Nous regardons le monde à travers les yeux d’un crabe-mante : le proche infrarouge. Rayonnement infrarouge - influence et application

Le rayonnement infrarouge est la partie du spectre du rayonnement solaire directement adjacente à la partie rouge du spectre visible. L’œil humain est incapable de voir dans cette région du spectre, mais nous pouvons ressentir ce rayonnement sous forme de chaleur.

Le rayonnement infrarouge a deux caractéristiques importantes: longueur d'onde (fréquence) du rayonnement et intensité du rayonnement. Selon la longueur d'onde, trois régions sont distinguées rayonnement infrarouge: proche (0,75−1,5 micromètres), moyen (1,5 - 5,6 microns) et lointain (5,6−100 microns). Considérant caractéristiques physiologiques Chez l’homme, la médecine moderne divise la région infrarouge du spectre des rayonnements en 3 plages :

• longueur d'onde 0,75-1,5 microns - rayonnement pénétrant profondément dans la peau humaine (gamme IR-A) ;
• longueur d'onde 1,5-5 microns - rayonnement absorbé par l'épiderme et la couche de tissu conjonctif de la peau (gamme IR-B) ;
• longueur d'onde supérieure à 5 microns - rayonnement absorbé à la surface de la peau (gamme IR-C). De plus, la plus grande pénétration est observée dans la plage de 0,75 à 3 microns et cette plage est appelée « fenêtre de transparence thérapeutique ».

La figure 1 (source originale - Journal of Biomedical Optics 12(4), 044012 juillet/août 2007) montre les spectres d'absorption du rayonnement IR pour l'eau et les tissus des organes humains en fonction de la longueur d'onde. Il est à noter que les tissus du corps humain sont constitués à 98 % d'eau, ce qui explique la similitude des caractéristiques d'absorption du rayonnement infrarouge dans la région spectrale de 1,5 à 10 microns.

Si l'on prend en compte le fait que l'eau elle-même absorbe intensément le rayonnement IR dans la plage de 1,5 à 10 microns avec des pics à des longueurs d'onde de 2,93, 4,7 et 6,2 microns (Yukhnevich G.V. Spectroscopie infrarouge de l'eau, M, 1973), alors le plus efficace pour les processus de chauffage et de séchage, il convient de considérer des émetteurs IR qui émettent dans le spectre infrarouge moyen et lointain avec une intensité de rayonnement maximale dans la plage de longueurs d'onde de 1,5 à 6,5 μm.

La quantité totale d'énergie émise par unité de temps par une unité de surface rayonnante est appelée émissivité de l'émetteur IR E, W/m². L'énergie de rayonnement dépend de la longueur d'onde λ et de la température de la surface émettrice et constitue une caractéristique intégrale, car elle prend en compte l'énergie de rayonnement des ondes de toutes longueurs. L'émissivité liée à l'intervalle de longueur d'onde dλ est appelée intensité de rayonnement I, W/(m²∙μm).

L'intégration de l'expression (1) nous permet de déterminer l'émissivité (énergie de rayonnement intégrale spécifique) sur la base du spectre d'intensité de rayonnement déterminé expérimentalement dans la plage de longueurs d'onde de λ1 à λ2 :

La figure 2 montre les spectres d'intensité d'émission des émetteurs IR NOMAKON™ IKN-101, obtenus à différentes valeurs nominales. Puissance électriqueémetteur 1000 W, 650 W, 400 W et 250 W.

Avec une augmentation de la puissance de l'émetteur et, par conséquent, de la température de la surface émettrice, l'intensité du rayonnement augmente et le spectre du rayonnement se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes (loi de déplacement de Wien). Dans ce cas, l'intensité maximale du rayonnement (85 à 90 % du spectre) se situe dans la plage de longueurs d'onde de 1,5 à 6 microns, ce qui correspond à la physique optimale du processus dans ce cas. chauffage infrarouge et séchage.

