Close

20.09.2012

Инфракрасное излучение

Что такое инфракрасное излучение? Мы узнали, что тепловые лучи были открыты Гершелем в 1800 году. Чтобы разобраться в природе теплового (инфракрасного) излучения и его взаимодействия с окружающими нас объектами придется немного углубится в теорию. Начнем с определения.

[quote align=»center»]Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (от λ = 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (до λ = 1 мм).[/quote]

Электромагнитное излучение с самыми разными длинами волн окружает нас повсеместно и постоянно. Видимый свет — это тоже электромагнитные волны, которые ощущает человеческий глаз по интенсивности и спектральному составу (цвету). Для восприятия всех других электромагнитных волн нам нужны технические средства. С их помощью мы слушаем радио, смотрим телевизор, делаем рентген. И только инфракрасное излучение от нагретых предметов может воспринимается кожей человека как ощущение тепла. Поэтому ИК-излучение иногда называют «тепловым» излучением.

Самым мощным инфракрасным излучателем, безусловно, является Солнце. Около 50% излучения Солнца лежит в инфракрасной области. Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на инфракрасный спектр.

Инфракрасное излучение делят на условные диапазоны. Наименования и границы этих диапазонов связаны с техническими устройствами и задачами, решаемыми ими. Поэтому можно найти несколько вариантов деления. Приведу наиболее распространенный в сфере тепловизионного контроля:

  • ближняя область (Near-infrared, NIR): λ = 0,74 — 1,4 мкм;
  • коротковолновая область (Short-wave, SW): λ = 1,4 — 3 мкм;
  • средневолновая область (Mid-wave, MW): λ = 3 — 5 мкм;
  • длинноволновая область (Long-wave, LW): λ = 8 — 14 мкм;
  • дальняя область (Far infrared, FIR): λ = 14 — 1000 мкм.

 

Диапазоны NIR и SW иногда называют «reflected infrared», так как в этих диапазонах при обычных температурах регистрируется не собственное, а только отраженное от объекта ИК-излучение. Основные рабочие в тепловидении диапазоны MW и LW иногда называют «thermal infrared», так как в них регистрируется собственное тепловое излучение объектов, связанное с их температурой.

Границы этих рабочих тепловизионных диапазонов определены окнами прозрачности атмосферы. Дело в том, что проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Азот и кислород воздуха ослабляют ик-излучение в результате рассеяния, которое значительно меньше, чем для видимого света. Особенно сильно поглощают ик-излучение пары воды и углекислый газ. К дополнительному ослаблению инфракрасного излучения приводит наличие в атмосфере взвешенных частиц: дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман), а также осадки (снег, дождь).

Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов. Природа всех лучей одинакова, они представляют собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела, количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела. Таким образом, все тела, температура которых отличается от абсолютного нуля, непрерывно излучают энергию. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.

При температурах ниже 500°С излучение тела почти целиком расположено в инфракрасной области, такое тело можно увидеть глазом только при освещении, само оно не светится. При повышении температуры спектр излучения смещается в видимую область (доля излучения в видимой области увеличивается) и тело начинает само светиться. Сначала тёмно-красным, затем красным, жёлтым уже при очень высоких температурах оно кажется белым (цвета каления). При этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения.

Для описания законов излучения применяют модель идеального объекта — абсолютно черного тела (АЧТ). На сайте есть отдельная статья про АЧТ с более подробным описанием. Следующие законы описывают характеристики ик-излучения:

  • формула Планка (распределение энергии теплового излучения по длинам волн в зависимости от температуры),
  • закон Стефана-Больцмана (зависимость мощности излучения тела от его температуры),
  • закон смещения Вина (длина волны, на которую приходится максимум излучения при заданной температуре).

 

Связь мощности инфракрасного излучения с температурой поверхности используется для бесконтактного измерения температуры в инфракрасных пирометрах и тепловизорах.

Хотя инфракрасное излучение подчиняется законам оптики и имеет ту же природу, что и видимый свет, взаимодействие ик-излучения с объектами имеет свои особенности. Это связано с тем, что оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой области.

Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в инфракрасных областях и наоборот. Например, небольшой слой воды непрозрачен для ик-излучения. Пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (из этих материалов изготавливают линзовые объективы тепловизоров). Чёрная бумага прозрачна в далёкой инфракрасной области. В рабочем диапазоне длинноволновых тепловизоров оконные стекла непрозрачны, а полиэтилен полупрозрачен.

Коэффициент излучения (и связанный с ним коэффициент отражения) — важнейшая характеристика поверхности объекта в инфракрасном контроле, также сильно отличается от характеристик в видимом диапазоне. У большинства металлов в ик-области отражательная способность значительно больше, чем для видимого света. В зависимости от состояния поверхности коэффициент отражения может достигать 98%. В этом разделе вы найдете отдельную статью о практических измерениях и важности коэффициента излучения в тепловизионных измерениях.

Измерение температуры объектов с низким коэффициентом излучения (большой степенью отражения) проблематично, так как в исходящем от них инфракрасном излучении доля собственного излучения мала (именно по нему рассчитывается температура поверхности), а доля отражения окружающих объектов высока.

Использованы материалы: БСЭ; Википедия; Планк М. «Теория теплового излучения»; Леконт Ж. «Инфракрасное излучение»; Дерибере М. «Практические применения инфракрасных лучей»; Козелкин В. В., Усольцев И. Ф. «Основы инфракрасной техники», Госсорг Ж. «Инфракрасная термография».

20.09.2012

One Comment on “Инфракрасное излучение

pasha
30.03.2015 в 01:35

Интересная статья, но маленькая поправка: «воспринимается кожей человека как ощущение тепла» может любое излучение соответствующей мощности при условии достаточного коэффициента поглощения кожей на данной частоте. Тот же СВЧ-нагрев например. Другое дело что для некоторых диапазонов (радио, УФ, рентген) излучение такой мощности может давать опасные для здоровья побочные эффекты.

Ответить

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *