На пищевые продукты можно воздействовать несколькими видами электрофизического воздействия. Сюда относится электрический ток, электрический импульс, сверхвысокая частота, ультрафиолет и некоторые другие, среди которых и инфракрасное излучение.
С помощью воздействия на продукты инфракрасным излучением можно проводить следующие технологические процессы: нагрев, обжарку, выпечку, сушку и другие. При воздействии на материал , а точнее, его поток, превращается в тепло. На способность продуктов к поглощению инфракрасного излучения влияют два фактора - это длина волны, которая воздействует на продукт и оптические свойства самого продукта. Длина волны может иметь значение от 0,76 до 750 мкм. В зависимости от длины волны существует три группы диапазонов ее излучения.
1) Коротковолновый. Длина волны составляет от 0,76мкм до 2,5 мкм.
2) Средневолновый. Длина волны составляет от 2,5 до 25 мкм.
3) Длинноволновый. Длина волны составляет от 25 до 750 мкм.
Существует также и ряд коэффициентов, характеризующих процесс взаимодействия вещества с энергией, воздействующей на него. Это коэффициент отражения, коэффициент поглощения и пропускания. При воздействии на пищевые продукты тепловой обработкой их поверхность изменяет свою структуру, цвет и т. п., т. е. не остается постоянной.
Источники инфракрасного излучения делятся на светлые и темные, в зависимости от того, какую длину волны они излучают. Светлые излучатели имеют в своем спектре область видимого света. Границей между темными и светлыми излучателями является длина волны равная 3 мкм и более.
К светлым источникам инфракрасного излучения относятся следующие виды излучателей: электрические и газовые.
Основным элементом электрических излучателей является проволока, состоящая из нихрома или вольфрама. Чаще всего ее изготавливают в виде спирали.
Рассмотрим некоторые виды электрических излучателей подробнее.
Зеркальная лампа представляет собой колбу из стекла, в центр ее помещают вольфрамовую нить. Мощность такой лампы может составлять 250 - 500 Вт, спектр излучения лежит в диапазоне от 0.8 до 6мкм. Они способны производить прогрев продуктов до 240 С. Установку их производят на 15 см от поверхности продуктов. Этот вид электрических излучателей достаточно хрупок.
Трубчатая кварцевая лампа имеет внутри вольфрамовую спираль, вывод у нее молибденовый. Мощность составляет 920 - 1000 Вт. Максимальная длина волны 1 мкм. Для того чтобы как можно больше уменьшить процесс испарения вольфрама на внутреннюю поверхность трубки, в нее закачивают инертный газ. Эти лампы безынерционные.
Открытые и закрытые . Их основным элементом является нихромовая спираль. Длина волны составляет 2.4 мкм и 2.5 мкм соответственно.
Применение кварцевых стеклянных трубок в качестве ИК-излучателей в пищевой промышленности запр ещено гигиеническими требованиями , т.к. их можно легко разбить в процессе эксплуатации оборудования.
Также к электрическим инфракрасным излучателям относятся и ТЭНы. Излучаемая длина волны составляет 2.5 мкм.
Газовые инфракрасные излучатели, как понятно из их названия, работают на газе, это может быть как природный, так и сжиженный газ.
То, какой инфракрасный источник потребуется для обработки того или иного продукта, будет зависеть от: спектральных характеристик самого продукта, того насколько интенсивно будет подводиться тепло и от коэффициента полезного действия аппарата.
Ежедневно человек находится под влиянием инфракрасного излучения и естественным его источником является солнце. Элементы накаливания и разные электронагревательные приборы относят к неестественным производным . Данная радиация применяется в системах отопления, инфракрасных лампах, обогревательных устройствах, пультах к телевизору, медицинском оборудовании. Поэтому всегда необходимо знать, какая польза и вред инфракрасного излучения для человека.
Инфракрасное излучение: что это
Именно длинноволновая энергия обладает положительными свойствами, соответствуя природному излучению человеческого тела с наибольшей длиной волны в 9,6 мкм. Поэтому каждое внешнее воздействие тело воспринимает как «родное». Самым лучшим примером ультракрасного излучения является тепло Солнца. Такой луч имеет отличие в том, что он нагревает объект, а не пространство вокруг него. Инфракрасное излучение – это вариант раздачи тепла .