L'intensité du rayonnement infrarouge et, par conséquent, l'énergie spécifique du rayonnement diminuent à mesure que l'on s'éloigne de la source de rayonnement. La figure 3 montre les courbes d'évolution de l'énergie de rayonnement spécifique des émetteurs céramiques NOMAKON™ IKN-101 en fonction de la distance entre la surface émettrice et le point de mesure normal à la surface émettrice. Les mesures ont été effectuées avec un radiomètre sélectif dans la gamme de longueurs d'onde de 1,5 à 8 µm, suivies de l'intégration des spectres d'intensité du rayonnement. Comme le montre le graphique, l'énergie de rayonnement spécifique E, W/m² diminue en proportion inverse de la distance L, m à la source de rayonnement.

Le rayonnement infrarouge est l’un des types de rayonnement électromagnétique qui se limite d’un côté à la partie rouge du spectre de la lumière visible et de l’autre aux micro-ondes. Longueur d'onde - de 0,74 à 1 000-2 000 micromètres. Les ondes infrarouges sont également appelées « chaleur ». En fonction de la longueur d'onde, ils sont classés en trois groupes :

ondes courtes (0,74-2,5 micromètres) ;

onde moyenne (plus longue que 2,5, plus courte que 50 micromètres) ;

longueur d'onde longue (plus de 50 micromètres).

Sources de rayonnement infrarouge

Sur notre planète, le rayonnement infrarouge n’est pas rare. Presque toute chaleur est l’effet des rayons infrarouges. Peu importe ce que c'est : la lumière du soleil, la chaleur de notre corps ou la chaleur émanant de appareils de chauffage.

La partie infrarouge du rayonnement électromagnétique ne chauffe pas l'espace, mais l'objet lui-même. C'est sur ce principe que l'ouvrage est construit lampes infrarouges. Et le Soleil chauffe la Terre de la même manière.

Effet sur les organismes vivants

Sur ce moment, la science n'a pas de faits confirmés influence négative rayons infrarouges sur le corps humain. A moins que la muqueuse des yeux puisse être endommagée à cause d’un rayonnement trop intense.

Mais on peut parler très longtemps des avantages. En 1996 déjà, des scientifiques des États-Unis, du Japon et des Pays-Bas ont confirmé un certain nombre de faits médicaux positifs. Radiation thermique:

détruit certains types de virus de l'hépatite;

supprime et ralentit la croissance des cellules cancéreuses;

a la capacité de neutraliser les champs électromagnétiques et les rayonnements nocifs. Y compris radioactif ;

aide les diabétiques à produire de l'insuline ;

peut aider contre la dystrophie;

amélioration de l'état du corps avec le psoriasis.

Je me sens mieux, les organes internes commencer à travailler plus efficacement. Nutrition musculaire accrue et force considérablement améliorée système immunitaire. Fait connu qu'en l'absence de rayonnement infrarouge, le corps vieillit sensiblement plus vite.

Rayons infrarougeségalement appelés « rayons de vie ». C'est sous leur influence que la vie a commencé.

L'utilisation des rayons infrarouges dans la vie humaine

La lumière infrarouge n’est pas moins utilisée que répandue. Il sera probablement très difficile de trouver au moins un domaine économie nationale, où la partie infrarouge n'a pas trouvé d'utilité ondes électromagnétiques. Nous listons les domaines d'application les plus connus :

guerre. Les ogives de missiles à tête chercheuse ou les dispositifs de vision nocturne sont tous le résultat de l’utilisation du rayonnement infrarouge ;

la thermographie est largement utilisée en science pour déterminer les parties surchauffées ou en surfusion d'un objet étudié. L’imagerie infrarouge est également largement utilisée en astronomie, avec d’autres types d’ondes électromagnétiques ;

radiateurs domestiques. Contrairement aux convecteurs, ces appareils utilisent l’énergie radiante pour chauffer tous les objets de la pièce. Et puis plus loin, les objets intérieurs dégagent de la chaleur dans l’air ambiant ;

transmission de données et contrôle à distance. Oui, toutes les télécommandes des téléviseurs, magnétophones et climatiseurs utilisent des rayons infrarouges ;

désinfection dans l'industrie alimentaire

médecine. Traitement et prévention de nombreux types de maladies.

