Дача Бойлеры Отопление

Влияние инфракрасного излучения. Инфракрасные волны. Где применяется инфракрасное излучение

Инфракрасное (ИК) излучение – вид электромагнитного излучения, занимающее спектральный диапазон между видимым красным светом (ИНФРАкрасный: НИЖЕ красного) и коротковолновым радиоизлучением. Эти лучи создают тепло и в науке известны, как термические волны. Эти лучи создают тепло и в науке известны, как термические волны.

Все нагретые тела источают инфракрасное изучение, в том числе и человеческое тело и Солнце, которое именно этим способом и греет нашу с вами планету, давая жизнь всему живому на ней. Тепло, которое мы ощущаем от огня у костра или камина, обогревателя или теплого асфальта – все это следствие инфракрасных лучей.

Весь спектр инфракрасного излучения принято делить на три основных диапазона, отличающихся длинной волны:

  • Коротковолновый, с длинной волны λ = 0,74-2,5 мкм;
  • Средневолновый, с длинной волны λ = 2,5-50 мкм;
  • Длинноволновый, с длинной волны λ = 50-2000 мкм.

Ближние или иначе коротковолновые ИК лучи совсем не горячие, фактически мы их даже не чувствуем. Эти волны используются, например, в пультах дистанционного управления телевизоров, системах автоматики, охранных системах и т.д. Их частота больше, и соответственно их энергия выше, чем у дальних (длинных) инфракрасных лучей. Но не на таком уровне, чтобы повредить организму. Тепло же начинает создаваться на средних инфракрасных длинах волн, и их энергию мы уже чувствуем. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, т. к. 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. Например источник с длиной волны 1,1 мкм соответствует расплавленному металлу, а источник с длиной волны 3,4 мкм – металлу к концу прокатки, ковки.

Для нас с вами интерес представляет спектр с длинной волны 5-20 мкм, так как именно в этом диапазоне приходится более 90% производимого инфракрасными системами отопления излучения с пиком излучения в 10 мкм. Очень важно, что именно на данной частоте само человеческое тело излучает инфракрасные волны 9,4 мкм. Таким образом, любое излучение на данной частоте воспринимается человеческим организмом как родственное и оказывает на него благотворное и, даже более того, оздоровительное влияние.

При таком воздействии на организм инфракрасным излучением возникает эффект «резонансного поглощения», которое характеризуется активным поглощением организмом внешней энергии. В результате чего можно наблюдать у человека повышение уровня гемоглобина, усиление активности ферментов и эстрогенов, в общем итоге – стимуляция жизненной активности человека.

Воздействие инфракрасного излучения на поверхность тела человека, как мы уже говорили, полезно и, вдобавок ко всему, приятно. Вспомните первые солнечные дни в начале весны, когда после долгой и пасмурной зимы наконец-то выглянуло солнышко! Вы чувствуете, как оно приятно обволакивает освещаемый участок вашей кожи, лицо, ладони. Уже не хочется надевать перчатки и головной убор, не смотря на достаточно низкую по сравнению с «комфортной» температуру. Но стоит появиться маленькой тучке, как мы сразу испытываем ощутимый дискомфорт от прерывания столь приятного ощущения. Это и есть то самое излучение, которого нам так не хватало на протяжении всей зимы, когда Солнце долгое время отсутствовало, и мы волей-неволей несли свой "инфракрасный пост".

В результате воздействия инфракрасного излучения можно наблюдать:

  • Ускорение обмена веществ в организме;
  • Восстановление кожной ткани;
  • Замедление процесса старения;
  • Вывод из организма излишних жиров;
  • Высвобождение двигательной энергии человека;
  • Повышение антимикробной устойчивости организма;
  • Активация роста растений

и многое многое другое. Более того инфракрасное облучение применяется в физиотерапии для лечения многих заболеваний в том числе онкологических, так как способствует расширению капилляров, стимулирует кровоток в сосудах, повышает иммунитет и производит общий лечебный эффект.

И это совсем не удивительно, потому что данное излучение дано нам от природы как способ передачи тепла, жизни всему живому, нуждающемуся в этом тепле и комфорте, минуя пустое пространство и воздух как посредников.