Польза инфракрасного излучения
Приборы, в которых используется длинноволновое тепловое излучение, воздействуют двумя разными способами на человеческий организм. Первый метод обладает укрепляющим свойством, повышая защитные функции и предотвращая раннее старение. Этот тип позволяет справиться с разными заболеваниями, повышая природную защиту организма к недугам. Это одна из форм лечения, которая основывается на поддержании здоровья и подходит для применения в домашних условиях и медицинских учреждениях.
Второй вид влияния ультракрасных лучей заключается в прямом лечении заболеваний и общих недомоганий. Ежедневно человек сталкивается с расстройствами, связанными со здоровьем. Поэтому длинные излучатели обладают терапевтическим свойством. Во многих лечебных заведениях Америки, Канады, Японии, странах СНГ и Европы применяется такое излучение. Волны способны глубоко проникать в тело, прогревая внутренние органы и костную систему. Эти эффекты способствуют улучшению кровообращения и ускорению потоку жидкостей в организме.
Повышенная циркуляция крови благотворно влияет на метаболизм человека, ткани насыщаются кислородом, а мышечная система получает питание
. Многие болезни можно устранить регулярным воздействием излучения, проникающего глубоко в человеческое тело. Такая длина волны избавит от таких недугов, как:
- повышенное или пониженное давление;
- болевые ощущения в области спины;
- лишний вес, ожирение;
- заболевания сердечно-сосудистой системы;
- депрессивное состояние, стресс;
- нарушения работы пищеварительного тракта;
- артрит, ревматизм, невралгия;
- артроз, воспаление суставов, судороги;
- недомогание, слабость, истощение;
- бронхит, астма, воспаление легких;
- расстройство сна, бессонница;
- мышечные и поясничные боли;
- проблемы с кровоснабжением, циркуляцией крови;
- оториноларингологические заболевания без гнойных отложений;
- недуги кожных покровов, ожоги, целлюлит;
- почечная недостаточность;
- простудные и вирусные недуги;
- снижение защитной функции организма;
- интоксикация;
- цистит и простатит обостренной формы;
- холецистит без образования камней, гастродуоденит.
Положительное влияние излучения основывается на том, что когда волна попадает на кожный покров, она действует на окончания нервов и возникает ощущение тепла . Свыше 90% радиации уничтожается влагой, находящейся в верхнем слое кожи, она не вызывает ничего больше чем повышения температуры тела. Спектр воздействия, длина которого составляет 9,6 мкм, абсолютно безопасен для человека.
Излучение стимулирует кровообращение, приводя в норму кровяное давление и обменные процессы. При снабжении мозговых тканей кислородом снижается риск появления головокружения и улучшается память. Ультракрасный луч способен вывести соли тяжелых металлов, холестерин и токсины. Во время терапии у больного повышается иммунитет, нормализуется гормональный фон и восстанавливается водно-солевой баланс. Волны снижают действие разных ядовитых химических веществ, обладают противовоспалительным свойством, подавляют образование грибков, включая плесневых.
Применение инфракрасного излучения
Ультракрасная энергия используется в разных областях, положительно влияя на человека:
- Термография. С помощью инфракрасного излучения определяется температура предметов, находящихся на расстоянии. В основном тепловые волны используются в военных и промышленных сферах. Нагретые объекты с таким прибором можно увидеть без освещения.
- Обогрев. Ультракрасные лучи способствуют повышению температуры, благотворно сказываясь на человеческом здоровье . Помимо полезных инфракрасных саун, их применяют для сварки, отжига пластмассовых предметов, отверждения поверхностей в промышленной и медицинской сфере.
- Слежение. Этот способ использования тепловой энергии заключается в пассивном наведении ракет. В этих летательных элементах внутри находится механизм, называемый «тепловым искателем». Машины, самолеты и другой транспорт, а также люди излучают тепло, помогая ракетам найти правильное направление полета.