Les rayons infrarouges représentent une part relativement faible du rayonnement électromagnétique. Être de manière naturelle transfert de chaleur, personne ne peut s'en passer processus de vie sur notre planète.

Rayonnement infrarouge- le rayonnement électromagnétique, occupant la région spectrale entre l'extrémité rouge de la lumière visible (de longueur d'onde λ = 0,74 μm) et le rayonnement micro-onde (λ ~ 1-2 mm).

Les propriétés optiques des substances dans le rayonnement infrarouge diffèrent considérablement de leurs propriétés dans le rayonnement visible. Par exemple, une couche d'eau de plusieurs centimètres est opaque au rayonnement infrarouge avec λ = 1 μm. Le rayonnement infrarouge représente la majeure partie du rayonnement des lampes à incandescence, des lampes à décharge et environ 50 % du rayonnement solaire ; Certains lasers émettent un rayonnement infrarouge. Pour l'enregistrer, ils utilisent des récepteurs thermiques et photoélectriques, ainsi que du matériel photographique spécial.

Désormais, toute la gamme du rayonnement infrarouge est divisée en trois composantes :

• région des ondes courtes : λ = 0,74-2,5 µm ;
• région des ondes moyennes : λ = 2,5-50 µm ;
• région des ondes longues : λ = 50-2 000 µm ;

Récemment, le bord des ondes longues de cette gamme a été séparé en une gamme distincte et indépendante d'ondes électromagnétiques - rayonnement térahertz(rayonnement submillimétrique).

Le rayonnement infrarouge est également appelé rayonnement « thermique », car le rayonnement infrarouge émis par les objets chauffés est perçu par la peau humaine comme une sensation de chaleur. Dans ce cas, les longueurs d'onde émises par le corps dépendent de la température de chauffage : plus la température est élevée, plus la longueur d'onde est courte et plus l'intensité du rayonnement est élevée. Le spectre de rayonnement d'un corps absolument noir à des températures relativement basses (jusqu'à plusieurs milliers de Kelvin) se situe principalement dans cette plage. Le rayonnement infrarouge est émis par des atomes ou des ions excités.

Historique de la découverte et caractéristiques générales

Le rayonnement infrarouge a été découvert en 1800 par l'astronome anglais W. Herschel. En étudiant le Soleil, Herschel cherchait un moyen de réduire l'échauffement de l'instrument avec lequel les observations étaient effectuées. En utilisant des thermomètres pour déterminer les effets de différentes parties du spectre visible, Herschel a découvert que le « maximum de chaleur » se situe derrière la couleur rouge saturée et, peut-être, « au-delà de la réfraction visible ». Cette étude a marqué le début de l'étude du rayonnement infrarouge.

Auparavant, les sources de rayonnement infrarouge des laboratoires étaient exclusivement des corps chauds ou des décharges électriques dans des gaz. De nos jours, des sources modernes de rayonnement infrarouge à fréquence réglable ou fixe ont été créées sur la base de lasers à semi-conducteurs et à gaz moléculaires. Pour enregistrer le rayonnement dans la région proche infrarouge (jusqu'à ~ 1,3 μm), des plaques photographiques spéciales sont utilisées. Les détecteurs photoélectriques et les photorésistances ont une plage de sensibilité plus large (jusqu'à environ 25 microns). Le rayonnement dans la région infrarouge lointain est enregistré par des bolomètres - des détecteurs sensibles à l'échauffement par le rayonnement infrarouge.

Les équipements IR sont largement utilisés dans la technologie militaire (par exemple, pour le guidage de missiles) et dans la technologie civile (par exemple, dans les systèmes de communication à fibre optique). Les spectromètres IR utilisent soit des lentilles et des prismes, soit des réseaux de diffraction et des miroirs comme éléments optiques. Pour éliminer l'absorption du rayonnement dans l'air, les spectromètres destinés à la région infrarouge lointain sont fabriqués dans une version sous vide.

