Инфракра́сное излуче́ние - электромагнитное излучение , занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1-2 мм).

Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приемниками, а также специальными фотоматериалами .

Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

• коротковолновая область: λ = 0,74-2,5 мкм;
• средневолновая область: λ = 2,5-50 мкм;
• длинноволновая область: λ = 50-2000 мкм;

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.

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 ~1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и фоторезисторы . Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами - детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением .

ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решетки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте .

Поскольку инфракрасные спектры связаны с вращательными и колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а также о зонной структуре кристаллов .

Применение

Медицина

Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии .

Дистанционное управление

Инфракрасные диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления , системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах (инфракрасный порт) и т. п. Инфракрасные лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости.

Интересно, что инфракрасное излучение бытового пульта дистанционного управления легко фиксируется с помощью цифрового фотоаппарата .

При покраске

Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это, безусловно, экономический эффект. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке меньше тех же показателей при традиционных методах.

Стерилизация пищевых продуктов

С помощью инфракрасного излучения стерилизируют пищевые продукты с целью дезинфекции.

Антикоррозийное средство

Инфракрасные лучи применяются с целью предотвращения коррозии поверхностей, покрываемых лаком.

Пищевая промышленность

Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа, мука и т. п. на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах (крахмал , белок , липиды). Конвейерные сушильные транспортёры с успехом могут использоваться при закладке зерна в зернохранилища и в мукомольной промышленности.

Кроме того, инфракрасное излучение повсеместно применяют для обогрева помещений и уличных пространств. Инфракрасные обогреватели используются для организации дополнительного или основного отопления в помещениях (домах, квартирах, офисах и т. п.), а также для локального обогрева уличного пространства (уличные кафе, беседки, веранды).

Недостатком же является существенно большая неравномерность нагрева, что в ряде технологических процессов совершенно неприемлемо.

Проверка денег на подлинность

Инфракрасный излучатель применяется в приборах для проверки денег. Нанесенные на купюру как один из защитных элементов, специальные метамерные краски возможно увидеть исключительно в инфракрасном диапазоне. Инфракрасные детекторы валют являются самыми безошибочными приборами для проверки денег на подлинность. Нанесение на купюру инфракрасных меток, в отличие от ультрафиолетовых, фальшивомонетчикам обходится дорого и соответственно экономически невыгодно. Потому детекторы банкнот со встроенным ИК излучателем, на сегодняшний день, являются самой надежной защитой от подделок.

Опасность для здоровья

Сильное инфракрасное излучение в местах высокого нагрева может вызывать опасность для глаз. Наиболее опасно, когда излучение не сопровождается видимым светом. В таких местах необходимо надевать специальные защитные очки для глаз.

См. также

Другие способы теплопередачи

Способы регистрации (записи) ИК-спектров.

Примечания

Ссылки

Инфракрасное излучение – один из типов электромагнитного излучения, что граничит с красной частью спектра видимого света с одной стороны и микроволнами – с другой. Длина волны – от 0.74 до 1000-2000 микрометров. Инфракрасные волны называют еще «тепловыми». Исходя из длины волны, их классифицируют на три группы:

коротковолновые (0.74-2.5 микрометров);

средневолновые (длиннее 2.5, короче 50 микрометров);

длинноволновые (больше 50 микрометров).

Источники инфракрасного излучения

На нашей планете инфракрасное излучение отнюдь не редкость. Практически любое тепло – эффект воздействия инфракрасных лучей. Неважно что это: солнечный свет, тепло наших тел или нагрев, исходящий от отопительных приборов.

Инфракрасная часть электромагнитного излучения греет не пространство, а непосредственно сам объект. Именно на этом принципе построена работа инфракрасных ламп. Да и Солнце обогревает Землю аналогичным образом.

Влияние на живые организмы

На данный момент, науке неизвестны подтвержденные факты негативного влияния инфракрасных лучей на организм человека. Разве что из-за чересчур интенсивного излучения может повредиться слизистая оболочка глаз.