- Метеорология. Излучение помогает спутникам определиться с расстоянием, на котором находятся облака, определяет их температуру и вид . Теплые облака показываются серым цветом, а холодные – белым. Данные изучаются без помех как днем, так и ночью. Земная горячая плоскость будет обозначена серым или черным цветом.
- Астрономия. Астрономы оснащены уникальными приборами – инфракрасными телескопами, позволяющими наблюдать за разными объектами в небе. Благодаря им ученые способны найти протозвезды до того, как они начнут излучать свет, видимый человеческому глазу. Такой телескоп с легкостью определит холодные объекты, но в просматриваемом инфракрасном спектре нельзя увидеть планеты из-за заглушающего света от звезд. Также устройство используется для наблюдения за ядрами галактик, которые закрывает газ и пыль.
- Искусство. Рефлектограммы, которые работают на основе инфракрасного излучения, помогают специалистам в этой сфере детальнее рассмотреть нижние слои предмета или наброски художника. Этот метод позволяет сопоставить чертежи рисунка и его видимую часть для выяснения подлинности картины, и была ли она на реставрации. Ранее устройство приспосабливалось для изучения старых документов в письменном виде и изготовления чернил.
Это лишь основные методы использования тепловой энергии в науке, но ежегодно появляется новое оборудование, работающее на его основе.
Вред инфракрасного излучения
Инфракрасный свет приносит не только положительное действие на человеческий организм, стоит помнить о вреде, который он может нанести при неправильном применении и быть опасными для окружающих. Именно ИК-диапазоны с короткой длиной волны негативно воздействуют . Плохое влияние инфракрасного излучения на организм человека проявляется в виде воспаления нижних слоев кожи, расширенных капилляров и образования волдырей.
От использования ИК-лучей необходимо сразу отказаться при таких болезнях и симптомах:
- заболевания кровеносной системы, кровотечения;
- хроническая или острая форма гнойных процессов;
- беременность и лактация;
- злокачественные опухоли;
- легочная и сердечная недостаточность;
- острые воспаления;
- эпилепсия;
- при продолжительном влиянии ИК-излучения повышается риск развития светобоязни, катаракты и других заболеваний глаз.
Сильное воздействие инфракрасной радиации приводит к покраснению кожи и возникновению ожога. У рабочих в сфере металлургии иногда наблюдается развитие теплового удара и дерматита. Чем меньше расстояние пользователя к обогревательному элементу, тем меньше времени он должен проводить возле устройства. Перегревание тканей мозга на один градус и тепловой удар сопровождается такими симптомами, как тошнота, головокружение, тахикардия, потемнение в глазах. При повышении температуры на два и выше градуса существует риск развития менингита.
Если под воздействием инфракрасного излучения случился тепловой удар, следует незамедлительно поместить пострадавшего в прохладном помещении и снять с него всю одежду, которая сжимать или стесняет движения. Повязки, смоченные в холодной воде, или мешочки со льдом прикладываются на область груди, шеи, паха, лба, позвоночника и подмышек.
При отсутствии мешочка для льда, можно использовать для этих целей любую ткань или предмет одежды. Компрессы делаются лишь с очень холодной водой, периодически смачивая в ней повязки.
При возможности человек полностью оборачивается холодной простыней. Дополнительно можно обдувать больного потоком холодного воздуха, используя вентилятор. Обильное питье холодной воды поможет облегчить состояние пострадавшего. При тяжелых случаях облучения требуется вызвать скорую помощь и сделать искусственное дыхание.
Как избежать вредного влияния ИК-волн
Чтобы защитить себя от негативного воздействия тепловых волн, необходимо придерживаться некоторых правил:
- Если работа напрямую связана с высокотемпературными нагревателями, то требуется использование защитной одежды для оберегания тела и глаз .
- С особой осторожностью применяются бытовые обогреватели, у которых открытые нагревательные элементы. Нельзя находиться близко возле них и лучше сократить время их влияния к минимуму.
- В помещении должны располагаться такие устройства, которые наименее воздействуют на человека и его здоровье.
- Не стоит долго находиться под солнечными лучами . Если изменить это нельзя, то нужно постоянно носить головной убор и одежду, прикрывающую открытые участки тела. В особенности это относится к детям, которые не всегда могут определить повышение температуры тела.
