Источники инфракрасного излучения

Мощным источником инфракрасного излучения является Солнце, около 50% излучения которого лежит в инфракрасной области. Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на инфракрасное излучение.

При фотографировании в темноте и в некоторых приборах ночного наблюдения лампы для подсветки снабжаются инфракрасным светофильтром, который пропускает только инфракрасное излучение. Мощным источником инфракрасного излучения является угольная электрическая дуга с температурой ~ 3900 К, излучение которой близко к излучению чёрного тела, а также различные газоразрядные лампы (импульсные и непрерывного горения). Для радиационного обогрева помещений применяют спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые до температуры ~ 950 К. Для лучшей концентрации инфракрасного излучения такие нагреватели снабжаются рефлекторами. В научных исследованиях, например, при получении спектров инфракрасного поглощения в разных областях спектра применяют специальные источники инфракрасного излучения: ленточные вольфрамовые лампы, штифт Нернста, глобар, ртутные лампы высокого давления и др.

Излучение некоторых оптических квантовых генераторов - лазеров также лежит в инфракрасной области спектра; например, излучение лазера на неодимовом стекле имеет длину волны 1,06 мкм, лазера на смеси неона и гелия - 1,15 мкм и 3,39 мкм, лазера на углекислом газе - 10,6 мкм, полупроводникового лазера на InSb - 5 мкм и др. Приёмники инфракрасного излучения основаны на преобразовании энергии инфракрасного излучения в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методами.

Существуют тепловые и фотоэлектрические приёмники инфракрасного излучения В первых поглощённое инфракрасное излучение вызывает повышение температуры термочувствительного элемента приёмника, которое и регистрируется. В фотоэлектрических приёмниках поглощённое инфракрасное излучение приводит к появлению или изменению электрического тока или напряжения. Фотоэлектрические приёмники, в отличие от тепловых, являются селективными приёмниками, т. е. чувствительными лишь в определённой области спектра. Специальные фотоплёнки и пластинки - инфрапластинки - также чувствительны к инфракрасному излучению (до l = 1,2 мкм), и потому в инфракрасном излучении могут быть получены фотографии.

Применение Инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение находит широкое применение в научных исследованиях, при решении большого числа практических задач, в военном деле и пр. Исследование спектров испускания и поглощения в инфракрасной области используется при изучении структуры электронной оболочки атомов, для определения структуры молекул, а также для качественного и количественного анализа смесей веществ сложного молекулярного состава, например моторного топлива. Благодаря различию коэффициентов рассеяния, отражения и пропускания тел в видимом и инфракрасном излучения фотография, полученная в инфракрасном излучении, обладает рядом особенностей по сравнению с обычной фотографией. Например, на инфракрасных снимках часто видны детали, невидимые на обычной фотографии.

В промышленности инфракрасное излучение применяется для сушки и нагрева материалов и изделий при их облучении, а также для обнаружения скрытых дефектов изделий.

На основе фотокатодов, чувствительных к Инфракрасному излучению (для l < 1,3 мкм), созданы специальные приборы - электроннооптические преобразователи, в которых не видимое глазом инфракрасное изображение объекта на фотокатоде преобразуется в видимое. На этом принципе построены различные приборы ночного видения (бинокли, прицелы и др.), позволяющие при облучении наблюдаемых объектов инфракрасным излучением от специальных источников вести наблюдение или прицеливание в полной темноте. Создание высокочувствительных приёмников Инфракрасного излучения позволило построить специальные приборы - теплопеленгаторы для обнаружения и пеленгации объектов, температура которых выше температуры окружающего фона (нагретые трубы кораблей, двигатели самолётов, выхлопные трубы танков и др.), по их собственному тепловому Инфракрасному излучению. На принципе использования теплового излучения цели созданы также системы самонаведения на цель снарядов и ракет. Специальная оптическая система и приёмник инфракрасного излучения, расположенные в головной части ракеты, принимают инфракрасное излучение от цели, температура которой выше температуры окружающей среды (например, собственное инфракрасное излучение самолётов, кораблей, заводов, тепловых электростанций), а автоматическое следящее устройство, связанное с рулями, направляет ракету точно в цель. Инфракрасные локаторы и дальномеры позволяют обнаруживать в темноте любые объекты и измерять расстояния до них.

Оптические квантовые генераторы, излучающие в инфракрасной области, используются также для наземной и космической связи.

Инфракрасный свет визуально недоступен зрению человека. Между тем длинные инфракрасные волны воспринимаются человеческим организмом как тепло. Некоторыми свойствами видимого света обладает инфракрасный свет. Излучение этой формы поддаётся фокусировке, отражается и поляризуется. Теоретически ИК-свет больше трактуется как инфракрасная радиация (ИР). Космическая ИР занимает спектральный диапазон электромагнитного излучения 700 нм — 1 мм. ИК-волны длиннее волн видимого света и короче радиоволн. Соответственно, частоты ИР выше частот микроволн и ниже частот видимого света. Частота ИР ограничена диапазоном 300 ГГц — 400 ТГц.

Инфракрасные волны удалось обнаружить британскому астроному Уильяму Гершелю . Открытие было зарегистрировано в 1800 году. Используя стеклянные призмы в своих опытах, учёный таким способом исследовал возможности разделения солнечного света на отдельные компоненты.

Когда Уильяму Гершелю пришлось измерять температуру отдельных цветов, обнаружился фактор увеличения температуры при последовательном прохождении следующего ряда:

• фиолет,
• синька,
• зелень,
• желток,
• оранж,
• красный.

Волновой и частотный диапазон ИК-радиации

Исходя из длины волны, учёные условно делят инфракрасное излучение на несколько спектральных частей. При этом нет единого определения границ каждой отдельной части.