А вот о пользе можно говорить очень долго. Еще в 1996 году, ученые из США, Японии и Голландии подтвердили ряд позитивных медицинских фактов. Тепловое излучение:

уничтожает некоторые из видов вируса гепатита;

подавляет и замедляет рост раковых клеток;

обладает способностью нейтрализации вредных электромагнитных полей и излучения. В том числе и радиоактивного;

помогает вырабатывать инсулин диабетиками;

может помочь при дистрофии;

улучшение состояния организма при псориазе.

Под улучшается самочувствие, внутренние органы начинают работать эффективнее. Увеличивается питание мускулов, изрядно повышается сила иммунной системы. Известный факт, что при отсутствии инфракрасного излучения, организм ощутимо быстрее стареет.

Инфракрасные лучи еще называют «лучами жизни». Именно под их воздействием зародилась жизнь.

Использование инфракрасных лучей в быту человека

Инфракрасный свет используют не менее широко, чем он распространен. Пожалуй, будет очень сложно найти хоть одну область народного хозяйства, где не нашла себе применения инфракрасная часть электромагнитных волн. Перечислим самые известные сферы применения:

военное дело. Самонаведение боеголовок ракет или приборы ночного видения – это все результат использования инфракрасного излучения;

термография широко используется в науке для определения перегретых или переохлажденных частей исследуемого объекта. Инфракрасные снимки также широко используются в астрономии, наряду с другими типами электромагнитных волн;

бытовые обогреватели. В отличие от конвекторов, такие устройства с помощью лучистой энергии нагревают все объекты помещения. А уже дальше, предметы интерьера отдают тепло окружающему воздуху;

передача данных и дистанционное управление. Да, все пульты от телевизоров, магнитофонов и кондиционеров используют инфракрасные лучи;

дезинфекция в пищевой промышленности

медицина. Лечение и профилактика многих разнотипных заболеваний.

Инфракрасные лучи – относительно небольшая часть электромагнитного излучения. Являясь естественным способом передачи тепла, без него не обходится ни один жизненный процесс на нашей планете.

Введение

Инфракрасное излучение 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 испускает возбуждённые атомы или ионы. Инфракрасное излучение - это практически то же, что и обычный свет.

Единственное отличие заключается в том, что при попадании на предметы видимая часть спектра становится освещением, а инфракрасное излучение поглощаются телом, превращаясь при этом в энергию тепла. Без него немыслима жизнь на нашей планете. При распространении инфракрасного излучения в пространстве практически не происходит потерь энергии. По сути, это природный и самый совершенный метод обогрева. Поэтому для теплоэнергетики вопрос использования инфракрасного излучения является весьма интересным.

Целью данной работы является проведение исследования характеристики инфракрасного излучения и защиты от инфракрасного излучения. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассмотреть характеристику инфракрасного излучения.

2. Проанализировать поражающие факторы инфракрасного излучения.

3. Изучить способы защиты от вредного воздействия инфракрасного излучения.

Характеристика инфракрасного излучения и источники

Инфракрасное излучение генерируется любым нагретым телом, температура которого определяет интенсивность и спектр излучаемой электромагнитной энергии. Нагретые тела, имеющие температуру выше 100 o С, являются источником коротковолнового инфракрасного излучения. Одной из количественных характеристик излучения является интенсивность теплового облучения, которую можно определить как энергию, излучаемую с единицы площади в единицу времени (ккал/(м 2 · ч) или Вт/м 2). Измерение интенсивности тепловых излучений иначе называют актинометрией (от греческих слов асtinos - луч и metrio - измеряю), а прибор, с помощью которого производят определение интенсивности излучения, называется актинометром. В зависимости от длины волны изменяется проникающая способность инфракрасного излучения. Наибольшую проникающую способность имеет коротковолновое инфракрасное излучение (0,76-1,4 мкм), которое проникает в ткани человека на глубину в несколько сантиметров. Инфракрасные лучи длинноволнового диапазона (9-420 мкм) задерживаются в поверхностных слоях кожи.