При соблюдении этих правил человек сможет защититься от неприятных последствий чрезмерного теплового влияния. Инфракрасные лучи могут принести как вред, так и пользу при определенном их применении.
Методы лечения
Терапия с помощью инфракрасного цвета делится на два типа: местная и общая. При первом типе отмечается локальное воздействие на тот или иной участок, а при общем лечении волны обрабатывают весь организм человека. Процедура проводится два раза в день по 15-30 минут. Курс лечения составляет от 5 до 20 сеансов. Необходимо обязательно надевать защитные средства при излучении. Для глаз используются картонные накладки или специальные очки. После процедуры на коже появляется покраснение с размытыми границами, которое пропадает по истечении часа после воздействия лучей
. Инфракрасное излучение в медицине очень ценится.
Высокая интенсивность излучения может причинить вред здоровью, поэтому нужно следовать всем противопоказаниям.
Тепловая энергия ежедневно сопровождает человека в повседневной жизни. Инфракрасное излучение приносит не только пользу, но и вред . Поэтому требуется к ультракрасному свету относиться осторожно. Устройства, которые излучают эти волны, должны использоваться по правилам безопасности. Многие не знают, вредно ли тепловое воздействие, но при правильном применении приборов можно улучшить состояние здоровья человека и избавиться от тех или иных заболеваний.
1В 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).
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.
Из истории изучения инфракрасного излучения
Инфракрасное излучение или тепловое излучение не является открытием 20 или 21 века. Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем . Он обнаружил, что «максимум тепла» лежит за пределами красного цвета видимого излучения. Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения. Очень многие известные ученые приложили свои головы к изучению данного направления. Это такие имена как: немецкий физик Вильгельм Вин (закон Вина), немецкий физик Макс Планк (формула и постоянная Планка), шотландский ученый Джон Лесли (устройство измерения теплового излучения – куб Лесли), немецкий физик Густав Кирхгоф (закон излучения Кирхгофа), австрийский физик и математик Йозеф Стефан и австрийский физик Стефан Людвиг Больцман (закон Стефана-Больцмана).
Использование и применение знаний по тепловому излучению в современных отопительных устройствах вышло на передний план лишь в 1950-х годах. В СССР теория лучистого отопления разработана в трудах Г. Л. Поляка, С. Н. Шорина, М. И. Киссина, А. А. Сандера. С 1956 года в СССР было написано или переведено на русский язык множество технических книг по данной. В связи с изменением стоимости энергоресурсов и в борьбе за энергоэффективность и энергосбережение, современные инфракрасные обогреватели получили широкое применение в отоплении бытовых и промышленных зданий.
Солнечное излучение - природное инфракрасное излучение
Наиболее известным и значительным природным инфракрасным обогревателем является Солнце. По сути, это природный и самый совершенный метод обогрева, известный человечеству. В пределах Солнечной системы Солнце - это самый мощный источник теплового излучения, обусловливающий жизнь на Земле. При температуре поверхности Солнца порядка 6000К максимум излучения приходится на 0,47 мкм (соответствует желтовато-белому). Солнце находится на расстоянии многих миллионов километров от нас, однако, это не мешает ему передавать энергию через все это громадное пространство, практически не расходуя ее (энергию), не нагревая его (пространство). Причина в том, что солнечные инфракрасные лучи, проходят долгий путь в космосе, практически не имеют потерь энергии. Когда же на пути лучей встречается, какая-либо поверхность, их энергия, поглощаясь, превратится в тепло. Нагревается непосредственно Земля, на которую попадают солнечные лучи, и другие предметы, на которые так же попадают солнечные лучи. И уже земля и другие, нагретые Солнцем предметы, в свою очередь, отдают тепло окружающему нас воздуху, тем самым нагревая его.
От высоты Солнца над горизонтом самым существенным образом зависит как мощность солнечного излучения у земной поверхности, так и его спектральный состав. Различные составляющие солнечного спектра по-разному проходят через земную атмосферу. 