Les spectres infrarouges étant associés aux mouvements de rotation et de vibration de la molécule, ainsi qu'aux transitions électroniques des atomes et des molécules, la spectroscopie IR permet d'obtenir une information important sur la structure des atomes et des molécules, ainsi que sur la structure des bandes des cristaux.

Application

Médecine

Les rayons infrarouges sont utilisés en physiothérapie.

Télécommande

Les diodes et photodiodes infrarouges sont largement utilisées dans les télécommandes, les systèmes d'automatisation, systèmes de sécurité, quelques téléphones portables(port infrarouge), etc. Les rayons infrarouges ne détournent pas l’attention d’une personne en raison de leur invisibilité.

Fait intéressant, le rayonnement infrarouge d'une télécommande domestique télécommande Facilement capturé à l’aide d’un appareil photo numérique.

En peignant

Les émetteurs infrarouges sont utilisés dans l’industrie pour sécher les surfaces peintes. La méthode de séchage infrarouge présente des avantages significatifs par rapport à la méthode traditionnelle par convection. Tout d’abord, il s’agit bien entendu d’un effet économique. La vitesse et l'énergie consommées lors du séchage infrarouge sont inférieures aux mêmes indicateurs avec les méthodes traditionnelles.

Stérilisation des aliments

Le rayonnement infrarouge est utilisé pour stériliser les produits alimentaires à des fins de désinfection.

Agent anticorrosion

Les rayons infrarouges sont utilisés pour prévenir la corrosion des surfaces recouvertes de vernis.

Industrie alimentaire

Une particularité de l'utilisation du rayonnement IR dans l'industrie alimentaire est la possibilité de pénétration d'une onde électromagnétique dans des produits capillaires poreux tels que les céréales, la farine, etc. jusqu'à une profondeur de 7 mm. Cette valeur dépend de la nature de la surface, de la structure, des propriétés du matériau et des caractéristiques de fréquence du rayonnement. Une onde électromagnétique d'une certaine gamme de fréquences a non seulement un effet thermique, mais également biologique sur le produit, contribuant à accélérer les transformations biochimiques des polymères biologiques (amidon, protéines, lipides). Les convoyeurs de séchage à convoyeur peuvent être utilisés avec succès lors du stockage des céréales dans les greniers et dans l'industrie de la mouture de la farine.

De plus, le rayonnement infrarouge est largement utilisé pour chauffer les espaces intérieurs et extérieurs. Les radiateurs infrarouges sont utilisés pour organiser le chauffage d'appoint ou principal dans les pièces (maisons, appartements, bureaux, etc.), ainsi que pour le chauffage local de l'espace extérieur (cafés extérieurs, belvédères, vérandas).

L'inconvénient est l'irrégularité nettement plus grande du chauffage, qui dans certains cas processus technologiques complètement inacceptable.

Vérifier l'authenticité de l'argent

Un émetteur infrarouge est utilisé dans les appareils permettant de vérifier l'argent. Appliquées sur le billet de banque comme élément de sécurité, les encres métamères spéciales sont visibles exclusivement dans le domaine infrarouge. Les détecteurs de devises infrarouges sont les appareils les plus fiables pour vérifier l'authenticité de l'argent. L’application de marques infrarouges sur un billet de banque, contrairement aux marques ultraviolettes, coûte cher aux faussaires et n’est donc pas rentable économiquement. Par conséquent, les détecteurs de billets de banque avec émetteur IR intégré sont aujourd'hui les plus protection fiable des contrefaçons.

Danger pour la santé

Un fort rayonnement infrarouge dans les zones chaudes peut présenter un risque pour les yeux. C'est plus dangereux lorsque le rayonnement n'est pas accompagné lumière visible. Dans de tels endroits, il est nécessaire de porter des lunettes de protection spéciales.

voir également

Autres méthodes de transfert de chaleur

Méthodes d'enregistrement (enregistrement) des spectres IR.

Remarques

Liens

Traduction de Dmitri Viktorov

Abréviation : rayonnement IR
Définition : rayonnement invisible dont les longueurs d'onde sont comprises entre 750 nm et 1 mm environ.

Rayonnement infrarouge- il s'agit d'un rayonnement d'une longueur d'onde supérieure à 700 - 800 nm, limite supérieure de la gamme de longueurs d'onde visibles. Cette limite ne détermine pas la sensibilité de l'œil à rayonnement visible dans cette région spectrale.

Bien que la sensibilité de l'œil au rayonnement visible, par exemple à 700 nm, soit déjà très faible, le rayonnement de certaines diodes laser d'une longueur d'onde supérieure à 750 nm peut toujours être observé si ce rayonnement est suffisamment intense. De tels rayonnements peuvent être nocifs pour les yeux, même s’ils ne sont pas perçus comme très brillants. La limite supérieure du spectre infrarouge en termes de longueur d'onde n'est pas non plus clairement définie, mais elle est généralement comprise comme étant d'environ 1 μm.

Afin de « voir » dans lumière infrarouge, des appareils de vision nocturne sont utilisés.

Pour les zones du spectre infrarouge, la classification suivante est utilisée :

• - la région proche infrarouge du spectre (également appelée IR-A) est ~ de 700 à 1400 nm. Les lasers émettant dans cette gamme de longueurs d'onde sont particulièrement dangereux pour les yeux, car le rayonnement proche infrarouge est transmis et focalisé sur la rétine sensible de la même manière que la lumière visible, mais ne déclenche pas en même temps le réflexe de clignement protecteur. Une protection oculaire appropriée est requise.
• - l'infrarouge à ondes courtes (IR-B) se propage à partir de 1,4 à 3 µm. Cette plage est relativement sûre pour les yeux, car ce rayonnement sera absorbé par la substance de l’œil avant de pouvoir atteindre la rétine. Les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium pour les communications par fibre optique fonctionnent dans cette plage.
• - plage infrarouge à ondes moyennes (IR-C) de 3 à 8 µm. L'atmosphère subit une forte absorption dans cette plage. Il existe de nombreuses raies d'absorption, par exemple pour le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d'eau (H2O). De nombreux gaz présentent des raies d'absorption fortes et caractéristiques du rayonnement infrarouge moyen, ce qui rend cette région spectrale intéressante pour la spectroscopie de gaz hautement sensible.
• - L'IR à ondes longues varie de 8 à 15 µm, après l'infrarouge lointain, qui s'étend jusqu'à 1 mm, dans la littérature il commence parfois dès 8 µm. La région IR à ondes longues du spectre est utilisée pour l’imagerie thermique.

Il convient toutefois de noter que les définitions de ces termes varient considérablement dans la littérature. La plupart des verres sont transparents au rayonnement proche infrarouge, mais absorbent fortement le rayonnement à des longueurs d'onde plus longues, et les photons de ce rayonnement peuvent être directement convertis en phonons. Pour le verre de quartz utilisé dans les fibres de quartz, une forte absorption se produit après 2 µm.

Le rayonnement infrarouge est également appelé rayonnement thermique, car le rayonnement thermique des corps chauffés se situe principalement dans la région infrarouge. Même à température ambiante et en dessous, les corps émettent des quantités importantes de rayonnement infrarouge moyen et lointain, qui peuvent être utilisées pour l’imagerie thermique.
Par exemple, les images infrarouges d'une maison chauffée en hiver peuvent révéler des fuites de chaleur (par exemple dans les fenêtres, le toit ou dans les murs mal isolés derrière les radiateurs) et ainsi aider à déterminer des mesures efficaces pour l'amélioration.

Basé sur des matériaux du portail Internet

> Ondes infrarouges

Ce qui s'est passé ondes infrarouges: Longueur d’onde infrarouge, plage d’ondes infrarouges et fréquence. Étudiez les modèles et les sources du spectre infrarouge.

Lumière infrarouge(IR) - rayons électromagnétiques qui, en termes de longueurs d'onde, dépassent le visible (0,74-1 mm).

Objectif d'apprentissage

• Comprendre les trois gammes du spectre IR et décrire les processus d'absorption et d'émission par les molécules.