Источники инфракрасного излучения. В производственных условиях выделение тепла возможно от:

* плавильных, нагревательных печей и других термических устройств;

*остывания нагретых или расплавленных металлов;

*перехода в тепло механической энергии, затрачиваемой на привод основного технологического оборудования;

*перехода электрической энергии в тепловую и т.п.

Около 60% тепловой энергии распространяется в окружающей среде путём инфракрасного излучения. Лучистая энергия, проходя почти без потерь пространство, снова превращается в тепловую. Тепловое излучение не оказывает непосредственного воздействия на окружающий воздух, свободно пронизывая его. Производственные источники лучистой теплоты по характеру излучения можно разделить на четыре группы:

* с температурой излучающей поверхности до 500oС (наружная поверхность печей и др.); их спектр содержит инфракрасные лучи с длиной волны 1,9-3,7 мкм;

* с температурой поверхности от 500 до 1300oС (открытое пламя, расплавленный чугун и др.); их спектр содержит преимущественно инфракрасные лучи с длиной волны 1,9-3,7 мкм;

* с температурой от 1300 до 1800oС (расплавленная сталь и др.); их спектр содержит как инфракрасные лучи вплоть до коротких с длиной волны 1,2-1,9 мкм, так и видимые большой яркости;

* с температурой выше 1800oС (пламя электродуговых печей, сварочных аппаратов и др.); их спектр излучения содержит, наряду с инфракрасными и видимыми, ультрафиолетовые лучи.

На пищевые продукты можно воздействовать несколькими видами электрофизического воздействия. Сюда относится электрический ток, электрический импульс, сверхвысокая частота, ультрафиолет и некоторые другие, среди которых и инфракрасное излучение.

С помощью воздействия на продукты инфракрасным излучением можно проводить следующие технологические процессы: нагрев, обжарку, выпечку, сушку и другие. При воздействии на материал , а точнее, его поток, превращается в тепло. На способность продуктов к поглощению инфракрасного излучения влияют два фактора - это длина волны, которая воздействует на продукт и оптические свойства самого продукта. Длина волны может иметь значение от 0,76 до 750 мкм. В зависимости от длины волны существует три группы диапазонов ее излучения.

1) Коротковолновый. Длина волны составляет от 0,76мкм до 2,5 мкм.
2) Средневолновый. Длина волны составляет от 2,5 до 25 мкм.
3) Длинноволновый. Длина волны составляет от 25 до 750 мкм.

Существует также и ряд коэффициентов, характеризующих процесс взаимодействия вещества с энергией, воздействующей на него. Это коэффициент отражения, коэффициент поглощения и пропускания. При воздействии на пищевые продукты тепловой обработкой их поверхность изменяет свою структуру, цвет и т. п., т. е. не остается постоянной.

Источники инфракрасного излучения делятся на светлые и темные, в зависимости от того, какую длину волны они излучают. Светлые излучатели имеют в своем спектре область видимого света. Границей между темными и светлыми излучателями является длина волны равная 3 мкм и более.

К светлым источникам инфракрасного излучения относятся следующие виды излучателей: электрические и газовые.

Основным элементом электрических излучателей является проволока, состоящая из нихрома или вольфрама. Чаще всего ее изготавливают в виде спирали.

Рассмотрим некоторые виды электрических излучателей подробнее.

Зеркальная лампа представляет собой колбу из стекла, в центр ее помещают вольфрамовую нить. Мощность такой лампы может составлять 250 - 500 Вт, спектр излучения лежит в диапазоне от 0.8 до 6мкм. Они способны производить прогрев продуктов до 240 С. Установку их производят на 15 см от поверхности продуктов. Этот вид электрических излучателей достаточно хрупок.

