Для того, чтобы понять принцип работы инфракрасных излучателей, необходимо представлять себе суть такого физического явления как инфракрасное излучение.
Диапазон инфракрасного излучения и длина волны
Инфракрасное излучение - это разновидность электромагнитного излучения, занимающего в спектре электромагнитных волн диапазон от 0,77 до 340 мкм. При этом диапазон от 0,77 до 15 мкм считается коротковолновым, от 15 до 100 мкм - средневолновым, а от 100 до 340 - длинноволновым.
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).
Инфракрасные излучатели с температурой на поверхности от 700 С до 2500 С имеют длину волны 1,55-2,55 мкм и называются "светлыми" - по длине волны они ближе к видимому свету, излучатели с более низкой температурой поверхности имеют большую длину волны и называются "темными".
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%).
В настоящее время система инфракрасного отопления установлена и отработала уже один сезон на предприятии "Чувашский бройлер" в пригороде г. Чебоксары. По отзывам руководителей хозяйства, в период минимальных зимних температур -34-36 С система работала бесперебойно и обеспечивала требуемое тепло для выращивания птицы на мясо (напольное содержание) в период 48 дней. В настоящее время ими рассматривается вопрос об оборудовании инфракрасными системами остальных птичников.
Инфракра́сное излуче́ние - электромагнитное излучение , занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм и частотой 430 ТГц) и микроволновым радиоизлучением (λ ~ 1-2 мм, частота 300 ГГц).
Весь диапазон инфракрасного излучения условно делят на три области:
Длинноволновую окраину этого диапазона иногда выделяют в отдельный диапазон электромагнитных волн - терагерцевое 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.
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
✪ 36 Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения Шкала электромагнитных волн
✪ Опыты по физике. Отражение инфракрасного излучения
✪ Электроотопление (инфракрасное отопление). Какую систему отопления выбрать?
Субтитры
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.
Раньше лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскалённые 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 решётки 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 .
Диапазоны инфракрасного излучения
Объекты обычно испускают инфракрасное излучение во всём спектре длин волн, но иногда только ограниченная область спектра представляет интерес, поскольку датчики обычно собирают излучение только в пределах определенной полосы пропускания. Таким образом, инфракрасный диапазон часто подразделяется на более мелкие диапазоны.
Обычная схема деления
Чаще всего разделение на более мелкие диапазоны производится следующим образом:
| Аббревиатура | Длина волны | Энергия фотонов | Характеристика |
| Near-infrared, NIR | 0.75-1.4 мкм | 0.9-1.7 эВ | Ближний ИК, ограниченный с одной стороны видимым светом, с другой - прозрачностью воды, значительно ухудшающейся при 1,45 мкм. В этом диапазоне работают широко распространенные инфракрасные светодиоды и лазеры для систем волоконной и воздушной оптической связи. Видеокамеры и приборы ночного видения на основе ЭОП также чувствительны в этом диапазоне. |
| Short-wavelength infrared, SWIR | 1.4-3 мкм | 0.4-0.9 эВ | Поглощение электромагнитного излучения водой значительно возрастает при 1450 нм. Диапазон 1530-1560 нм преобладает в области дальней связи. |
| Mid-wavelength infrared, MWIR | 3-8 мкм | 150-400 мэВ | В этом диапазоне начинают излучать тела, нагретые до нескольких сотен градусов Цельсия. В этом диапазоне чувствительны тепловые головки самонаведения систем ПВО и технические тепловизоры . |
| Long-wavelength infrared, LWIR | 8-15 мкм | 80-150 мэВ | В этом диапазоне начинают излучать тела с температурами около нуля градусов Цельсия. В этом диапазоне чувствительны тепловизоры для приборов ночного видения. |
| Far-infrared, FIR | 15 - 1000 мкм | 1.2-80 мэВ |
CIE схема
Международная комиссия по освещённости (англ. International Commission on Illumination ) рекомендует разделение инфракрасного излучения на следующие три группы:
- IR-A: 700 нм – 1400 нм (0.7 мкм – 1.4 мкм)
- IR-B: 1400 нм – 3000 нм (1.4 мкм – 3 мкм)
- IR-C: 3000 нм – 1 мм (3 мкм – 1000 мкм)
ISO 20473 схема
Тепловое излучение
Теплово́е излуче́ние или лучеиспускание - передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн , излучаемых телами за счёт их внутренней энергии. Тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра от 0,74 мкм до 1000 мкм . Отличительной особенностью лучистого теплообмена является то, что он может осуществляться между телами, находящимися не только в какой-либо среде, но и вакууме . Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания . Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно чёрного тела , описывается законом Стефана - Больцмана . Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа . Тепловое излучение является одним из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции). Равновесное излучение - тепловое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом.
Применение
Прибор ночного видения
Существует несколько способов визуализировать невидимое инфракрасное изображение:
- Современные полупроводниковые видеокамеры чувствительны в ближнем ИК. Во избежание ошибок цветопередачи обычные бытовые видеокамеры снабжаются специальным фильтром, отсекающим ИК изображение. Камеры для охранных систем, как правило, не имеют такого фильтра. Однако в темное время суток нет естественных источников ближнего ИК, поэтому без искусственной подсветки (например, инфракрасными светодиодами) такие камеры ничего не покажут.
- Электронно-оптический преобразователь - вакуумный фотоэлектронный прибор, усиливающий свет видимого спектра и ближнего ИК. Имеет высокую чувствительность и способен давать изображение при очень низкой освещенности. Являются исторически первыми приборами ночного видения, широко используются и в настоящее время в дешевых ПНВ. Поскольку работают только в ближнем ИК, то, как и полупроводниковые видеокамеры, требуют наличия освещения.
- Болометр - тепловой сенсор. Болометры для систем технического зрения и приборов ночного видения чувствительны в диапазоне длин волн 3..14 мкм (средний ИК), что соответствует излучению тел, нагретых от 500 до −50 градусов Цельсия. Таким образом, болометрические приборы не требуют внешнего освещения, регистрируя излучение самих предметов и создавая картинку разности температур.
Термография
Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео - это научный способ получения термограммы - изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей. Термографические камеры или тепловизоры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 900-14000 нанометров или 0,9-14 µм) и на основе этого излучения создают изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места. Так как инфракрасное излучение испускается всеми объектами, имеющими температуру, согласно формуле Планка для излучения чёрного тела , термография позволяет «видеть» окружающую среду с или без видимого света. Величина излучения, испускаемого объектом, увеличивается с повышением его температуры, поэтому термография позволяет нам видеть различия в температуре. Когда смотрим через тепловизор, то тёплые объекты видны лучше, чем охлаждённые до температуры окружающей среды; люди и теплокровные животные легче заметны в окружающей среде, как днём, так и ночью. Как результат, продвижение использования термографии может быть приписано военным и службам безопасности.
Инфракрасное самонаведение
Инфракрасная головка самонаведения - головка самонаведения , работающая на принципе улавливания волн инфракрасного диапазона, излучаемых захватываемой целью . Представляет собой оптико-электронный прибор , предназначенный для идентификации цели на окружающем фоне и выдачи в автоматическое прицельное устройство (АПУ) сигнала захвата, а также для измерения и выдачи в автопилот сигнала угловой скорости линии визирования.
Инфракрасный обогреватель
Передача данных
Распространение инфракрасных светодиодов, лазеров и фотодиодов позволило создать беспроводной оптический метод передачи данных на их основе. В компьютерной технике обычно используется для связи компьютеров с периферийными устройствами (интерфейс IrDA) В отличие от радиоканала инфракрасный канал нечувствителен к электромагнитным помехам , и это позволяет использовать его в производственных условиях. К недостаткам инфракрасного канала относятся необходимость в оптических окнах на оборудовании, правильной взаимной ориентации устройств, низкие скорости передачи (обычно не превышает 5-10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров возможны существенно более высокие скорости). Кроме этого, не обеспечивается скрытность передачи информации. В условиях прямой видимости инфракрасный канал может обеспечить связь на расстояниях в несколько километров, но наиболее удобен он для связи компьютеров, находящихся в одной комнате, где отражения от стен комнаты дает устойчивую и надежную связь. Наиболее естественный тип топологии здесь - «шина» (то есть переданный сигнал одновременно получают все абоненты). Инфракрасный канал не смог получить широкого распространения, его вытеснил радиоканал.
Тепловое излучение применяется также для приема сигналов оповещения.
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 .
Медицина
Наиболее широко инфракрасное излучение в медицине находит в различных датчиках потока крови (PPG).
Широко распространенные измерители частоты пульса (ЧСС, HR - Heart Rate) и насыщения крови кислородом (Sp02) используют светодиоды зелёного (для пульса) и красного и инфракрасного (для SpO2) излучений.
Излучение инфракрасного лазера используется в методике DLS (Digital Light Scattering) для определения частоты пульса и характеристик потока крови.
Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии .
Влияние длинноволнового инфракрасного излучения:
- Стимуляция и улучшение кровообращения.При воздействии длинноволнового инфракрасного излучения на кожный покров происходит раздражение рецепторов кожи и, вследствие реакции гипоталамуса, расслабляются гладкие мышцы кровеносных сосудов, в результате сосуды расширяются.
- Улучшение процессов метаболизма. При тепловом воздействии инфракрасного излучения стимулируется активность на клеточном уровне, улучшаются процессы нейрорегуляции и метаболизма.
Стерилизация пищевых продуктов
С помощью инфракрасного излучения стерилизируют пищевые продукты с целью дезинфекции.
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 (
Инфракрасное излучение - это электромагнитное излучение, находящееся на границе с красным спектром видимого света. Человеческий глаз не способен видеть этот спектр, однако мы его ощущаем кожей, как тепло. При воздействии инфракрасных лучей предметы нагреваются. Чем короче длина волны инфракрасного излучения, тем сильнее будет тепловой эффект.
Согласно международной организации стандартизации (ISO), инфракрасное излучение делится на три диапазона: ближний, средний и дальний. В медицине, в импульсной инфракрасной светодиодной терапии (LEDT) применяется только ближний инфракрасный диапазон, поскольку он не рассеивается на поверхности кожи и проникает на подкожные структуры.
Спектр ближнего инфракрасного излучения ограничен от 740 до 1400 нм, но с увеличением длины волны, снижается способность лучей проникать в ткани, за счет поглощения фотонов водой. В аппаратах “РИКТА” используются инфракрасные диоды с длиной волны в диапазоне 860-960 нм и средней мощностью 60 мВт (+/- 30).
Излучение инфракрасных лучей не такое глубокое, как лазерное, однако у него более широкий спектр воздействия. Было доказано, что фототерапия ускоряет заживление ран, уменьшает воспаление и снимает болевой синдром, воздействуя на подкожные ткани и способствуя пролиферации и адгезии клеток в тканях .
LEDT интенсивно способствует прогреванию ткани поверхностных структур, улучшает микроциркуляцию, стимулирует регенерацию клеток, способствует уменьшению воспалительного процесса и восстановлению эпителия .
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛЕЧЕНИИ ЧЕЛОВЕКА
LEDT используется, как дополнение к низкоинтенсивной лазерной терапии аппаратов “РИКТА” и обладает лечебным и профилактическим эффектами.
Воздействие аппарата инфракрасного излучения способствует ускорению метаболических процессов в клетках, активирует регенеративные механизмы и улучшает кровоснабжение . Действие инфракрасного излучения комплексное и оказывает следующие эффекты на организм:
увеличение диаметра сосудов и улучшение кровообращения;
активация клеточного иммунитета;
снятие отечности тканей и воспаления;
купирование болевых синдромов;
улучшение метаболизма;
снятие эмоционального напряжения;
восстановление водно-солевого баланса;
нормализация гормонального фона.
Воздействуя на кожу, инфракрасные лучи раздражают рецепторы, передавая сигнал в мозг. Центральная нервная система рефлекторно отвечает, стимулируя общий метаболизм и повышая общий иммунитет.
Гормональный ответ способствует расширению просвета сосудов микроциркуляторного роста, улучшая кровоток. Это приводит к нормализации артериального давления, лучшему транспорту кислорода в органы и ткани .
БЕЗОПАСНОСТЬ
Несмотря на пользу, оказываемую импульсной инфракрасной светодиодной терапией, воздействие инфракрасным излучением должно быть дозированным. Бесконтрольное облучение может привести к ожогам, покраснениям кожи, перегреву тканей.
Количество и длительность процедур, частоту и область инфракрасного излучения, а также другие особенности лечения должен назначать специалист.
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
LEDT-терапия показала высокую эффективность при лечении разных заболеваний: пневмонии, гриппа, ангины, бронхиальной астмы, васкулита, пролежней, варикозного расширения вен, заболеваний сердца, обморожений и ожогов, некоторых форм дерматитов, заболеваний периферической нервной системы и злокачественных новообразований кожи .
Инфракрасное излучение, наряду с электромагнитным и лазерным, оказывает общеукрепляющее действие и помогает при лечении и профилактики многих заболеваний. Аппарат “Рикта” сочетает в себе излучение многокомпонентного типа и позволяет добиться максимального эффекта в короткий срок. Прибор инфракрасного излучения купить можно в .
Инфракрасные лучи – это электромагнитные волны в невидимой области электромагнитного спектра, которая начинается за видимым красным светом и заканчивается перед микроволновым излучением между частотами 1012 и 5∙1014 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 источниками света, 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.
В различных сферах жизни человек использует инфракрасные лучи. Польза и вред излучения зависят от длины волны и времени воздействия.
В повседневной жизни человек постоянно находится под действием инфракрасного излучения (ИК-излучение). Естественным его источником является солнце. К искусственным относятся электронагревательные элементы и лампы накаливания, любые нагретые или раскаленные тела. Этот вид излучения используется в обогревателях, системах отопления, приборах ночного видения, пультах дистанционного управления. На ИК-излучении основан принцип действия медицинского оборудования для физиотерапии. Что же собой представляют инфракрасные лучи? В чем польза и вред этого вида излучения?