Уильям Гершель впервые заметил, что за красным краем полученного с помощью призмы спектра Солнца есть невидимое излучение, вызывающее нагрев термометра. Это излучение стали позднее называть тепловым или инфракрасным.

Ближнее ИК-излучение очень похоже на видимый свет и регистрируется такими же инструментами. В среднем и дальнем ИК используются болометры, отмечающие изменения.

В среднем ИК-диапазоне светит вся планета Земля и все предметы на ней, даже лед. За счет этого Земля не перегревается солнечным теплом. Но не всё ИК-излучение проходит через атмосферу. Есть лишь несколько окон прозрачности, остальное излучение поглощается углекислым газом, водяным паром, метаном, озоном и другими парниковыми газами, которые препятствуют быстрому остыванию Земли.

Из-за поглощения в атмосфере и теплового излучения предметов телескопы для среднего и дальнего ИК выносят в космос и охлаждают до температуры жидкого азота или даже гелия.

ИК-диапазон - один из самых интересных для астрономов. В нем светит космическая пыль, важная для образования звезд и эволюции галактик. ИК-излучение лучше видимого проходит через облака космической пыли и позволяет видеть объекты, недоступные наблюдению в других участках спектра.

Источники

Фрагмент одного из так называемых Глубоких полей «Хаббла» . В 1995 году космический телескоп в течение 10 суток накапливал свет, приходящий с одного участка неба. Это позволило увидеть чрезвычайно слабые галактики, расстояние до которых составляет до 13 млрд световых лет (менее одного миллиарда лет от Большого взрыва). Видимый свет от таких далеких объектов испытывает значительное красное смещение и становится инфракрасным.

Наблюдения велись в области, далекой от плоскости галактики, где видно относительно мало звезд. Поэтому большая часть зарегистрированных объектов - это галактики на разных стадиях эволюции.

Гигантская спиральная галактика, обозначаемая также как M104, расположена в скоплении галактик в созвездии Девы и видна нам почти с ребра. Она обладает огромным центральным балджем (шарообразное утолщение в центре галактики) и содержит около 800 млрд звезд - в 2-3 раза больше, чем Млечный Путь.

В центре галактики находится сверхмассивная черная дыра с массой около миллиарда масс Солнца. Это определено по скоростям движения звезд вблизи центра галактики. В инфракрасном диапазоне в галактике отчетливо просматривается кольцо газа и пыли, в котором активно рождаются звезды.

Приемники

Главное зеркало диаметром 85 см изготовлено из бериллия и охлаждается до температуры 5,5 К для снижения собственного инфракрасного излучения зеркала.

Телескоп был запущен в августе 2003 года по программе четырех великих обсерваторий NASA , включающей:

  • гамма-обсерваторию «Комптон» (1991–2000, 20 кэВ -30 ГэВ ), см. Небо в гамма-лучах с энергией 100 МэВ ,
  • рентгеновскую обсерваторию «Чандра» (1999, 100 эВ -10 кэВ ),
  • космический телескоп «Хаббл» (1990, 100–2100 нм ),
  • инфракрасный телескоп «Спитцер» (2003, 3–180 мкм ).

Ожидается, что срок службы телескопа «Спитцер» составит около 5 лет. Свое название телескоп получил в честь астрофизика Лаймана Спитцера (1914–97), который в 1946 году, задолго до запуска первого спутника, опубликовал статью «Преимущества для астрономии внеземной обсерватории», а спустя 30 лет убедил NASA и американский Конгресс начать разработку космического телескопа «Хаббл».

Обзоры неба

Небо в ближнем инфракрасном диапазоне 1–4 мкм и в среднем инфракрасном диапазоне 25 мкм (COBE/DIRBE)

В ближнем инфракрасном диапазоне Галактика просматривается еще более отчетливо, чем в видимом.

А вот в среднем ИК-диапазоне Галактика едва видна. Наблюдениям сильно мешает пыль, находящаяся в Солнечной системе. Она расположена вдоль плоскости эклиптики, которая наклонена к плоскости Галактики под углом около 50 градусов.