Трубчатая кварцевая лампа имеет внутри вольфрамовую спираль, вывод у нее молибденовый. Мощность составляет 920 - 1000 Вт. Максимальная длина волны 1 мкм. Для того чтобы как можно больше уменьшить процесс испарения вольфрама на внутреннюю поверхность трубки, в нее закачивают инертный газ. Эти лампы безынерционные.

Открытые и закрытые . Их основным элементом является нихромовая спираль. Длина волны составляет 2.4 мкм и 2.5 мкм соответственно.

Применение кварцевых стеклянных трубок в качестве ИК-излучателей в пищевой промышленности запр ещено гигиеническими требованиями , т.к. их можно легко разбить в процессе эксплуатации оборудования.

Также к электрическим инфракрасным излучателям относятся и ТЭНы. Излучаемая длина волны составляет 2.5 мкм.

Газовые инфракрасные излучатели, как понятно из их названия, работают на газе, это может быть как природный, так и сжиженный газ.

То, какой инфракрасный источник потребуется для обработки того или иного продукта, будет зависеть от: спектральных характеристик самого продукта, того насколько интенсивно будет подводиться тепло и от коэффициента полезного действия аппарата.

Инфракрасное излучение. Открытие инфракрасного излучения

Определение 1

Под инфракрасным излучением (ИК) понимается форма энергии или способ обогрева, при котором тепло от одного тела передается другому телу.

Человек в процессе своей жизни постоянно находится под действием ИК-излучения и способен чувствовать эту энергию как тепло, идущее от предмета. Воспринимается инфракрасное излучение кожей человека , глаза в этом спектре не видят.

Естественным источником высокой температуры является наше светило. С температурой нагревания связана длина волны инфракрасных лучей, которые бывают коротковолновыми, средневолновыми, длинноволновыми.

Короткая длина волны имеет высокую температуру и интенсивное излучение. Ещё в $1800$ г. английский астроном У. Гершель проводил наблюдения за Солнцем. Занимаясь исследованием светила, он искал способ, который бы позволил уменьшить нагрев инструмента, при помощи которого эти исследования проводились. На одном из этапов своей работы ученый обнаружил, что за насыщенным красным цветом находится «максимум тепла ». Исследование стало началом изучения инфракрасного излучения .

Если раньше источниками инфракрасного излучения в лаборатории служили раскаленные тела или электрические разряды в газах, то сегодня созданы современные источники инфракрасного излучения с частотой, которую можно регулировать или фиксировать. Их основой являются твердотельные и молекулярные газовые лазеры.

В ближней инфракрасной области (около $1,3$ мкм) для регистрации излучения пользуются специальными фотопластинками .

В дальней инфракрасной области излучение регистрируется болометрами – это детекторы, которые являются чувствительными к нагреву инфракрасным излучением.

Инфракрасные волны имеют разную длину , поэтому их проникающая способность будет тоже разная.

Длинноволновые , идущие от Солнца лучи, например, спокойно проходят через атмосферу Земли , при этом, не нагревая её. Проникая через твердые тела, они увеличивают их температуру, поэтому для всего живого на планете огромное значение имеет именно дальнее излучение .

Интересно, что в постоянной компенсирующей подпитке нуждаются все живые тела, которые тоже излучают такой же спектр тепла. При отсутствии такой подпитки, температура живого тела падает, что является причиной его уязвимости для различных инфекций. Эта дополнительная подпитка в виде ИК-излучения, как считают ученые, скорее полезна , чем вредна.

Замечание 1

Специалисты провели на животных многочисленные эксперименты, которые показали, что инфракрасные лучи подавляют рост раковых клеток, уничтожают ряд вирусов, нейтрализуют разрушительное действие электромагнитных волн. Длинноволновые инфракрасные лучи повышают количество инсулина, вырабатываемого организмом, и нивелируют последствия радиоактивного воздействия.

Применение инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение находит широкое применение, как в быту, так и в разных сферах деятельности человека.