У поверхности Земли спектр солнечного излучения имеет более сложную форму, что связано с поглощением в атмосфере. В частности, в нем отсутствует высокочастотная часть ультрафиолетового излучения, губительная для живых организмов. На внешней границе земной атмосферы, поток лучистой энергии Солнца составляет 1370 Вт/м²
; (солнечная постоянная), а максимум излучения приходится на λ=470 нм
(синий цвет). Поток, достигающий земной поверхности, значительно меньше вследствие поглощения в атмосфере. При самых благоприятных условиях (солнце в зените) он не превышает 1120 Вт/м²
; (в Москве, в момент летнего солнцестояния - 930 Вт/м²
), а максимум излучения приходится на λ=555 нм
(зелено-желтый), что соответствует наилучшей чувствительности глаз и только четверть от этого излучения приходится на длинноволновую область излучения, включая вторичные излучения.
Однако, природа солнечной лучистой энергии весьма отлична от лучистой энергии, отдаваемой инфракрасными обогревателя, используемыми для обогрева помещений. Энергия солнечного излучения состоит из электромагнитных волн, физические и биологические свойства которых существенно отличаются от свойств электромагнитных волн, исходящих от обычных инфракрасных обогревателей, в частности, бактерицидные и лечебные (гелиотерапия) свойства солнечного излучения полностью отсутствуют у источников излучения с низкой температурой. И все же инфракрасные обогреватели дают тот же тепловой эффект , что и Солнце, являясь наиболее комфортными и экономичными из всех возможных источников тепла.
Природа возникновения инфракрасных лучей
Выдающийся немецкий физик Макс Планк
, изучая тепловое излучение (инфракрасное излучение), открыл его атомный характер. Тепловое излучение
- это электромагнитное излучение, испускаемое телами или веществами и возникающее за счет его внутренней энергии, обусловленное тем, что атомы тела или вещества под действием теплоты движутся быстрее, а в случае твердого материала быстрее колеблются по сравнению с состоянием равновесия. При этом движении атомы сталкиваются, а при их столкновении происходит их ударное возбуждение с последующим излучением электромагнитных волн. 
Все предметы непрерывно излучают и поглощают электромагнитную энергию
. Это излучение является следствием непрерывного движения элементарных заряженных частиц внутри вещества. Один из основных законов классической электромагнитной теории гласит, что движущаяся с ускорением заряженная частица излучает энергию. Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) это распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля, то есть изменяющийся во времени периодический электромагнитный сигнал в пространстве, состоящем из электрических и магнитных полей. Это и есть тепловое излучение. Тепловое излучение содержит электромагнитные поля различных длин волн. Поскольку атомы движутся при любой температуре, все тела при любой температуре, больше чем температура абсолютного нуля (-273°С)
, излучают тепло. Энергия электромагнитных волн теплового излучения, то есть сила излучения, зависит от температуры тела, его атомной и молекулярной структуры, а также от состояния поверхности тела. Тепловое излучение происходит по всем длинам волн - от самых коротких до предельно длинных, однако принимают во внимание лишь то тепловое излучение, имеющее практическое значение, которое приходится в диапазоне длин волн: λ = 0,38 – 1000 мкм
(в видимой и инфракрасной части электромагнитного спектра). Однако не всякий свет имеет особенности теплового излучения (на пример люминесценция), поэтому в качестве основного диапазона теплового излучения можно принять только диапазон инфракрасного спектра (λ = 0,78 – 1000 мкм)
. Еще можно сделать дополнение: участок с длиной волны λ = 100 – 1000 мкм
, с точки зрения отопления - не интересен.
Таким образом, тепловое излучение, представляет собой одну из форм электромагнитного излучения, возникающее за счёт внутренней энергии тела и имеющего сплошной спектр, то есть это часть электромагнитного излучения, энергия которого при поглощении вызывает тепловой эффект. Тепловое излучение присуще всем телам.
Все тела, имеющие температуру больше чем температура абсолютного нуля (-273°С), даже если они не светятся видимым светом, являются источником инфракрасных лучей и испускают непрерывный инфракрасный спектр. Это означает, что в излучении присутствуют волны со всеми без исключения частотами, и говорить об излучении на какой-либо определенной волне, совершенно бессмысленно.