Оба обзора получены инструментом DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment) на борту спутника COBE (Cosmic Background Explorer). В ходе этого эксперимента, начатого в 1989 году, были получены полные карты инфракрасной яркости неба в диапазоне от 1,25 до 240 мкм .

Земное применение

В основе прибора лежит электронно-оптический преобразователь (ЭОП), позволяющий значительно (от 100 до 50 тысяч раз) усиливать слабый видимый или инфракрасный свет.

Объектив создает изображение на фотокатоде, из которого, как и в случае ФЭУ , выбиваются электроны. Далее они разгоняются высоким напряжением (10–20 кВ ), фокусируются электронной оптикой (электромагнитным полем специально подобранной конфигурации) и падают на флуоресцентный экран, подобный телевизионному. На нем изображение рассматривают в окуляры.

Разгон фотоэлектронов дает возможность в условиях низкой освещенности использовать для получения изображения буквально каждый квант света, однако в полной темноте требуется подсветка. Чтобы не выдать присутствие наблюдателя, для этого пользуются прожектором ближнего ИК-диапазона (760–3000 нм ).

Существуют также приборы, которые улавливают собственное тепловое излучение предметов в среднем ИК-диапазоне (8–14 мкм ). Такие приборы называются тепловизорами, они позволяют заметить человека, животное или нагретый двигатель за счет их теплового контраста с окружающим фоном.

Вся энергия, потребляемая электрическим обогревателем, в конечном счете, переходит в тепло. Значительная часть тепла уносится воздухом, который соприкасается с горячей поверхностью, расширяется и поднимается вверх, так что обогревается в основном потолок.

Во избежание этого обогреватели снабжают вентиляторами, которые направляют теплый воздух, например, на ноги человека и способствуют перемешиванию воздуха в помещении. Но есть и другой способ передачи тепла окружающим предметам: инфракрасное излучение обогревателя. Оно тем сильнее, чем горячее поверхность и больше ее площадь.

Для увеличения площади радиаторы делают плоскими. Однако при этом температура поверхности не может быть высокой. В других моделях обогревателей используется спираль, разогреваемая до нескольких сотен градусов (красное каление), и вогнутый металлический рефлектор, который создает направленный поток инфракрасного излучения.

В 1800 году ученый Уильям Гершель объявил на заседании Лондонского Королевского общества о своем открытии. Он измерил температуру за пределами спектра и обнаружил невидимые лучи с большой нагревательной силой. Опыт проводился им с помощью светофильтров телескопа. Он заметил, что они в разной мере поглощают свет и тепло солнечных лучей.

Через 30 лет факт существования невидимых лучей, расположенных за красной частью видимого солнечного спектра, был неоспоримо доказан. Французский Беккерель назвал это излучение инфракрасным.

Свойства ИК-излучения

Спектр инфракрасного излучения состоит из отдельных линий и полос. Но он может быть так же непрерывным. Все зависит от источника ИК лучей. Иначе говоря, имеет значение кинетическая энергия или температура атома или молекулы. Любой элемент таблицы Менделеева в условиях разных температур имеет различные характеристики.

Например, инфракрасные спектры возбужденных атомов из-за относительного состояния покоя связки ядро - будут иметь строго линейчатые ИК-спектры. А возбужденные молекулы - полосатые, хаотично расположенные. Все зависит не только от механизма наложения собственных линейных спектров каждого атома. Но так же от взаимодействия этих атомов между собой.

При повышении температуры изменяется спектральная характеристика тела. Так, нагретые твердые и жидкие тела выделяют непрерывный инфракрасный спектр. При температурах ниже 300°С излучение нагретого твердого тела целиком расположено в инфракрасной области. От диапазона температур зависит как изучение ИК-волн, так применения их важнейших свойств.

Главные свойства ИК-лучей это поглощение и дальнейший нагрев тел. Принцип передачи тепла инфракрасными обогревателями отличается от принципов конвекции или теплопроводности. Находясь в потоке горячих газов, предмет теряет какое-то количество тепла, пока его температура ниже температуры нагретого газа.

И наоборот: если инфракрасные излучатели облучают предмет, еще не значит, что его поверхность данное излучение поглощает. Он может так же отражать, поглощать или пропускать лучи без потерь. Практически всегда облучаемый предмет поглощает часть этого облучения, часть отражает и часть пропускает.