Основными областями его применения являются:

Термография . ИК-излучение позволяет определить температуру объектов, которые находятся на каком-то удалении. В промышленных и военных целях широко используется тепловидение, его камеры могут обнаружить ИК и произведут изображение этого излучения. Благодаря термографическим камерам без всякого освещения можно «видеть» все, что находится рядом, потому что все нагретые объекты испускают ИК.

Слежение . Используется ИК слежение при наведении ракет, в которые встраивается устройство, получившее название «тепловые искатели ». В результате того, что двигатели машин и механизмов, да и сам человек излучают тепло, то хорошо будут видны в инфракрасном диапазоне, а отсюда ракеты без всякого труда находят направление полета.

Обогрев. Как источник тепла ИК повышает температуру и благотворно влияет на здоровье человека, например, инфракрасные сауны , о которых сегодня много говорят. Используют их при лечении гипертонии, сердечной недостаточности, ревматоидного артрита.

Метеорология . Высота облаков, температура поверхности воды и земли определяется со спутников, делающих инфракрасные изображения. На таких снимках холодные облака окрашены в белый цвет, теплые же облака окрашены в серый цвет. Черным или серым цветом окрашивается горячая поверхность земли.

Астрономия. При наблюдении за небесными объектами астрономы используют специальные инфракрасные телескопы. Благодаря этим телескопам ученые определяют протозвезды до момента излучения ими видимого света, различают прохладные объекты, наблюдают ядра галактик.

Искусство . И здесь инфракрасное излучение нашло применение. Искусствоведы, благодаря инфракрасным рефлектограммам , видят нижние слои картин, наброски художника. Данный прибор помогает отличить оригинал от копии, ошибки реставрационных работ. С его помощью изучаются старые письменные документы.

Медицина. Широко известны лечебные свойства ИК - терапии. Нагретая глина, песок, соль издавна считались целебными и благотворно влияющими на организм человека. ИК помогают лечить переломы, улучшают обмен веществ в организме, ведут борьбу с ожирением, способствуют заживлению ран, улучшают циркуляцию крови, оказывают благотворное влияние на суставы и мышцы.

Кроме этого лечебное воздействие используют при заболеваниях:

1. Хроническим бронхитом и бронхиальной астмой;
2. Пневмонией;
3. Хроническим холециститом и его обострением;
4. Простатитом с нарушением потенции;
5. Ревматоидным артритом;
6. При заболеваниях мочевыводящих путей и др.

Для того чтобы использовать инфракрасные лучи в лечебных целях, необходимо учитывать противопоказания.

Большой вред они могут принести:

1. Когда у человека есть гнойные заболевания;
2. Скрытые кровотечения;
3. Заболевания крови;
4. Новообразования и, прежде всего, злокачественные;
5. Воспалительные заболевания, чаще всего острые.

Коротковолновые ИК отрицательно воздействуют на мозговую ткань человека, в результате чего наблюдается «солнечный удар ». Вред в этом случае очевиден. Человек испытывает головную боль, пульс и дыхание становятся учащенными, в глазах темнеет, возможна потеря сознания. При дальнейшем облучении организм не выдерживает – происходит отек тканей и оболочек мозга, появляются симптомы энцефалита и менингита. Короткие волны особенно сильный вред наносят глазам человека, сердечнососудистой системе.

Замечание 2

Таким образом, получается, что польза воздействия ИК на организм, несмотря на отрицательные моменты, значительна.

Защита от инфракрасного излучения

Для снижения наносимого ИК вреда и защиты от него разработаны нормы ИК-облучения, безопасные для человека.

Основные мероприятия защиты:

1. Устаревшие технологии необходимо заменить современными, что позволит снизить интенсивность излучения источника;
2. Использование экранов из металлических сеток и цепей, облицовка асбестом открытых печных проёмов;
3. Обязательная индивидуальная защита и, прежде всего, глаз очками со светофильтрами;
4. Защита тела льняной или полульняной спецодеждой;
5. Рациональный режим труда и отдыха;
6. Обязательные лечебно-профилактические мероприятия работников.