Основные условные области инфракрасного излучения
На сегодня не существует единой классификации в разделении инфракрасного излучения на составляющие участки (области). В целевой технической литературе встречается более десятка схем деления области инфракрасного излучения на составляющие участки, и все они различаются между собой. Так как все виды теплового электромагнитного излучения имеют одинаковую природу, поэтому классификация излучения по длинам волн в зависимости от производимого ими эффекта носит лишь условный характер и определяются главным образом различиями в технике обнаружения (тип источника излучения, тип прибора учета, его чувствительность и т.п.) и в методике измерения излучения. Математически, с использованием формул (Планка, Вина, Ламберта и т.п.), так же нельзя определить точные границы областей. 
Для определения длины волны (максимума излучения) существуют две разные формулы (по температуре и по частоте), дающие различные результаты, с разницей примерно в 1,8
раз (это так называемый закон смещения Вина) и плюс к этому все расчеты делаются для АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА (идеализированного объекта), которых в реальности не существует. Реальные тела, встречающиеся в природе, не подчиняются этим законам и в той или иной степени от них отклоняются. Излучение реальных тел зависит от ряда конкретных характеристик тела (состояния поверхности, микроструктуры, толщины слоя и т. д.). Это так же является причиной указания в разных источниках совершенно разных величин границ областей излучения. Всё это говорит о том, что использовать температуру для описания электромагнитного излучения надо с большой осторожностью и с точностью до порядка. Еще раз подчеркиваю, деление весьма условное!!!
Приведем примеры условного деления инфракрасной области (λ = 0,78 – 1000 мкм) на отдельные участки (информация взята только из технической литературы российских и зарубежных ученых). На приведенном рисунке видно насколько разнообразно это деление, поэтому не стоит привязываться ни к одной из них. Просто нужно знать, что спектр инфракрасного излучения можно условно разбить на несколько участков, от 2-х до 5-и. Область, которая находится ближе в видимому спектру обычно называют: ближняя, близкая, коротковолновая и т.п.. Область, которая находится ближе к микроволновым излучениям - дальняя, далекая, длинноволновая и т.п. Если верить Википедии, то обычная схема деления выглядит так: Ближняя область (Near-infrared, NIR), Коротковолновая область (Short-wavelength infrared, SWIR), Средневолновая область (Mid-wavelength infrared, MWIR), Длинноволновая область (Long-wavelength infrared, LWIR), Дальняя область (Far-infrared, FIR).
Свойства инфракрасных лучей
Инфракрасные лучи - это электромагнитное излучение, имеющее ту же природу, что и видимый свет, поэтому оно так де подчиняется законам оптики. Поэтому, чтобы лучше себе представить процесс теплового излучения, следует проводить аналогию со световым излучением, которое нам всем известно и доступно наблюдению. Однако не надо забывать, что оптические свойства веществ (поглощение, отражение, прозрачность, преломление и т.п.) в инфракрасной области спектра, значительно отличаются от оптических свойств в видимой части спектра. Характерной особенностью инфракрасного излучения является то, что в отличие от других основных видов передачи теплоты здесь нет необходимости в передающем промежуточном веществе. Воздух и тем более вакуум считается прозрачным для инфракрасного излучения, хотя с воздухом это не совсем так. При прохождении инфракрасного излучения через атмосферу (воздух), наблюдается некоторое ослабление теплового излучения. Это обусловлено тем, что сухой и чистый воздух практически прозрачен для тепловых лучей, однако при наличии в нем влаги в виде пара, молекул воды (Н 2 О) , углекислого газа (СО 2) , озона (О 3) и других твердых или жидких взвешенных частиц, которые отражают и поглощают инфракрасные лучи, он становится не совсем прозрачной средой и в результате этого поток инфракрасного излучения рассеивается по разным направлениям и ослабевает. Обычно рассеяние в инфракрасной области спектра меньше, чем в видимой. Однако, когда потери, вызванные рассеянием в видимой области спектра, велики, и в инфракрасной области они также значительны. Интенсивность рассеянного излучения изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Оно существенно только в коротковолновой инфракрасной области и быстро уменьшается в более длинноволновой части спектра.