Далеко не все светящиеся объекты или нагретые тела излучают ИК-волны. Например, люминесцентные лампы или пламя газовой плиты такого излучения не имеют. Принцип работы люминесцентных лам основан на свечении (фотолюминесценции). Ее спектр ближе всего к спектру дневного, белого света. Поэтому ИК-излучения в нём почти нет. А наибольшая интенсивность излучения пламени газовой плиты приходится на длину волны голубого цвета. У перечисленных нагретых тел ИК-излучение очень слабое.

Существуют так же вещества, которые прозрачны для видимого света, но не способны пропускать ИК-лучи. Например, слой воды толщиной несколько сантиметров не пропустит инфракрасное излучение с длиной волны больше 1 мкм. При этом человек может различить находящиеся на дне предметы невооруженным глазом.

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.

Несовершенство собственной природы, компенсируемое гибкостью интеллекта, непрерывно толкало человека к поиску. Желание летать как птица, плавать как рыба, или, скажем, видеть ночью подобно кошке, воплощались в действительность по мере достижения требуемых знаний и технологий. Научные изыскания часто подстегивались нуждами военной деятельности, а результаты определялись существующим технологическим уровнем.

Расширение диапазона зрения для визуализации недоступной для глаз информации является одной из наиболее трудных задач, так как требует серьезной научной подготовки и значительной технико-экономической базы. Первые успешные результаты в этом направлении были получены в 30-х годах XX века. Особенную актуальность проблема наблюдения в условиях низкой освещенности приобрела в ходе Второй мировой войны.

Естественно, усилия, затраченные в этом направлении, привели к прогрессу в научных исследованиях, медицине, техники связи и других областях.

Физика инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны (=
м) и коротковолновым радиоизлучением(=
м).Открыто инфракрасное излучение было в 1800 г. английским ученым У. Гершелем. Спустя 123 года после открытия инфракрасного излучения советский физик А.А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны с длиной волны равной приблизительно 80 мкм, т.е. располагающиеся в инфракрасном диапазоне длин волн. Это доказало, что свет, инфракрасные лучи и радиоволны имеют одинаковую природу, все это лишь разновидности обычных электромагнитных волн.

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как что все тела, твердые и жидкие, нагретые до определенной температуры излучают энергию в инфракрасном спектре.

ИСТОЧНИКИ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ОБЪЕКТОВ

Инфракрасное излучение баллистических ракет и космических объектов

Инфракрасное излучение самолетов

Инфракрасное излучение надводных кораблей

Факел маршевого

двигателя, предста- вляющий собой поток горящих газов, несущих взвешенные твердые частицы золы и сажи, которые образуются при сгорании ракетного топлива.

Корпус ракеты.

Земля, которая отражает часть солнечных лучей, попавших на нее.

Сама Земля.

Отраженное от планера самолета излучение Солнца, Земли, Луны и других источников.

Собственное тепловое излучение удлинительной трубы и сопла турбореак-тивного двигателя или выхлопных патрубков поршневых двигателей.

Собственное тепловое излу-чение струи выхлопных газов.

Собственное тепловое излучение обшивки самолета, возникающее за счет аэродина-мического нагрева при полете с большими скоростями.

Кожух дымовой трубы.

Выхлопное

отверстие дымовой трубы

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ИК ИЗЛУЧЕНИЯ

1. Проходит через некоторые непрозрачные тела, также сквозь дождь,

дымку, снег.

2. Производит химическое действие на фотопластинки.

3. Поглощаясь веществом, нагревает его.

4. Вызывает внутренний фотоэффект у германия.

5. Невидимо.

6. Способно к явлениям интерференции и дифракции.

7. Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и

фотографическими.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Собственное Отраженное Ослабление Физические

тепловое объектами ИК ИК излучения особенности ИК

излучение излучение в атмосфере излучения фонов

Характе-ристики

Осн. понятия

Собствен-ное тепловое излуче-ние нагретых тел

Фундаментальное понятие - абсолютно черное тело. Абсолютно черным телом называется тело, поглощающее все падающие на него излучения на любых длинах волн. Распределение интенсивности излучения черного тела (з/н Планка):
, где -спектральная яркость излучения при температуре Т, -длина волны в мкм, С1 и С2 - постоянные коэффициенты: С1=1,19*
Вт*мкм*см*ср,

С2=1,44*
мкм*град. Максимум длины волны(закон Вина):
, где Т-абсолютная температура тела.