Шкала электромагнитного излучения: 1 — радиоволны; 2 — микроволны; 3 — ИК-волны; 4 — видимый свет; 5 — ультрафиолет; 6 — лучи x-ray; 7 — гамма лучи; В — диапазон длин волн; Э — энергетика

Теоретически обозначены три волновых диапазона:

1. Ближний
2. Средний
3. Дальний

Ближний ИК-диапазон отмечен длинами волн, приближенных до конечной части спектра видимого света. Примерный расчётный отрезок волны здесь обозначен длиной: 750 — 1300 нм (0,75 — 1,3 мкм). Частота излучения составляет примерно 215-400 Гц. Короткий ИК-диапазон излучат минимум тепла.

Средний ИК-диапазон (промежуточный), охватывает длины волн 1300-3000 нм (1,3 — 3 мкм). Частоты здесь измеряются диапазоном 20-215 ТГц. Уровень излучаемого тепла относительно невысок.

Дальний ИК-диапазон наиболее близок к диапазону микроволн. Расклад: 3-1000 мкм. Частотный диапазон 0,3-20 ТГц. Эту группу составляют короткие длины волн на максимальном частотном отрезке. Здесь излучается максимум тепла.

Применение инфракрасной радиации

ИК-лучам нашлось применение в различных сферах. Среди наиболее известных устройств — , тепловизоры, оборудование ночного видения и т.п. Коммуникационным и сетевым оборудованием ИК-свет используется в рамках проводных и беспроводных операций.

Пример работы электронного прибора — тепловизора, принцип действия которого основан на использовании инфракрасного излучения. И это лишь отдельно взятый пример из множества других

Пульты дистанционного управления оснащаются системой ИК-связи ближнего действия, где сигнал передаётся через ИК-светодиоды. Пример: привычная бытовая техника – телевизоры, кондиционеры, проигрыватели. Инфракрасным светом передаются данные по волоконно-оптическим кабельным системам.

Кроме того, излучение ИК-диапазона активно используется исследовательской астрономией для изучения космоса. Именно благодаря ИК-радиации удаётся обнаруживать космические объекты, невидимые глазу человека.

Малоизвестные факты, связанные с ИК-светом

Глаза человека действительно не могут видеть инфракрасные лучи. Но «видеть» их способна кожа тела человека, реагирующая на фотоны, а не только на тепловое излучение.

Поверхность кожи фактически выступает «глазным яблоком». Если солнечным днём выйти на улицу, закрыть глаза и протянуть к небу ладони, без особого труда можно обнаружить месторасположение солнца.

Зимой в комнате, где температура воздуха составляет 21-22ºС, будучи тепло одетыми (свитер, брюки). Летом в той же комнате, при той же температуре, люди также ощущают комфорт, но в более лёгкой одежде (шорты, футболка).

Объяснить сей феномен просто: несмотря на одинаковую температуру воздуха, стены и потолок помещения летом излучают в большем количестве волны дальнего ИК-диапазона, несомые солнечным светом (FIR – Far Infrared). Поэтому телом человека при одинаковых температурах, летом воспринимается больше тепла.

ИК-тепло воспроизводится любым живым организмом и неживым предметом. На экране тепловизора этот момент отмечается более чем отчётливо

Пары людей, спящие в одной кровати, непроизвольно являются передатчиками и приемниками FIR-волн по отношению друг к другу. Если человек находится в кровати один, он действует как передатчик FIR-волн, но уже не получает такие же волны в ответ.

Когда люди беседуют друг с другом, они непроизвольно отправляют и получают вибрации FIR-волн один от другого. Дружеские (любовные) объятия также активируют передачу FIR-излучения между людьми.

Как воспринимает ИК-свет природа?

Люди не в состоянии видеть световые лучи ИК-диапазона, но змеи семейства гадюковых или виперовых (например, гремучие) имеют сенсорные «впадины», которые используются для получения изображения в инфракрасном свете.

Это свойство позволяет змеям в полной темноте обнаруживать теплокровных животных. Змеи с двумя сенсорными «впадинами», как предполагается наукой, имеют некоторое восприятие глубины инфракрасного диапазона.

Свойства ИК змеи: 1, 2 — чувствительные зоны сенсорной впадины; 3 — мембранная впадина; 4 — внутренняя полость; 5 — MG волокно; 6 — наружная полость

Рыба успешно использует свет ближней области спектра (NIR – Near Infrared) для захвата добычи и для ориентации в акватории водоёмов. Это чувство NIR помогает рыбе безошибочно ориентироваться в условиях слабого освещения, в темноте либо в мутной воде.

Инфракрасное излучение играет важную роль для формирования погоды и климата Земли, также как солнечный свет. Общая масса солнечного света, поглощаемого Землей, в равном количестве ИК-излучения должна перемещаться от Земли обратно в космос. Иначе неизбежно глобальное потепление или глобальное похолодание.

Очевидна причина, по которой воздух быстро охлаждается сухой ночью. Низкий уровень влажности и отсутствие облаков на небе открывают свободный путь ИК-радиации. Инфракрасные лучи быстрее выходят в космическое пространство и, соответственно, быстрее уносят тепло.

1

В 1666 году Исаак Ньютон выполнил знаменитый эксперимент, противоречащий практически всем теориям цвета, существовавшим в то время. Он открыл дисперсию солнечного света при прохождении через треугольную призму. Оказалось, что белый, лишенный цветовой окраски луч, преломившись, становится разноцветным как радуга. Сегодня даже дети знают волшебную фразу, которая помогает запомнить порядок семи основных цветов радуги - от красного до фиолетового: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».