Молекулы азота и кислорода в воздухе не поглощают инфракрасное излучение, а ослабляют его лишь в результате рассеяния. Взвешенные частицы пыли так же приводят к рассеиванию инфракрасного излучения, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны инфракрасного излучения, чем больше частицы, тем больше рассеивание.
Пары воды, углекислый газ, озон и другие примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают инфракрасное излучение. Например, пары воды, очень сильно поглощают инфракрасное излучение во всей инфракрасной области спектра , а углекислый газ поглощает инфракрасное излучение в средней инфракрасной области.
Что касается жидкостей, то они могут быть как прозрачными, так и не прозрачными для инфракрасного излучения. Например, слой воды толщиной в несколько сантиметров прозрачен для видимого излучения и непрозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны более 1 мкм.
Твердые вещества (тела), в свою очередь, в большинстве случаев не прозрачны для теплового излучения , но бывают и исключения. Например, пластины кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной области, а кварц, наоборот, прозрачен для светового излучения, но непрозрачен для тепловых лучей с длиной волны более 4 мкм. Именно по этой причине кварцевые стекла не применяются в инфракрасных обогревателях. Обычное стекло, в отличие от кварцевого, частично прозрачно для инфракрасных лучей, оно так же может поглощать значительную часть инфракрасного излучения в определенных интервалах спектра, но за то не пропускает ультрафиолетовое излучение. Каменная соль, так же, прозрачна для теплового излучения. Металлы, в своем большинстве, имеют отражательную способность для инфракрасного излучения значительно больше, чем для видимого света, которая возрастает с увеличением длины волны инфракрасного излучения. Например, коэффициент отражения алюминия, золота, серебра и меди при длине волны около 10 мкм достигает 98% , что значительно выше, чем для видимого спектра, это свойство широко используется в конструкции инфракрасных обогревателей.
Достаточно привести здесь в качестве примера остекленные рамы парников: стекло практически пропускает большую часть солнечного излучения, а с другой стороны, разогретая земля излучает волны большой длины (порядка 10 мкм ), в отношении которых стекло ведет себя как непрозрачное тело. Благодаря этому внутри парников длительное время поддерживается температура, значительно более высокая, чем температура наружного воздуха, даже после того, как солнечное излучение прекращается.
Важную роль в жизни человека играет лучистый теплообмен. Человек отдает окружающей среде теплоту, вырабатываемую в ходе физиологического процесса, главным образом путем лучистого теплообмена и конвекции. При лучистом (инфракрасном) отоплении лучистая составляющая теплообмена тела человека сокращается из-за более высокой температуры, возникающей как на поверхности отопительного прибора, так и на поверхности некоторых внутренних ограждающих конструкций, поэтому при обеспечении одного и того же тепло ощущения конвективные теплопотери могут быть больше, т.е. температура воздуха в помещении может быть меньше.
Таким образом, лучистый теплообмен играет решающую роль в формировании ощущения теплового комфорта у человека.
При нахождении человека в зоне действия инфракрасного обогревателя, ИК лучи проникают в организм человека через кожу, при этом разные слои кожи по-разному отражают и поглощают данные лучи.
При инфракрасном длинноволновом излучении проникновение лучей значительно меньше по сравнению с коротковолновым излучением . Поглощающая способность влаги, содержащейся в тканях кожи, очень велика, и кожа поглощает более 90% попадающего на поверхность тела излучения. Нервные рецепторы, ощущающие теплоту, расположены в самом наружном слое кожи. Поглощаемые инфракрасные лучи возбуждают эти рецепторы, что и вызывает у человека ощущение теплоты.
Инфракрасные лучи оказывают как местное, так и общее воздействие. Коротковолновое инфракрасное излучение
, в отличии от длинноволнового инфракрасного излучения, может вызвать покраснение кожи в месте облучения, которое рефлекторно распространяется на 2-3 см. вокруг облучаемой области. Причина этого в том, что капиллярные сосуды расширяются, кровообращение усиливается. Вскоре на месте облучения может появиться волдырь, который позднее превращается в струп. Так же при попадании коротковолновых инфракрасных
лучей на органы зрения может возникнуть катаракта.
