря нужных организму солей, нарушение зрения. Все эти изменения могут проявиться в виде заболеваний:

— судорожная болезнь, вызванная нарушением водно-солевого баланса, характеризуется появлением резких судорог, преимущественно в конечностях

— перегревание (тепловая гипертермия) возникает при накоплении избыточного тепла в организме основным признаком является резкое повышение температуры тела

— катаракта (помутнение хрусталиков) профессиональное заболевание глаз, возникающее при длительном воздействии инфракрасных лучей с &lambda = 0,78-1,8 мкм.

К острым нарушениям органов зрения относятся также ожог, конъюктивиты, помутнение и ожог роговицы, ожог тканей передней камеры глаза.

Согласно СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений допустимые величины интенсивности теплового облучения работающих на рабочих местах от производственных источников, нагретых до темного свечения (материалов, изделий и др.) должны соответствовать значениям, приведенным в таблице

Допустимые величины интенсивности теплового облучения работающих от источников излучения, нагретых до белого и красного свечения (раскаленный или расплавленный металл, стекло, пламя и др.) не должны превышать 140 Вт/кв. м. При этом облучению не должно подвергаться более 25% поверхности тела и обязательным является использование средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз.

Одним из самых распространенных способов борьбы с тепловым излучением является экранирование излучающих поверхностей. Экраны бывают трех типов: непрозрачные, прозрачные и полупрозрачные.

В непрозрачных экранах поглощаемая энергия электромагнитных колебаний, взаимодействуя с веществом экрана, превращается в тепловую энергию. При этом экран нагревается и становится источником теплового излучения. К непрозрачным экранам относятся: металлические (в т.ч. алюминиевые), альфолевые (алюминиевая фольга), футерованные (пенобетон, пеностекло, керамзит), асбестовые и др.

В прозрачных экранах излучение, взаимодействуя с веществом экрана, минует стадию превращения в тепловую энергию и распространяется внутри экрана по законам геометрической оптики, что обеспечивает видимость через экран. Прозрачные экраны выполняются из различных стекол: силикатного, кварцевого, органического, металлизированного, а также к прозрачным экранам относятся пленочные водяные завесы (свободные и стекающие по стеклу), вододисперсные завесы.

Полупрозрачные экраны объединяют в себе свойства прозрачных и непрозрачных экранов. К ним относятся металлические сетки, цепные завесы, экраны из армированного металлической сеткой стекла.

По принципу действия экраны подразделяются на теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие. Так как каждый экран обладает одновременно способностью отражать, поглощать и отводить тепло, то отнесение экрана к той или иной группе производится в зависимости от того, какие свойства экрана выражены сильнее:

— теплоотражающие экраны имеют низкую степень черноты поверхностей, вследствие чего они значительную часть падающей на них лучистой энергии отражают. В качестве теплоотражающих материалов в конструкции экранов используют альфоль, листовой алюминий, оцинкованную сталь, алюминиевую краску

— теплопоглощающие экраны выполняют из материалов с высоким термическим сопротивлением, т.е. с малым коэффициентом теплопроводимости. В качестве теплопоглощающих материалов применяют огнеупорный и теплоизоляционный кирпич, асбест, шлаковату

— в качестве теплоотводящих экранов наиболее широко используют водяные завесы, свободно падающие в виде пленки, орошающие другую экранирующую поверхность (например, металлическую), либо заключенные в специальный кожух из стекла, металла (змеевики) и др.

В качестве средств индивидуальной защиты применяются фибровые и дюралевые каски, защитные очки, наголовные маски с откидными экранами, спецодежда и спецобувь.

Лечебно-профилактические мероприятия включают предварительные и периодические медицинские осмотры в целях предупреждения и ранней диагностики заболеваний у работающих.

Экспертиза ИК-излучения проводится Аккредитованным испытательным лабораторным центром ФБУЗ Центр гигиены и эпидемиологии в Республике Мордовия, аттестат аккредитации № РОСС. RU.0001.510112 от 03.06.2013г. Для этого в ИЛЦ имеется всё: опытные, высококвалифицированные специалисты, современная аналитическая и измерительная аппаратура, высокое качество исследований и измерений.

Источник