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.

Ионизирующее Реликтовое Магнито-дрейфовое Двухфотонное Спонтанное Вынужденное

Инфракра́сное излуче́ние - электромагнитное излучение , занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1-2 мм).

Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приемниками, а также специальными фотоматериалами .

Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

• коротковолновая область: λ = 0,74-2,5 мкм;
• средневолновая область: λ = 2,5-50 мкм;
• длинноволновая область: λ = 50-2000 мкм;

Последнее время длинноволновую окраину этого диапазона выделяют в отдельный, независимый диапазон электромагнитных волн - терагерцовое излучение (субмиллиметровое излучение).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым » излучением, так как инфракрасное 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. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

История открытия и общая характеристика

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем . Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.

Ранее лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскаленные тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней инфракрасной-области (до ~1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и фоторезисторы . Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами - детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением .

ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решетки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте .

Поскольку инфракрасные спектры связаны с вращательными и колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а также о зонной структуре кристаллов .

Применение

Медицина

Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии .

Дистанционное управление

Инфракрасные диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления , системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах (инфракрасный порт) и т. п. Инфракрасные лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости.

Интересно, что инфракрасное излучение бытового пульта дистанционного управления легко фиксируется с помощью цифрового фотоаппарата .

При покраске

Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это, безусловно, экономический эффект. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке меньше тех же показателей при традиционных методах.

Стерилизация пищевых продуктов

С помощью инфракрасного излучения стерилизируют пищевые продукты с целью дезинфекции.

Антикоррозийное средство

Инфракрасные лучи применяются с целью предотвращения коррозии поверхностей, покрываемых лаком.

Пищевая промышленность

Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа, мука и т. п. на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах (крахмал , белок , липиды). Конвейерные сушильные транспортёры с успехом могут использоваться при закладке зерна в зернохранилища и в мукомольной промышленности.

Кроме того, инфракрасное излучение повсеместно применяют для обогрева помещений и уличных пространств. Инфракрасные обогреватели используются для организации дополнительного или основного отопления в помещениях (домах, квартирах, офисах и т. п.), а также для локального обогрева уличного пространства (уличные кафе, беседки, веранды).

Недостатком же является существенно большая неравномерность нагрева, что в ряде технологических процессов совершенно неприемлемо.

Проверка денег на подлинность

Инфракрасный излучатель применяется в приборах для проверки денег. Нанесенные на купюру как один из защитных элементов, специальные метамерные краски возможно увидеть исключительно в инфракрасном диапазоне. Инфракрасные детекторы валют являются самыми безошибочными приборами для проверки денег на подлинность. Нанесение на купюру инфракрасных меток, в отличие от ультрафиолетовых, фальшивомонетчикам обходится дорого и соответственно экономически невыгодно. Потому детекторы банкнот со встроенным ИК излучателем, на сегодняшний день, являются самой надежной защитой от подделок.

Опасность для здоровья

Сильное инфракрасное излучение в местах высокого нагрева может вызывать опасность для глаз. Наиболее опасно, когда излучение не сопровождается видимым светом. В таких местах необходимо надевать специальные защитные очки для глаз.

См. также

Другие способы теплопередачи

Способы регистрации (записи) ИК-спектров.

Примечания

Ссылки

Электромагнитный спектр
γ-излучение | рентген | УФ | видимый свет | ИК | терагерцевое излучение | микроволны | радиоволны
Видимый спектр	фиолетовый | синий | голубой | зелёный | жёлтый | оранжевый | красный
Микроволны	W | V | Q | K a | | K u | | | |
Радиоволны	КВЧ/EHF |

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 (ИК-излучение, ИК-лучи), электромагнитное излучение с длинами волн λ от около 0,74 мкм до около 1-2 мм, то есть излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого излучения и коротковолновым (субмиллиметровым) радиоизлучением. Инфракрасное излучение относится к оптическому излучению, однако в отличие от видимого излучения оно не воспринимается человеческим глазом. Взаимодействуя с поверхностью тел, оно нагревает их, поэтому часто его называют тепловым излучением. Условно область инфракрасного излучения разделяют на ближнюю (λ = 0,74-2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и далёкую (50-2000 мкм). Инфракрасное излучение открыто У. Гершелем (1800) и независимо У. Волластоном (1802).

