Инфракрасный свет – практикум невидимо тёплого излучения — Zetsila

Из данной статьи вы узнаете об инфракрасном излучении, его открытии и применении, а также о защите от инфракрасного излучения.

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.

Принцип работы инфракрасного обогревателя

Тела и предметы в комнате прогреваются пропорционально температуре прибора

Он состоит из двух главных элементов — излучатель и отражатель. Излучатель генерирует инфракрасное излучение, лучистую энергию, а отражатель посылает это тепло в заданном направлении. Стены и вещи в комнате нагреваются и возвращают полученное тепло, нагревая помещение. Тела и предметы прогреваются пропорционально температуре прибора, потому что, чем больше его ТЕН накаливается, тем интенсивнее количество вырабатываемых волн. При работе излучатель посылает волны различной длины, некоторых лучей излучается много, других мало. Запомните, это важно для понимания вредности таких приборов: количество коротких волн увеличивается при росте температуры нагревательного прибора. Чаще всего изготовители об этом факте не говорят.

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.

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. [4]

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.

См. также

Другие способы теплопередачи

• Конвекция
• Теплопроводность
• Электромагнитное излучение

Способы регистрации (записи) ИК-спектров.

• Инфракрасные спектрометры

Применение инфракрасного излучения

ИК-из­лу­че­ние ши­ро­ко при­ме­ня­ют в на­уч. ис­сле­до­ва­ни­ях и для ре­ше­ния разл. прак­тич. за­дач. Спек­тры ис­пус­ка­ния и по­гло­ще­ния мо­ле­кул и твёр­дых тел ле­жат в ИК-об­лас­ти, их изу­ча­ют в ин­фра­крас­ной спек­тро­ско­пии, в струк­тур­ных за­да­чах, а так­же ис­поль­зу­ют в ка­че­ст­вен­ном и ко­ли­че­ст­вен­ном спек­траль­ном ана­ли­зе. Вда­лё­кой ИК-об­лас­ти ле­жит из­лу­че­ние, воз­ни­каю­щее при пе­ре­хо­дах ме­ж­ду зее­ма­нов­ски­ми под­уров­ня­ми ато­мов, ИК-спек­тры ато­мов по­зво­ля­ют изу­чать струк­ту­ру их элек­трон­ных обо­ло­чек. Фо­то­гра­фии од­но­го и то­го же объ­ек­та, по­лу­чен­ные в ви­ди­мом и ин­фра­крас­ном диа­па­зо­нах, вслед­ст­вие раз­ли­чия ко­эф­фи­ци­ен­тов от­ра­же­ния, про­пус­ка­ния и рас­сея­ния мо­гут зна­чи­тель­но раз­ли­чать­ся; на ИК-фо­то­гра­фии мож­но уви­деть де­та­ли, не­ви­ди­мые на обыч­ной фо­то­гра­фии.

В про­мыш­лен­но­сти И. и. ис­поль­зу­ют для суш­ки и на­гре­ва ма­те­риа­лов и из­де­лий, в бы­ту – для обог­ре­ва по­ме­ще­ний. На ос­но­ве фо­то­ка­то­дов, чув­ст­ви­тель­ных к И. и., соз­да­ны элек­трон­но-оп­тич. пре­об­ра­зо­ва­те­ли, в ко­то­рых не ви­ди­мое гла­зом ИК-изо­бра­же­ние объ­ек­та пре­об­ра­зу­ет­ся в ви­ди­мое. На ос­но­ве та­ких пре­об­ра­зо­ва­те­лей по­строе­ны разл. ноч­но­го ви­де­ния при­бо­ры (би­нок­ли, при­це­лы и т. п.), по­зво­ляю­щие в пол­ной тем­но­те об­на­ру­жи­вать объ­ек­ты, вес­ти на­блю­де­ние и при­це­ли­ва­ние, об­лу­чая их И. и. от спец. ис­точ­ни­ков. При по­мо­щи вы­со­ко­чув­ст­ви­тель­ных при­ём­ни­ков И. и. осу­ще­ст­в­ля­ют те­п­ло­пе­лен­га­цию объ­ек­тов по их соб­ст­вен­но­му И. и. и соз­да­ют сис­те­мы са­мо­на­ве­де­ния на цель сна­ря­дов и ра­кет. ИК-ло­ка­то­ры и ИК-даль­но­ме­ры по­зво­ля­ют об­на­ру­жи­вать в тем­но­те пред­ме­ты, темп-ра ко­то­рых вы­ше темп-ры ок­ру­жаю­щей сре­ды, и из­ме­рять рас­стоя­ния до них. Мощ­ное из­лу­че­ние ИК-ла­зе­ров ис­поль­зу­ют в на­уч. ис­сле­до­ва­ни­ях, а так­же для осу­ще­ст­в­ле­ния на­зем­ной и кос­мич. свя­зи, для ла­зер­но­го зон­ди­ро­ва­ния ат­мо­сфе­ры и т. д. И. и. ис­поль­зу­ет­ся для вос­про­из­ве­де­ния эта­ло­на мет­ра.