Но потребовались еще более ста лет, прежде чем в 1800 году английским физиком Уильямом Гершелем были открыты инфракрасные (ИК) лучи. Причина проста - ИК-лучи невидимы человеческим глазом и обнаруживаются только косвенно, например, увеличивают показания термометра.

ИК-излучение представляет собой электромагнитные волны длиной от 770 нм до 1мм. ИК-излучение подчиняется законам оптики и, следовательно, имеет ту же природу, что и видимый свет. В 1923 г. советский физик А. А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны с длиной волны от 50 мм до 82 мкм, лежащие в промежутке между радиоволнами и ИК-излучением. Таким образом, экспериментально доказано, что видимый свет, ИК-излучение и радиоволновое имеют общую электромагнитную природу.

ИК-излучение невооруженным глазом не видно. Человек ощущает ИК-излучение как тепло. Поэтому все нагретые тела являются источниками ИК-излучения. Так как сам человек является нагретым телом, то он тоже излучает ИК-лучи, что снижает его чувствительность к внешнему ИК-излучению. Поэтому необходимы работы по созданию и устройств, имеющих повышенную чувствительность и позволяющих «увидеть» или «услышать» ИК-излучение, исходящее от очень слабо нагретых или сильно удаленных от нас тел.

Актуальность исследовательской работы заключается в том, что у всех детей возникает проблема, когда надо понять что-то новое, невидимое и почти неосязаемое. А играть всем детям нравится, поэтому мы решили превратить скучное в интересное и увлекательное.

Объектом исследования в данной работе являются источники ИК-излучения.

Предметом исследования являются свойства ИК-излучения, которые позволяют сделать его осязаемым, видимым или слышимым, и тем самым вызвать интерес и увлечь слушателей.

Цель исследовательской работы - выявить свойства ИК-излучения, которые позволяют использовать его в технике и быту.

1. Изучить источники ИК-излучения,

2. Выяснить их воздействие на человека,

3. Рассмотреть примеры использования в технике и быту.

Если существуют доступные нам источники ИК-излучения, если оно влияет на человека, если его используют в технике и в быту, то возможно разработать игры и увлекательные демонстрации, позволяющие вызвать интерес к изучению этого удивительного явления природы.

Методы исследования: библиографический анализ литературы и материалов сети Internet; наблюдения и фотографирование; проведение экспериментов; синтез игр и демонстраций.

Структура работы обусловлена предметом, целью и задачами исследования. Работа состоит из введения, пяти разделов и заключения.

Введение дает оценку современного состояния решаемой задачи, раскрывает актуальность, определяет объект, предмет, цель, задачи и методы исследования.

В первом разделе рассматриваются различные источники ИК-излучения. Во втором разделе рассматривается влияние ИК-излучения на человека. В третьем разделе приведены примеры использования ИК-излучения в технике и быту. Четвертый раздел посвящен разработке игры «Найди Красную Шапочку», которая позволяет зрителям понять, как можно увидеть невидимое. В пятом разделе синтезировано устройство, которое демонстрирует слушателям как можно услышать невидимое ИК-излучение и позволяет им на слух почувствовать что такое чистая и грязная жидкость и зачем необходимо тщательно мыть руки.

В заключении подводятся итоги исследования, формулируются окончательные выводы по рассматриваемой теме, указаны направления дальнейших исследований и даны предложения по практическому использованию полученных результатов.

Источники инфракрасного излучения

Мощным источником ИК-излучения является Солнце, около половины излучения которого лежит в инфракрасной области . Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на ИК-излучение. Поэтому при фотографировании в темноте и в некоторых приборах ночного наблюдения лампы для подсветки снабжаются инфракрасным светофильтром, который пропускает только инфракрасное излучение.

Искусственными источником ИК-излучения являются:

Угольная электрическая дуга с температурой около 3900 К, излучение которой близко к излучению чёрного тела;

Различные газоразрядные лампы (импульсные и непрерывного горения);

Спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые до температуры ~ 950 К. Их применяют для радиационного обогрева помещений. Для лучшей концентрации инфракрасного излучения такие нагреватели снабжаются рефлекторами. В научных исследованиях, например, при получении спектров инфракрасного поглощения в разных областях спектра применяют специальные источники ИК-излучения:

Ленточные вольфрамовые лампы;

Штифт Нернста, который представляет собой тонкий стержень из различных металлических окислов, накаливаемый с помощью электрического тока. В состав стержня входят окислы, обладающие значительным избирательным ИК-излучением, например окиси церия, тория, циркония и др. Для него характерны: стабильность работы, отсутствие продуктов сгорания, способных портить аппаратуру, простота использования и интенсивное излучение с длинами волн до 15 мкм;

Глобар - стержень из карбида кремния диаметром 5 мм и длиной порядка 40 м, нагреваемый пропускаемым через него электрическим током до температуры порядка 1400°C. Рабочий диапазон излучения от 0,8 до 25 мкм;

Ртутные лампы высокого давления;

Полупроводниковые ИК-диоды;

Оптические квантовые генераторы - лазеры, излучение некоторых также лежит в инфракрасной области спектра; например, излучение лазера на неодимовом стекле имеет длину волны 1,06 мкм, лазера на смеси неона и гелия - 1,15 мкм и 3,39 мкм, лазера на углекислом газе - 10,6 мкм, полупроводникового лазера на InSb - 5 мкм и др.