Спектры инфракрасного излучения могут быть линейчатыми (атомные спектры), непрерывными (спектры конденсированных сред) или полосатыми (молекулярные спектры). Оптические свойства (коэффициенты пропускания, отражения, преломления и т.п.) веществ в инфракрасном излучении, как правило, значительно отличаются от соответствующих свойств в видимом или ультрафиолетовом излучении. Многие вещества, прозрачные для видимого света, непрозрачны для инфракрасного излучения определённых длин волн, и наоборот. Так, слой воды толщиной в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ > 1 мкм, поэтому вода часто используется в качестве теплозащитного фильтра. Пластинки из Ge и Si, непрозрачные для видимого излучения, прозрачны для инфракрасного излучения определённых длин волн, чёрная бумага прозрачна в далёкой ИК-области (такие вещества используют в качестве светофильтров при выделении инфракрасного излучения).

Отражательная способность большинства металлов в инфракрасном излучении значительно выше, чем в видимом излучении, и возрастает с увеличением длины волны (смотри Металлооптика). Так, отражение поверхностей Al, Au, Ag, Cu инфракрасного излучения с λ = 10 мкм достигает 98%. Жидкие и твёрдые неметаллические вещества обладают селективным (зависящим от длины волны) отражением инфракрасного излучения, положение максимумов которого зависит от их химического состава.

Проходя через земную атмосферу, инфракрасное излучение ослабляется вследствие рассеяния и поглощения атомами и молекулами воздуха. Азот и кислород не поглощают инфракрасное излучение и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое для инфракрасного излучения значительно меньше, чем для видимого света. Молекулы Н 2 О, О 2 , О 3 и др., присутствующие в атмосфере, селективно (избирательно) поглощают инфракрасное излучение, причём особенно сильно поглощают инфракрасное излучение пары воды. Полосы поглощения Н 2 О наблюдаются во всей ИК-области спектра, а полосы СО 2 - в её средней части. В приземных слоях атмосферы имеется лишь небольшое число «окон прозрачности» для инфракрасного излучения. Наличие в атмосфере частиц дыма, пыли, мелких капель воды приводит к дополнительному ослаблению инфракрасного излучения в результате его рассеяния на этих частицах. При малых размерах частиц инфракрасное излучение рассеивается меньше, чем видимое излучение, что используют в ИК-фотографии.

Источники инфракрасного излучения. Мощный естественный источник инфракрасного излучения - Солнце, около 50% его излучения лежит в ИК-области. На инфракрасное излучение приходится от 70 до 80% энергии излучения ламп накаливания; его испускают электрическая дуга и различные газоразрядные лампы, все типы электрических обогревателей помещений. В научных исследованиях источниками инфракрасного излучения служат ленточные вольфрамовые лампы, штифт Нернста, глобар, ртутные лампы высокого давления и др. Излучение некоторых типов лазеров также лежит в ИК-области спектра (например, длина волны излучения лазеров на неодимовом стекле составляет 1,06 мкм, гелий-неоновых лазеров - 1,15 и 3,39 мкм, СО 2 -лазеров - 10,6 мкм).

Приёмники инфракрасного излучения основаны на преобразовании энергии излучения в другие виды энергии, доступные для измерения. В тепловых приёмниках поглощённое инфракрасное излучение вызывает повышение температуры термочувствительного элемента, которое и регистрируется. В фотоэлектрических приёмниках поглощение инфракрасного излучения приводит к появлению или изменению силы электрического тока или напряжения. Фотоэлектрические приёмники (в отличие от тепловых) селективны, то есть чувствительны лишь к излучению определённой области спектра. Фоторегистрация инфракрасного излучения осуществляется с помощью специальных фотоэмульсий, однако они чувствительны к нему только для длин волн до 1,2 мкм.

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

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

Лит.: Шрайбер Г. Инфракрасные лучи в электронике. М., 2003; Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М., 2004.

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).