Интегральная плотность излучения- закон Стефана - Больцмана:

Отраженное объек-тами ИК излуче-ние

Максимум солнечного излучения, определяющий отраженную составляющую, соответствует длинам волн короче 0,75 мкм, а 98% всей энергии излучения Солнца приходится на участок спектра до 3 мкм. Часто эту длину волны считают граничной, разделяющей отраженную (солнечную) и собственную составляющие ИК излучения объектов. Следовательно, можно принять, что в ближней части ИК спектра (до 3 мкм) определяющей является отраженная составляющая и распределение лучистости по объектам зависит от распределения коэффициента отражения и облученности. Для дальней части ИК спектра определяющим является собственное излучение объектов, а распределение лучистости по их площади зависит от распределения коэффициентов излучения и температуры.

В средневолновой части ИК спектра необходимо учитывать все четыре параметра.

Ослабле-ние ИК излуче-ния в атмосфе-ре

В ИК-диапазоне длин волн имеется несколько окон прозрачности и зависимость пропускания атмосферы от длины волны имеет весьма сложный вид. Ослабление ИК излучения определяется полосами поглощения водяных паров и газовых составляющих, главным образом углекислого газа и озона, а также явлениями рассеивания излучения. Смотреть рисунок «Поглощение ИК излучения».

Физи-ческие особен-ности ИК излуче-ния фонов

ИК излучение имеет две составляющие: собственное тепловое излучение и отраженное (рассеянное) излучение Солнца и других внешних источников. В диапазоне длин волн короче 3 мкм доминирует отраженное и рассеянное солнечное излучение. В этом диапазоне длин волн, как правило, можно пренебречь собственным тепловым излучением фонов. Наоборот, в диапазоне длин волн более 4 мкм преобладает собственное тепловое излучение фонов и можно пренебречь отраженным (рассеянным) солнечным излучением. Диапазон длин волн 3-4 мкм является как бы переходным. В этом диапазоне наблюдается ярко выраженный минимум яркости фоновых образований.

ПОГЛОЩЕНИЕ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Спектр пропускания атмосферы в ближней и средней инфракрасной области (1,2-40 мкм) на уровне моря (нижняя кривая на графиках) и на высоте 4000 м (верхняя кривая); в субмиллиметровом диапазоне (300-500 мкм) излучение до поверхности Земли не доходит.

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЧЕЛОВЕКА

С древних времен люди хорошо знали благотворную силу тепла или, говоря научным языком, инфракрасного излучения.

В инфракрасном спектре есть область с длинами волн примерно от 7 до 14 мкм(так называемая длинноволновая часть инфракрасного диапазона), оказывающая на организм человека по - настоящему уникальное полезное действие. Эта часть инфракрасного излучения соответствует излучению самого человеческого тела с максимумом на длине волны около 10 мкм. Поэтому любое внешнее излучение с такими длинами волн наш организм воспринимает как «своё». Самый известный естественный источник инфракрасных лучей на нашей Земле - это Солнце, а самый известный на Руси искусственный источник длинноволновых инфракрасных лучей - это русская печь, и каждый человек обязательно испытывал на себе их благотворное влияние. Приготовление пищи с помощью инфракрасных волн делает пищу особенно вкусной, сохраняет витамины и минералы, при этом не имеет ничего общего с микроволновыми печами.

Воздействуя на организм человека в длинноволновой части инфракрасного диапазона, можно получить явление, называемое «резонансным поглощением», при котором внешняя энергия будет активно поглощаться организмом. В результате этого воздействия повышается потенциальная энергия клетки организма, и из нее уходит не связанная вода, повышается деятельность специфических клеточных структур, растет уровень иммуноглобулинов, увеличивается активность ферментов и эстрогенов, происходят и другие биохимические реакции. Это касается всех типов клеток организма и крови.