Приёмники ИК-излучения основаны на преобразовании энергии ИК- излучения в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методами. Существуют тепловые и фотоэлектрические приёмники инфракрасного излучения . В первых поглощённое ИК-излучение вызывает повышение температуры термочувствительного элемента приёмника, которое и регистрируется. В фотоэлектрических приёмниках поглощённое ИК-излучение приводит к появлению или изменению электрического тока или напряжения. Фотоэлектрические приёмники, в отличие от тепловых, являются селективными приёмниками, т. е. чувствительными лишь в определённой области спектра. Специальные фотоплёнки и пластинки - инфрапластинки - также чувствительны к ИК-излучению (длиной волны до 1,2 мкм), и потому в ИК-излучении могут быть получены фотографии. Определенную чувствительность к ИК-излучению имеют приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые являются одним из основных элементов всех цифровых фотоаппаратов. С помощью мобильного телефона с такой цифровой камерой нетрудно зарегистрировать излучение ИК-диода пульта дистанционного управления телевизора (ПДУ) и отражения этого излучения от зеркал.

Если использовать ИК-светофильтр, то можно с помощью фотокамеры наблюдать ИК-излучение сильно нагретых тел, например, Солнца, спирали лампы накаливания.

С помощью ИК-телескопа можно увидеть галактики, скрытые от нас облаками пыли. Вот как, например, выглядит Туманность Андромеды в ИК-лучах .Вещества по-разному пропускают видимое и ИК-излучение, например, йод видимый свет сильно ослабляет, а в ИК-диапазоне он практически прозрачен.

Восприятие инфракрасного излучения человеком

ИК-излучение это естественный природный вид излучения на Земле. Человек постоянно подвергается действию ИК-лучей, это его нормальное состояние. Большая часть Солнечной энергии поступает на Землю в виде ИК-излучения. Солнце, находящееся в зените, обеспечивает освещённость на уровне моря чуть более 1 кВт/м2. При этом 523 Вт приходится на ИК-излучение, 445 Вт. - на видимый свет, 32 Вт.- на ультрафиолетовое излучение. Кроме того, все другие тела, состоящие из заряженных частиц, которые совершают постоянные хаотические колебания, тоже являются излучателями ИК-лучей в диапазоне волн от 770 нм до 2 мм.

Длина волны теплового излучение самого человека составляет 9,6 мкм. Организм человека производит в среднем 100 ккал/час тепла. Это количество увеличивается при увеличении обмена веществ, например при мышечной работе. Сколько тепла вырабатывает организм, столько же он должен и отдать в окружающую среду. Если он отдаёт больше, чем вырабатывает, то возникает опасность замерзания, если он отдаёт слишком мало, то наступает тепловой удар.

Влияние ИК-излучения на человека было изучено японским врачом Тадаши Ишикава в 60-х годах прошлого столетия. Он установил что ИК-лучи могут проникать в тело человека на большую глубину, вызывая аналогичный эффект получаемый человеком в парилке. Но в этом случае потоотделение кожи начинается уже при температуре окружающего воздуха около 50 °С и внутренние органы прогреваются значительно глубже, чем в парилке. Инфракрасные волны, проникая вглубь тела человека, прогревают все его органы и усиливают кровообращение. Физическая терморегуляция перестраивается на увеличение теплоотдачи, в тоже время химическая терморегуляция приводит к уменьшению теплопродукции. Что ведёт к расширению сосудов кожи, подкожной клетчатки и органов дыхания которые в свою очередь улучшают питание мышц и резко повышают снабжение тканей кислородом. Результатом этих работ стало создание инфракрасных кабин, в котором основным элементом обогрева были длинноволновые ИК-обогреватели.

Длительные исследования учёных по влиянию ИК-излучения на человека показали, что инфракрасное тепло оказывает положительное воздействие на его здоровье. При этом поглощённое телом излучение согревает человека, преобразуясь в тепло, а излишки тепла отдаются прохладному воздуху, действуя освежающе на него. Но не следует забывать и о том, что длительное пребывание под интенсивным инфракрасным излучением может спровоцировать тепловой удар, а воздействие очень сильного ИК-излучения вызывает ощущение боли и приводит к ожогу.

В обычных (естественных) условиях человек не видит ИК-излучения. Но взаимодействие человека с искусственными квантовыми источниками ИК-излучения (лазерами) позволило сделать неожиданное открытие. При определенных условиях человеческий глаз может видеть ИК-излучение .

Открытие было сделано случайно в ходе эксперимента, относящегося к другому исследованию. Ученые из Университета Вашингтона в Сент-Луисе заметили, что периодически видят вспышки зеленого света при использовании ИК-лазера, что очень сильно их удивило.

Затем исследователи устроили серию тестов. Сначала - с добровольцами, которым демонстрировали вспышки ИК-лазера. Выяснилось, что человек действительно, если вспышка достаточно коротка, способен регулярно замечать ее.

Потом ученые облучали инфракрасным излучением клетки сетчатки мышей (они тоже не могут его видеть), а также провели моделирование воздействия ИК-излучения на родопсин - основной светочувствительный белок в сетчатке глаза.

Оказалось, что родопсин может воспринимать излучение в ближнем ИК- диапазоне благодаря квантовому эффекту, известному как двухфотонное поглощение.

Когда интенсивность лазерного излучения, то есть число фотонов, которые лазер излучает за единицу времени, становится достаточной, то родопсин может поглотить одновременно два фотона. К примеру, если белок поглотит два фотона с длиной волны 1000 нм, то глаз воспримет их как единый фотон с длиной волны 500 нм, которая соответствует как раз зеленому цвету для человеческого глаза.

Открытие, считают ученые, не только углубляет современные представления о человеческом зрении, но и может привести к усовершенствованию методики диагностики заболеваний глаз.

Примеры использования инфракрасного излучения в технике и в быту

ИК-излучение находит широкое применение в научных исследованиях, при решении большого числа практических технических задач, в военном деле, в быту человека .