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.

Патологическое влияние

Противоположное действие оказывают волны с короткой длиной волны. Вред инфракрасного излучения обусловлен интенсивным тепловым эффектом, который вызывают короткие лучи. Сильный тепловой эффект распространяется вглубь тела, вызывая нагревание внутренних органов. Перегревание тканей приводит к обезвоживанию и значительному повышению температуры тела.

Кожные покровы в месте попадания инфракрасных лучей малой длины краснеют и получают термический ожог, иногда второй степени тяжести с появлением волдырей с мутным содержимым. Капилляры на месте поражения расширяются и лопаются, приводя к мелким кровоизлияниям.

Клетки теряют влагу, организм становится ослабленным и подвержен заболеванию инфекциями разного характера. Если инфракрасное излучение попадает в глаза, данный факт оказывает разрушительное действие на зрение. Слизистая глаза становится сухой, сетчатка подвергается негативному влиянию. Хрусталик теряет свою эластичность и прозрачность, что является одним из симптомов катаракты.

Превышение теплового воздействия вызывает усиление воспалительных процессов, если таковые имеются, а также служат благоприятной почвой для возникновения воспаления. Медики утверждают, что превышение температуры на пару градусов может спровоцировать заражение менингитом.

Общее повышение температуры тела приводит к тепловому удару, которое при неоказании помощи может приводить к необратимым последствиям. Основные признаки теплового удара:

• общая слабость;
• сильная головная боль;
• помутнение в глазах;
• тошнота;
• учащение сердечных сокращений;
• появление холодного пота на спине;
• кратковременная потеря сознания.

Ссылки

• На Викискладе есть медиафайлы по теме Инфракрасное излучение
• Инфракрасное излучение — статья из Физической энциклопедии
• Инфракрасное излучение — статья из Большой советской энциклопедии

Тест по теме

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.

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.

Как избежать вредного влияния ИК лучей

Итак, мы уже в курсе, что самыми опасными для человека являются коротковолновые излучения. Теперь осталось узнать, где оно может нас подстерегать. В первую очередь источниками такого излучения могут быть тела, температура которых более 100оС. Это могут быть:

1. Промышленные источники лучевых энергий. К ним относятся сталеплавильные печи и электродуговые. Чтобы уберечь обслуживающий такие предприятия персонал нужно выдавать защитную амуницию, устанавливать теплозащитные экраны, совершенствовать технологический процесс производства и на постоянной основе проводить лечебно-профилактические мероприятия.
2. Обогревательные приборы. Если раньше популярностью у населения пользовалась русская печь, тепло которой было чрезвычайно комфортным и плюс обладало лечебными свойствами, то современному человеку такая деталь чужда. На смену замечательным печкам пришли обогреватели, работающие на электрике. Их тоже можно разделить на «полезные» и «вредные». Так, модели, спирали которых изолированы специальным материалом, излучают благоприятное и мягкое тепло в окружающую среду, а вот варианты с открытыми нагревательными элементами генерируют пресловутые короткие волы инфракрасные, о чьих способностях мы уже знаем. Производители обязательно должны указывать характер излучаемых волн.

ВАЖНО! Если у вас в наличии уже имеется обогреватель с открытыми спиралями. То помните, что чем ближе он к вам находится, тем меньше времени нужно держать его включенным.