Что такое ИК-излучение
ИК-излучение - это электромагнитное излучение , форма энергии, которая нагревает предметы и примыкает к красному спектру видимого света. Глаз человека не видит в этом спектре, но мы чувствуем эту энергию как высокую температуру. Другими словами, люди кожей воспринимают инфракрасное излучение от нагретых предметов как ощущение тепла.
Инфракрасные лучи бывают коротковолновыми, средневолновыми и длинноволновыми. Длины волн, излучаемые нагретым предметом, зависят от температуры нагревания. Чем она выше, тем короче длина волны и интенсивнее излучение.
Впервые биологическое действие этого вида излучения было изучено на примере культур клеток, растений, животных. Обнаружено, что под влиянием ИК-лучей подавляется развитие микрофлоры, улучшаются обменные процессы вследствие активизации кровотока. Доказано, что это излучение улучшает циркуляцию крови и оказывает болеутоляющее и противовоспалительное действие. Отмечено, что под влиянием инфракрасного излучения пациенты после хирургического вмешательства легче переносят послеоперационные боли, а их раны быстрее заживают. Установлено, что ИК-излучение способствует повышению неспецифического иммунитета, что позволяет уменьшить действие ядохимикатов и гамма-излучения, а также ускоряет процесс выздоровления при гриппе. ИК-лучи стимулируют выведение из организма холестерина, шлаков, токсинов и других вредных веществ через пот и мочу.
Польза инфракрасных лучей
Благодаря этим свойствам ИК-излучение широко используется в медицине. Но применение ИК-излучений с широким спектром действия может привести к перегреву организма и покраснению кожи. Вместе с тем, длинноволновое излучение не оказывает негативного влияния, поэтому в быту и медицине более распространены длинноволновые приборы или излучатели с селективной длиной волны.
Воздействием длинноволновых ИК-лучей способствует следующим процессам в организме:
- Нормализация артериального давления за счет стимуляции кровообращения
- Улучшение мозгового кровообращения и памяти
- Очищение организма от токсинов, солей тяжелых металлов
- Нормализация гормонального фона
- Прекращение распространения вредных микробов и грибков
- Восстановление водно-солевого баланса
- Обезболивание и противовоспалительный эффект
- Укрепление иммунной системы.
Лечебное воздействие ИК-лучей может использоваться при следующих заболеваниях и состояниях:
- бронхиальная астма и обострение хронического бронхита
- очаговая пневмония в стадии разрешения
- хронический гастродуоденит
- гипермоторная дискинезия органов пищеварения
- хронический бескаменный холецистит
- остеохондроз позвоночника с неврологическими проявлениями
- ревматоидный артрит в ремиссии
- обострение деформирующего остеоартроза тазобедренного и коленного суставов
- облитерирующий атеросклероз сосудов ног, невропатии периферических нервов ног
- обострение хронического цистита
- мочекаменная болезнь
- обострение хронического простатита с нарушением потенции
- инфекционные, алкогольные, диабетические полиневропатии ног
- хронический аднексит и нарушения функции яичников
- абстинентный синдром
Отопление с использованием ИК-излучения способствует укреплению иммунной системы, подавляет размножение бактерий в окружающей среде и в человеческом организме, улучшает состояние кожи за счет усиления циркуляции крови в ней. Ионизирование воздуха является профилактикой обострений аллергии.
Когда ИК-излучение может навредить
Прежде всего, нужно учесть существующие противопоказания, прежде чем в лечебных целях использовать инфракрасные лучи. Вред от их применения может быть в следующих случаях:
- Острые гнойные заболевания
- Кровотечения
- Острые воспалительные заболевания, приведшие к декомпенсации органов и систем
- Системные заболевания крови
- Злокачественные новообразования
Кроме того, чрезмерное облучение широким спектром ИК-лучей приводит к сильному покраснению кожи и может вызвать ожог. Известно о случаях появления опухоли на лице у рабочих-металлургов в результате длительного воздействия этого вида излучения. Также отмечены случаи появления дерматита, возникновения теплового удара.
Инфракрасные лучи, особенно в интервале 0,76 - 1,5 мкм (коротковолновая область) представляют опасность для глаз. Продолжительное и длительное воздействие излучения чревато развитием катаракты, светобоязни и других нарушений зрения. По этой причине нежелательно длительно находиться под воздействием коротковолновых обогревателей. Чем ближе к такому обогревателю находится человек, тем меньше должно быть время, которое он проводит возле этого прибора. Нужно отметить, что этот тип обогревателей предназначен для уличного или локального обогрева. Для отопления жилых и производственных помещений, предназначенных для длительного пребывания людей, используются длинноволновые ИК-обогреватели.