Исследование спектров испускания и поглощения в инфракрасной области используется при изучении структуры электронной оболочки атомов, для определения структуры молекул, а также для качественного и количественного анализа смесей веществ сложного молекулярного состава, например моторного топлива. Благодаря различию коэффициентов рассеяния, отражения и пропускания тел в видимом и ИК-излучении, фотография, полученная в ИК-излучении (термография), обладает рядом особенностей по сравнению с обычной фотографией. Например, на инфракрасных снимках часто видны детали, невидимые на обычной фотографии.

Инфракрасные снимки также широко используются в астрономии, наряду с другими типами электромагнитных волн.

В промышленности ИК-излучение применяется для сушки и нагрева материалов и изделий при их облучении, для дезинфекции, а также для обнаружения скрытых дефектов изделий.

В медицине ИК-лучи применяют для лечения и профилактики многих разнотипных заболеваний.

На основе фотокатодов, чувствительных к ИК-излучению (для длины волны меньше 1,3 мкм), созданы специальные приборы - электроннооптические преобразователи, в которых невидимое глазом инфракрасное изображение объекта на фотокатоде преобразуется в видимое. На этом принципе построены различные приборы ночного видения (бинокли, прицелы и др.), позволяющие при облучении наблюдаемых объектов ИК-излучением от специальных источников, например, от ИК-диодов вести наблюдение или прицеливание в полной темноте.

Создание высокочувствительных приёмников ИК-излучения позволило построить специальные приборы - теплопеленгаторы для обнаружения и пеленгации объектов, температура которых выше температуры окружающего фона (нагретые трубы кораблей, двигатели самолётов, выхлопные трубы танков и др.), по их собственному тепловому ИК-излучению.

На принципе использования теплового излучения цели созданы также системы самонаведения на цель снарядов и ракет. Специальная оптическая система и приёмник ИК-излучения, расположенные в головной части ракеты, принимают ИК-излучение от цели, температура которой выше температуры окружающей среды (например, собственное ИК-излучение самолётов, кораблей, заводов, тепловых электростанций), а автоматическое следящее устройство, связанное с рулями, направляет ракету точно в цель.

Инфракрасные локаторы и дальномеры позволяют обнаруживать в темноте любые объекты и измерять расстояния до них.

Оптические квантовые генераторы, излучающие в инфракрасной области, используются также для наземной и космической связи.

В быту люди используют 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.

Также широко используется передача данных и дистанционное управление. Например, все пульты от телевизоров, музыкальных центров, кондиционеров, управляемых игрушек используют ИК-лучи.

Игра «найди красную шапочку»

Для игры необходимо подготовить следующий реквизит:

Три одинаковые вязаные шапочки с помпончиками;

В одну из шапочек незаметно для окружающих закрепляется ИК-диод, схема управления и миниатюрная батарейка, а внутренняя поверхность шапочки обтягивается красным бархатистым материалом.

Правила игры:

Ведущий вызывает на сцену трёх девочек и одного взрослого. Взрослый надевает девочкам шапочки так, чтобы ни окружающие и ни сами девочки не знали, кому досталась красная шапочка.

Девочки в шапочках выстраиваются лицом к зрителям.

Ведущий предлагает зрителям угадать, кто из трёх девочек - Красная Шапочка, а сам отправляется сделать фотографию всех трёх девочек.

Зрители начинают наугад называть имя то одной, то другой девочки. Ведущий прекращает спор зрителей и говорит: «А я знаю кто из девочек Красная Шапочка! Это - (называет Имя)!».

Ведущий предлагает девочкам снять шапочки, вывернуть их наизнанку и снова надеть.

Все зрители видят, что ведущий оказался прав.

Если в зале имеется монитор или видеопроектор, то ведущий демонстрирует зрителям фотоснимок девочек, который он сделал с помощью камеры смартфона. На снимке отчетливо видно свечение ИК-диода на шапочке названной им по имени девочки и зрители понимают как он «угадал Красную Шапочку».

Услышать невидимое

Мой дед, Малыгин Николай Александрович, показал мне один из своих приборов, которые он разрабатывал. Этот прибор называется «Анализатор загрязнения жидкостей», сокращенно АЗЖ. В настоящее время эти приборы используются при производстве и запуске наших ракет и космических кораблей, самолетов, на наших электростанциях и т.д.

В приборе АЗЖ используется инфракрасное излучение для обнаружения и подсчета мелких, невидимых глазом частичек загрязнений, находящихся в жидкостях. Оказывается, что эти частички, если их много, могут испортить механизмы ракеты или самолеты, и произойдет авария или катастрофа, а на электростанциях могут сгореть трансформаторы и целые города останутся без света. Прибор АЗЖ позволяет это обнаружить, вовремя устранить причину загрязнения и заменить грязную жидкость.

Устройство и принцип действия анализатора загрязнений жидкости

Фотоэлектрический анализатор загрязнения жидкостей АЗЖ-975 работает по принципу измерения инфракрасных потоков, рассеянных частицами загрязнений. Анализируемая жидкость прокачивается по измерительному каналу малого диаметра, с одной стороны которого установлен ИК-излучатель с оптической системой, а с другой - фотоприемник с оптической системой. Поскольку направление потока жидкости перпендикулярно оптической оси измерительной системы «излучатель-фотоприемник», то в месте их пересечения образуется измерительный объем. При наличии оптической неоднородности в измерительном объеме (например, механических примесей) происходит рассеяние излучения во всех направлениях. Измеряя с помощью фотоприемника интенсивность рассеянного излучения, можно получить информацию о параметрах частиц загрязнений.

Анализатор загрязнений жидкости состоит из фотоэлектрического датчика и блока электроники (БЭ).