Moments de base

• La lumière IR absorbe la majeure partie du rayonnement thermique produit par des corps d'environ température ambiante. Émis et absorbé lorsque des changements se produisent dans la rotation et la vibration des molécules.
• La partie IR du spectre peut être divisée en trois régions selon la longueur d'onde : infrarouge lointain (300-30 THz), infrarouge moyen (30-120 THz) et proche infrarouge (120-400 THz).
• L'IR est également appelé rayonnement thermique.
• Il est important de comprendre le concept d’émissivité pour comprendre l’IR.
• Les rayons IR peuvent être utilisés pour déterminer à distance la température des objets (thermographie).

Termes

• La thermographie est le calcul à distance des changements de température corporelle.
• Radiation thermique - un rayonnement électromagnétique, créé par un corps en raison de la température.
• L'émissivité est la capacité d'une surface à émettre un rayonnement.

Ondes infrarouges

La lumière infrarouge (IR) est constituée de rayons électromagnétiques dont les longueurs d'onde dépassent la lumière visible (0,74-1 mm). La gamme de longueurs d'onde infrarouges converge avec la gamme de fréquences de 300 à 400 THz et s'adapte à d'énormes quantités de rayonnement thermique. La lumière IR est absorbée et émise par les molécules à mesure qu'elles changent de rotation et de vibration.

Voici les principales catégories d’ondes électromagnétiques. Les lignes de démarcation diffèrent à certains endroits et d’autres catégories peuvent se chevaucher. Les micro-ondes occupent la partie haute fréquence de la section radio du spectre électromagnétique

Sous-catégories d'ondes IR

La partie IR du spectre électromagnétique occupe la plage de 300 GHz (1 mm) à 400 THz (750 nm). Il existe trois types d’ondes infrarouges :

• IR lointain : 300 GHz (1 mm) à 30 THz (10 µm). Partie inférieure peuvent être appelés micro-ondes. Ces rayons sont absorbés en raison de la rotation des molécules en phase gazeuse, des mouvements moléculaires dans les liquides et des photons dans les solides. L'eau présente dans l'atmosphère terrestre est si fortement absorbée qu'elle devient opaque. Mais certaines longueurs d'onde (fenêtres) sont utilisées pour la transmission.
• Plage IR moyenne : 30 à 120 THz (10 à 2,5 µm). Les sources sont des objets chauds. Absorbé par les vibrations moléculaires (divers atomes vibrent dans des positions d'équilibre). Cette plage est parfois appelée empreinte digitale car il s’agit d’un phénomène spécifique.
• Plage IR la plus proche : 120 à 400 THz (2 500 à 750 nm). Ces processus physiques ressemblent à ceux qui se produisent dans la lumière visible. Les fréquences les plus élevées peuvent être trouvées avec un certain type de film photographique et des capteurs pour l'infrarouge, la photographie et la vidéo.

Chaleur et rayonnement thermique

Le rayonnement infrarouge est également appelé rayonnement thermique. La lumière infrarouge du Soleil capte seulement 49 % de la chaleur de la Terre, le reste étant constitué de lumière visible (absorbée et réfléchie à des longueurs d'onde plus longues).

La chaleur est une énergie sous une forme transitoire qui circule en raison des différences de température. Si la chaleur est transférée par conduction ou convection, le rayonnement peut alors se propager dans le vide.

Pour comprendre les rayons IR, nous devons examiner de près le concept d’émissivité.

Sources d'ondes IR

Les humains et la majeure partie de l’environnement planétaire produisent des rayons thermiques de 10 microns. Il s’agit de la frontière séparant les régions IR médianes et lointaines. De nombreux corps astronomiques émettent des quantités détectables de rayons IR à des longueurs d'onde non thermiques.

Les rayons IR peuvent être utilisés pour calculer la température des objets à distance. Ce processus est appelé thermographie et est le plus activement utilisé dans les applications militaires et industrielles.

Image thermographique d'un chien et d'un chat

Les ondes IR sont également utilisées dans les domaines du chauffage, des communications, de la météorologie, de la spectroscopie, de l'astronomie, de la biologie, de la médecine et de l'analyse artistique.