Инфракрасное излучение. Физическая суть и виды. Применение

Несмотря на то, что инфракрасное излучение невидимо для человеческих глаз – это не означает, что его невозможно воспринимать с помощью органов чувств или специальных технических средств. Тепло, исходящее от любого нагретого предмета и реально ощущаемое людьми – это не что иное, как те же инфракрасные волны. В данном случае эти колебания оказывают свое воздействие на другие нервные окончания человеческого тела.

Излучения электромагнитного поля в невидимом тепловом диапазоне испускаются практически всеми окружающими нас объектами и материальными веществами. Это объясняется тем, что любой предмет или живой организм состоит из множества микрочастиц (молекул), совершающих непрерывные колебания в пределах, определяемых структурой вещества. Именно поэтому температура окружающих нас объектов всегда отлична от абсолютного нуля.

Что такое инфракрасное излучение (история открытия)

Согласно физической теории поля этот вид излучений классифицируется как электромагнитные колебания сверхвысоких частот, невидимые для большинства живых организмов. Длина волны у них равна приблизительно 780 нм-1,0 мм, что несколько меньше аналогичного показателя для линий красного цвета. Это и определило название диапазона, лежащего ниже по спектру («инфра»).

В природе существует несколько видов насекомых и холоднокровных (комары, змеи и летучие мыши, в частности), способных «напрямую» воспринимать ИК волны. Это объясняется особым устройством их осязательных органов, позволяющих им реагировать на невидимые для глаза человека излучения.

Заслуга открытия ИК лучей принадлежит английскому ученому Уильяму Гершелю, который в свое время искал способы снижения нагрева инструмента, используемого им для наблюдения за Солнцем. В ходе своих поисков ученый замерял температуру некоторых участков спектра в видимой его части. В итоге он выяснил, что максимальный нагрев наблюдается в районе линий, относящихся к красному цвету. На основании принципа непрерывности характеристик физических величин он предположил, что выше по частотному спектру находятся невидимые лучи, обладающие более мощным тепловым эффектом.

Infrakrasnoe izluchenie 2

Физическая суть и виды ИК излучений

Поскольку инфракрасное излучение ощущается человеком только по нагреву поверхности кожи – его принято называть тепловым. Согласно теории поля, к этой же категории относится ультрафиолетовый свет и некоторые другие участки спектра. Однако максимум теплового воздействия приходится на фиксированные длины волн, располагающиеся в инфракрасном диапазоне (около 10 мкм).

С физической точки зрения тепловой эффект на частотах инфракрасного излучения у большинства предметов объясняется хаотичным движением микроскопических частиц, из которых они состоят. Интенсивность их воздействия на человека в виде тепла в значительной мере зависит от собственной температуры (она пропорциональна Т в четвертой степени).

В зависимости от степени нагрева исследуемого объекта его собственное инфракрасное излучение подразделяется на два вида: ближнее и дальнее. Первое характеризуется сравнительно малой длиной волны, лежащей в диапазоне от 0,78 до 10,0 мкм. Такие излучения присущи телам и образованиям, собственная температура которых значительно превышает нормальную для человека (комнатную).

К данным объектам традиционно относят:

Обычные лампы накаливания.
Горящие в печи или костре дрова.
Газовые горелки и факелы.
ИК обогреватели.

К разряду источников дальнего инфракрасного излучения относятся тела, имеющие нормальную комнатную температуру или ниже ее. Длина волны у этой разновидности инфракрасных колебаний составляет порядка 10-1000 мкм.

ИК явление ассоциируется у большинства людей с бытовыми обогревателями, работающими по принципу конвекции. Кроме того, в быту широко распространены инфракрасные лампы, предназначенные для прогревания человеческих органов в лечебных целях.

Разновидности обменных процессов с участием ИК энергий и их физическая суть

Возможно создание условий, при которых стороннее инфракрасное излучение не поглощается живым организмом, а, наоборот – покидает его или остается внутри объекта. Это достигается благодаря изменению баланса между поглощающими и собственными излучающими способностями организма.

В случае преобладания первой составляющей тело человека постепенно нагревается, поскольку поглощаемая им извне энергия электромагнитного поля увеличивается. При равенстве этих компонентов устанавливается нулевой баланс, при котором температура поверхности кожи и внутренних органов остается неизменной. В третьем случае (если излучаемая человеком собственная энергия ИК лучей превышает поступление извне) – наблюдается охлаждение его тела.

Физическое объяснение ИК охлаждения

Обратный процесс с участием ИК волн с физической точки зрения объясняется следующим образом. Если конкретное тело или объект имеют температуру, превышающую тот же показатель для окружающих предметов – это значит, что запас тепловой энергии у них больше. При длительном нахождении в таких условиях обменные процессы приведут к оттоку тепловой энергии от этого объекта к окружению (а это и означает его охлаждение).

В качестве примера, подтверждающего данный эффект, обычно приводится ситуация, когда человек долго находится около глыбы льда, например. При этом со временем он начинает ощущать холод с той стороны, где расположен ледяной объект. С физической точки зрения это объясняется тем, что тело человека, имеющее больший запас энергии э/м поля, отдает ее в виде теплового ИК излучения.

Какое влияние оказывает инфракрасное излучение на атмосферу Земли

ИК лучи оказывают большое влияние на поддержание энергетического баланса атмосферы нашей планеты. Оценить его удается, если отследить весь путь распространения солнечных лучей:

Солнечное излучение в основном располагается в видимой части светового спектра.
Достигая поверхности Земли, оно нагревает все находящиеся на ней объекты до определенной температуры.
Вследствие этого земная оболочка начинает испускать э/м волны в виде вторичного инфракрасного излучения.

Эти производные первичного облучения практически полностью поглощаются содержащимися в атмосфере парами влаги и различными газовыми составляющими (метаном и углекислым газом).

Следствие этих процессов – нагрев окружающей среды на несколько градусов. Специалисты подсчитали — если бы на Земле не было атмосферы, рассеивающей отраженные инфракрасные лучи – температура земной поверхности с учетом теплового баланса не превышала бы минус 18°C.

В то же время известно, что этот показатель в реальности составляет почти на 33 единицы больше (в среднем – 15°C). Можно сказать, что ИК излучения косвенно создают нормальные условия для жизни на Земле в рамках привычной для человека и комфортной температуры.

Применение ИК в практических целях

Благодаря способности большинства объектов излучать и поглощать тепловые «волны» инфракрасное излучение применяется в самых различных сферах человеческой деятельности. Среди них особо выделяются следующие прикладные и технические области:

Медицина.
Химическая отрасль.
Термическая локация.
Местное (локальное) отопление.
Тепловизионное наблюдение и контроль.
Дистанционное управление.

В медицинской практике это явление чаще всего используется в терапевтических целях, позволяя прогревать мышцы и суставы больного человек (диатермия). Получить положительный результат удается благодаря способности ИК лучей проникать глубоко в ткани и передавать им свою энергию.

В ходе химического анализа исследуемых веществ использование инфракрасного излучения позволяет уточнять структуру некоторых материалов. Оно также востребовано в термической локации, заключающейся в наблюдении в темноте за изучаемыми живыми организмами (например, за летучими мышами в пещерах).

Кроме того, тепловой эффект излучений ИК части спектра широко применяется в специальном оборудовании, обогревающем жилые пространства. С его помощью удается дополнять действующие системы отопления мобильными и сравнительно дешевыми ИК обогревателями.

Infrakrasnoe izluchenie 3

Известны системы обогрева на ИК лучах, которые применяются в качестве основного отопительного средства. Однако такие устройства применяются крайне редко, поскольку ИК оборудование потребляет слишком много электроэнергии.

Поскольку инфракрасное излучение при прохождении через облачность и туман рассеивается значительно меньше обычного света – оно часто используется для фотографирования удаленных от оператора объектов.

Специальные приборы, чувствительные к тепловым излучениям, также широко применяются в практической сфере. К такому оборудованию относят ПДУ и трамвайные коммутаторы, в частности. Первые используются для управления работой современной бытовой техники, включая телевизионные приемники и проигрыватели различного типа.

Помимо этого они часто встречаются в системах управления открытием и закрытием дверей гаражей и других охраняемых объектов. Специальные ИК приборы применяются также в современных устройствах сигнализации, предупреждающих пользователя о попытке доступа на объект.