Исследование чистоты питьевой воды с помощью анализатора загрязнений жидкости

Мы попробовали применить прибор АЗЖ для определения загрязнений в питьевой воде. На кухне у нас два крана - из одного мы моем посуду, а из другого, через фильтр, наливаем воду в чайник и в кастрюли для приготовления пищи.

Мы взяли пробы воды из каждого крана, подождали немного, пока из воды не вышли пузырьки воздуха. На вид обе пробы были совершенно прозрачные, вода казалась очень чистой.

Мы пропустили пробы через датчик прибора. На дисплее появились разные цифры, в которых мне было трудно сразу разобраться.

Так как мне очень нравиться слушать музыку и самому петь песни, я спросил у деда, нельзя ли сделать так, чтобы прибор озвучил как-то чистоту жидкости. Идея понравилась, и мы вместе придумали, как подключить прибор к усилителю и звуковым колонкам, которые стояли у нас дома.

Снова взяли пробы воды из двух кранов и поочерёдно пропустили их через датчик. При контроле фильтрованной воды звук в колонках был тихий, а при контроле воды из обычного крана раздался очень громкий звук похожий на треск. Так мы смогли услышать невидимые глазом частички загрязнений, которых в воде после фильтра было значительно меньше!

Во время экспериментов обнаружилось значительное увеличение громкости звука при погружении в пробу воды пальцев рук. Это «звучит» грязь, смываемая водой с поверхности кожи, что демонстрирует эффективность мытья рук.

Сейчас мы продумываем другие опыты по контролю чистоты минеральной воды из пластиковой и стеклянной посуды, сравниваем эффективность различных моющих средств и планируем сделать небольшой прибор для бытового применения со звуковой и световой индикацией.

Заключение

В работе рассмотрены источники инфракрасного излучения, их свойства, влияние на человека и применение их в технике и быту человека.

Разработана игра (с применением инфракрасного диода) «Найди Красную Шапочку», в которой демонстрируется возможность обнаружить невидимый глазом источник ИК-излучения.

Предложен способ услышать сигналы от источника ИК-излучения, мимо которого проходят частицы загрязнений, находящихся в воде. Удалось в доступной форме, «на слух» продемонстрировать эффективность очистки фильтром питьевой воды из домашнего водопровода, а также послушать как «звучит» грязь, смываемая водой с поверхности кожи рук.

В дальнейших исследованиях предлагается провести контроль чистоты минеральной воды из пластиковой и стеклянной посуды, сравнить эффективность различных моющих средств, а также разработать и изготовить макет небольшого устройства для бытового применения со звуковой и световой индикацией.

Библиографическая ссылка

Ермаков А. ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ТЕХНИКЕ И БЫТУ // Старт в науке. – 2017. – № 1. – С. 119-123;
URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id=557 (дата обращения: 11.12.2019).

Теория инфракрасного излучения

Все многообразие изл учений, исходящих от Солнца, имеет единую природу — это электромагнитные волны. Разнообразие в их свойствах вызвано отличиями в длине волны. Видимая часть спектра солнечного излучения начинается с самых коротких — фиолетовых волн (0,38 мкм) и завершается самыми длинными волнами (0,76 мкм), которые человеческий глаз воспринимает, как красный цвет.

Немецкий учёный Уильям Гершель в 1800 году обнаружил за красной частью спектра некие невидимые лучи, вызывающее значительное повышение температуры термометра, используемого им для исследования. Это излучение было названо — инфракрасным.

Каково влияние инфракрасного излучения на организм человека? Давайте это выясним.

Что такое инфракрасное излучение

Излучение, примыкающее к красной части видимого спектра, не воспринимаемое нашими органами зрения, но обладающее способностью нагревать освещаемые поверхности, было названо инфракрасным. Приставка «инфра» означает «больше». В нашем случае — это электромагнитные лучи с длиной волны большей, чем у видимого красного света.

Что является источником инфракрасного излучения

Его естественным источником является Солнце. Диапазон инфракрасных лучей достаточно широк. Это волны с длиной от 7 и до 14 микрометра (мкм). Частичное поглощение и рассеяние инфракрасных лучей происходит в атмосфере Земли.

О масштабах инфракрасного солнечного излучения говорит тот факт, что на него приходится 58% всего спектра электромагнитных волн, исходящих от нашего светила.

Такой, достаточно широкий диапазон ИК лучей делят на три части:

длинные волны, излучаемые нагревателем с температурой от 35 до 300 °C;

средние — от 300 до 700 °C;

короткие — более 700 °C.

Все они излучаются возбуждёнными атомами (т. е. обладающими избыточной энергией), а также ионами вещества. Источником ИК излучения являются все тела, если их температура выше абсолютного нуля (минус 273 °C).

Итак, в зависимости от температуры излучателя формируются ИК лучи разной длины волны, интенсивности и проникающей способности. А от этого и зависит, как инфракрасное излучение воздействует на живой организм.

Польза и вред ИК излучения для здоровья человека

Ответить на вопрос — вредно ли для человека инфракрасное излучение, можно, вооружившись некоторыми сведениями.

Длинноволновые ИК лучи, попадая на кожу, воздействует на нервные рецепторы, вызывая ощущение тепла. Поэтому инфракрасное излучение ещё называют тепловым.

Более 90% этого излучения поглощается влагой, содержащейся в верхних слоях кожи. Оно вызывает лишь повышение температуру кожного покрова. Медицинские исследования показали, что длинноволновое излучение не только безопасно для человека, но и повышает иммунитет, запускает механизм регенерации и оздоровления многих органов и систем. Особенно эффективными в этом отношении являются ИК лучи с длиной волны 9,6 мкм. Этими обстоятельствами обусловлено применение инфракрасного излучения в медицине.

Совсем иной механизм воздействия инфракрасных лучей на организм человека, относящегося коротковолновой части спектра. Они способны проникнуть на глубину нескольких сантиметров, вызывая нагревание внутренних органов.

В месте облучения из-за расширения капилляров может появиться покраснение кожи, вплоть до образования волдырей. Особенно опасны короткие ИК лучи для органов зрения. Они могут спровоцировать образования катаракты, нарушения водно-солевого баланса, появления судорог.

Причиной известного эффекта теплового удара служит именно коротковолновое ИК излучение. Повышение температуры головного мозга на 1 °C уже вызывает его признаки:

головокружение;

тошноту;

учащение пульса;

потемнение в глазах.

Перегревание на 2 °C может спровоцировать развитие менингита.

Теперь разберёмся с понятием интенсивности электромагнитного излучения. Этот фактор зависит от расстояния до источника тепла и его температуры. Длинноволновое тепловое излучение малой интенсивности играет важную роль для развития жизни на планете. Человеческий организм нуждается в постоянной подпитке этими длинами волн.

Таким образом, вред и польза инфракрасного излучения определяется длиной волны и временем воздействия.

Как избежать вредного воздействия ИК лучей

Обогреватели — источники ИК излучения.

Поскольку мы определились, что негативное влияние на человеческий организм оказывает коротковолновое ИК излучение , выясним, где нас может подстерегать эта опасность. Прежде всего это тела с температурой, превышающей 100 °C . Такими, могут явиться следующие. Производственные источники лучистой энергии (сталеплавильные, электродуговые печи и пр.) Снижение опасности их воздействия достигается специальной защитной одеждой, теплозащитными экранами, применением более новых технологий, а также лечебно-профилактическими мероприятиями для обслуживающего персонала.

Обогреватели. Самым надёжным и проверенным из них является русская печь. Излучаемое ею тепло не только чрезвычайно приятно, но и целебно. К великому сожалению эта деталь быта почти полностью канула в Лету. На смену ей пришли все возможные электрические обогреватели, водяные инфракрасные панели и тд . Те из них, чья тепловыделяющая поверхность защищена теплоизолирующим материалом или температура поверхности излучения ниже 100 °C , излучают мягкое длинноволновое излучение. Оно оказывает благотворное влияние на организм. Обогреватели с поверхностью излучения выше 100 °C излучают жёсткое, коротковолновое излучение, которое и может привести к описанным выше негативным последствиям. В техническом паспорте обогревателя производитель обязан указать характер излучения этого прибора.

Коротковолновый обогреватель.

Если же вы стали обладателем коротковолнового обогревателя, соблюдайте правило — чем ближе обогреватель, тем меньшим должно быть время его воздействия!!!

Во все времена инфракрасное излучение окружало человека. До наступления технологического прогресса лучи солнца обеспечивали влияние на человеческий организм, а с появлением бытовой техники, инфракрасное излучение оказывает воздействие и в домашних условиях. Терапевтическое прогревание тканей организма с успехом используется в медицине для физиотерапевтического лечения различных патологий.

Свойства инфракрасного излучения были давно изучены учеными физиками и направлены на получение максимальной выгоды и пользы для человека. Все параметры вредного воздействия были учтены и рекомендованы способы защиты для сохранения здоровья человека.

Инфракрасные лучи: что это?

Невидимое электромагнитное излучение, обеспечивающее сильный тепловой эффект, называется инфракрасным. Длина лучей составляет от 0,74 до 2000 мкм, что находится между микроволновым радиоизлучением и видимыми красными лучами, которые являются самыми длинными в спектре солнца.

Еще в 1800 году астроном из Великобритании Уильям Гершель открыл электромагнитное излучение. Случилось это во время изучения лучей солнца: ученый заметил значительное нагревание приборов и смог дифференцировать невидимое излучение.

У инфракрасного излучения есть второе название – «тепловое». От предметов, способных поддерживать температуру, исходит тепло. Короткие инфракрасные волны греют сильнее, а если тепло ощущается слабое, значит, от поверхности исходят волны с дальним диапазоном. Длина волны инфракрасного излучения бывает трех видов:

• короткая или ближняя до 2,5 мкм;
• средняя не более 50 мкм;
• длинная или дальняя 50–2000 мкм.

Любое тело, которое предварительно нагрелось, испускает инфракрасные лучи, выделяя при этом тепловую энергию. Самым известным природным источником тепла является солнце, а к искусственным можно отнести электрические лампы, бытовую технику, радиаторы, при работе которых выделяется тепло.

Где применяется инфракрасное излучение?

Каждое новое открытие находит свое применение, с извлечением наибольшей пользы для человечества. Открытие инфракрасных лучей помогло справиться со многими проблемами в разных областях от медицины до производственных масштабов.

Самые известные области, где используются свойства невидимых лучей:

1. С помощью специальных приборов, тепловизоров, можно обнаружить объект на удаленном расстоянии, используя свойства инфракрасного излучения. Любой предмет, способный удерживать температуру на своей поверхности, тем самым обладая выделением инфракрасных лучей. Термографическая камера распознает тепловые лучи и создает точное изображение обнаруживаемого предмета. Данное свойство может использоваться в промышленности и в военной практике.
2. Для проведения процедуры слежения в военной практике применяются приборы с датчиками, способными определять цель, которая излучает тепло. Кроме того, передается что именно находится в ближайшем окружении, чтобы правильно рассчитать не только траекторию, но и силу удара, чаще всего ракеты.
3. Активная отдача тепла вместе с лучами применяется в бытовых условиях, используя полезные свойства для обогрева помещения в холодное время года. Радиаторы изготавливаются из металла, который способен передать наибольшее количество тепловой энергии. Такое же действие и у обогревателей. Некоторые бытовые приборы: телевизоры, пылесосы, печи, утюги обладают теми же свойствами.
4. В промышленности процесс сварки пластмассовых изделий, отжиг осуществляется при помощи инфракрасного излучения.
5. Инфракрасное облучение применяется в медицинской практике для лечения теплом некоторых патологий, а также для обеззараживания воздуха в помещении с помощью кварцевых ламп.
6. Составление метеорологических карт невозможно без специальных приборов с датчиками теплового обнаружения, которые с легкостью определяют движение теплого и холодного воздуха.
7. Для астрономических исследований изготавливаются специальные телескопы, чувствительные к инфракрасным лучам, которым под силу обнаружить космические предметы с разной температурой на поверхности.
8. В пищевой промышленности для термической обработки круп.
9. Для проверки денежных купюр используется приборы с инфракрасным излучением, при свете которых можно распознать фальшивые банкноты.

Влияние инфракрасного излучения на организм человека неоднозначно. Разная длина волны способна запустить непредсказуемые реакции. Особенно внимательно нужно относиться к солнечному теплу, которое может нанести вред и стать провоцирующим фактором для запуска негативных патологических процессов в клетках.

Лучи с длинными волнами попадают на кожу и активируют тепловые рецепторы, передавая им приятное тепло. Именно данный диапазон частот активно используется для лечебного воздействия в медицине. Большая часть тепла адсорбируется кожей, попадая на ее поверхность. Слабое воздействие гарантирует приятный нагрев поверхности кожи, не затрагивая внутренних органов.

Волны с длиной волны 9,6 мкм способствуют обновлению эпидермиса, укрепляют иммунитет, оздоравливает организм. Физиотерапия основана на использовании длинных инфракрасных волн, запуская следующие процессы:

• улучшается кровообращение при расслаблении гладкой мускулатуры после передачи информации в гипоталамус при воздействии на поверхностный слой кожи;
• нормализуется кровяное давление после расширения сосудов;
• клетки организма в большей степени снабжаются питательными веществами и кислородом, что улучшает общее состояние;
• биохимические реакции протекают быстрее, что влияет на процесс обмена веществ;
• улучшается иммунитет и повышается сопротивляемость организма к патогенным микроорганизмам;
• ускорение метаболизма помогает вывести токсические вещества и уменьшить зашлакованность.

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.

Грозное осложнение, связанное с нарушением терморегуляции, возникает, если частота воздействия инфракрасного излучения продолжается длительно. Если человеку не оказать своевременную помощь, клетки головного мозга видоизменяются, а деятельность кровеносной системы угнетается.

Список мероприятий в первые минуты после проявления тревожных симптомов:

1. Устранить от пострадавшего источник инфракрасного излучения: перенести человека в тень или в место, отдаленное от источника вредного тепла.
2. Расстегнуть или снять одежду, мешающую глубокому свободному дыханию.
3. Открыть окно для беспрепятственного прохождения свежего воздуха.
4. Обтереть прохладной водой или обернуть в мокрую простыню.
5. На места, где находятся крупные артерии (височная, паховая область, лоб, подмышечные впадины) положить холод.
6. Если человек находится в сознании, нужно дать выпить прохладной чистой воды, эта мера снизит температуру тела.
7. При потере сознания следует провести реанимационный комплекс, состоящий из искусственного дыхания и непрямого массажа сердца.
8. Вызвать бригаду скорой помощи для получения квалифицированной медицинской помощи.

Показания

Для лечебных целей в медицинской практике широко применяется использование длинной тепловой волны. Список заболеваний достаточно велик:

• повышенное артериальное давление;
• болевой синдром;
• поможет убрать лишние килограммы;
• заболевания желудка и двенадцатиперстной кишки;
• депрессивные состояния;
• респираторные заболевания;
• кожные патологии;
• ринит, неосложненный отит.

Противопоказания к применению инфракрасного излучения

Польза инфракрасного излучения ценна для человека при отсутствии патологий или отдельных симптомов, при которых недопустимо воздействие инфракрасных лучей:

• системные заболевания крови, склонность к частым кровотечениям;
• острые и хронические воспалительные заболевания;
• наличие гнойной инфекции в организме;
• злокачественные новообразования;
• сердечная недостаточность в стадии декомпенсации;
• беременность;
• эпилепсия и другие тяжелые неврологические расстройства;
• детский возраст до трех лет.

Меры защиты от вредных лучей

В зону риска получить коротковолновое инфракрасное излучение входят любители долго проводить время под палящим солнцем, рабочие цехов, где применяются свойства тепловых лучей. Чтобы обезопасить себя, необходимо соблюдать простые рекомендации:

1. Любителям красивого загара сократить время пребывания на солнце, перед выходом на улицу открытые участки кожи смазывать защитным кремом.
2. Если рядом находится источник сильного тепла, уменьшить интенсивность нагревания.
3. При работе в цехах с высокой температурой, работники должны быть снабжены средствами личной защиты: специальная одежда, головные уборы.
4. Время пребывания в помещениях с высокой температурой должно быть строго регламентировано.
5. При проведении процедур надевать защитные очки для сохранения здоровья глаз.
6. В комнатах устанавливать только качественную бытовую технику.

Различные виды излучений окружают человека на улице и в помещениях. Осведомленность о возможных негативных последствиях поможет сохранить здоровье в будущем. Ценность инфракрасного излучения неоспорима для улучшения жизнедеятельности человека, но существует и патологическое влияние, которое нужно ликвидировать, соблюдая нехитрые рекомендации.