Перечисленные выше, возможные последствия от воздействия коротковолнового ИК обогревателя , не следует путать с воздействием длинноволнового ИК обогревателя . Как уже было сказано, длинноволновые инфракрасные лучи поглощаются в самой верхней части слоя кожи и вызывает только простое тепловое воздействие.
Использование лучистого отопления не должно подвергать человека опасности и создавать дискомфортный микроклимат в помещении.
При лучистом отоплении можно обеспечить комфортные условия при более низкой температуре. При применении лучистого отопления воздух в помещении чище, поскольку меньше скорость воздушных потоков, благодаря чему уменьшается загрязнение пылью. Так же при данном отоплении не происходит разложение пыли, так как температура излучающей пластины длинноволнового обогревателя никогда не достигает температуры, необходимой для разложения пыли.
Чем холоднее излучатель тепла, тем он безвреднее для организма человека, тем дольше может находиться человек в зоне действия обогревателя.
Длительное нахождение человека вблизи ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО источника тепла (более 300°С) вредно для здоровья человека.
Влияние на здоровье человека инфракрасного излучения.
Организм человека, как излучает инфракрасные лучи , так и поглощает их. ИК лучи проникают в организм человека через кожу, при этом разные слои кожи по-разному отражают и поглощают данные лучи. Длинноволновое излучение проникает в организм человека значительно меньше по сравнению с коротковолновым излучением . Влага, находящаяся в тканях кожи, поглощает более 90% попадающего на поверхность тела излучения. Нервные рецепторы, ощущающие теплоту, расположены в самом наружном слое кожи. Поглощаемые инфракрасные лучи возбуждают эти рецепторы, что и вызывает у человека ощущение теплоты. Коротковолновое ИК излучение наиболее глубоко проникает в организм, вызывая его максимальный прогрев. В результате этого воздействия повышается потенциальная энергия клеток организма, и из них будет уходить несвязанная вода, повышается деятельность специфических клеточных структур, растет уровень иммуноглобулинов, увеличивается активность ферментов и эстрогенов, происходят и другие биохимические реакции. Это касается всех типов клеток организма и крови. Однако длительное воздействие коротковолнового инфракрасного излучения на организм человека - нежелательно. Именно на этом свойстве основан эффект теплового лечения , широко используемого в физиотерапевтических кабинетах наших и зарубежных клиник и замете, длительность процедур - ограничена. Однако данные ограничения не распространяются на длинноволновые инфракрасные обогреватели. Важная характеристика инфракрасного излучения – длина волны (частота) излучения. Современные исследования в области биотехнологий показали, что именно длинноволновое инфракрасное излучение имеет исключительное значение в развитии всех форм жизни на Земле. По этой причине его называют также биогенетическими лучами или лучами жизни. Наше тело само излучает длинные инфракрасные волны , но оно само нуждается также и в постоянной подпитке длинноволновым теплом . Если это излучение начинает уменьшаться или нет постоянной подпитки им тела человека, то организм подвергается атакам различных заболеваний, человек быстро стареет на фоне общего ухудшения самочувствия. Дальнее инфракрасное излучение нормализует процесс обмена и устраняет причину болезни, а не только её симптомы.
С таким отоплением не будет болеть голова от духоты, вызываемой перегретым воздухом под потолком, как при работе конвективного отопления , - когда постоянно хочется открыть форточку и впустить свежий воздух (при этом выпуская нагретый).
При воздействии ИК-излучения интенсивностью 70-100 Вт/м2 в организме повышается активность биохимических процессов, что ведет к улучшению общего состояния человека. Однако существуют нормативы и их стоит придерживаться. Есть нормативы по безопасному отоплению бытовых и промышленных помещений, по длительности лечебных и косметологических процедур, по работе в ГОРЯЧИХ цехах и т.п. Не стоит об этом забывать. При правильном использовании инфракрасных обогревателей - отрицательного воздействия на организм ПОЛНОСТЬЮ ОТСУТСТВУЕТ.
Загрузка...
