Открытие инфракрасного излучения
Виды теплообмена
Физические свойства
Диапазон ИК волн благоприятных для человека

Английский исследователь Гершель У. в 1800 году в процессе изучения солнечного света установил, что в Солнечных лучах при разложении их на отдельные спектры при помощи призмы за границей красного видимого спектра, происходит повышение показаний термометра. Термометр, размещенный в этой области, показал большую температуру, чем поверочный термометр. Позже установили, что свойства этих лучей поддаются законам оптики, выходит, имеют одинаковую природу, с световым излучением. Таким образом, было открыто инфракрасное излучение.

Уточним, каким образом горячие предметы отдают тепло окружающим их объектам:
теплопередачей (теплообмен между телами при контакте или через разделитель),
конвекцией (передача тепла теплоносителем, жидкостью или газом от источника тепла, к более холодным предметам)
тепловым излучением (поток электромагнитного излучения в конкретном диапазоне длины волны, излучаемое веществом на основе его внутренней избыточной энергии).

Все объекты окружающего нас материального мира это источники и одновременно поглотители теплового излучения.
Тепловое излучение, основой которого являются инфракрасные лучи - это поток электромагнитных лучей, которые удовлетворяют законам оптики, имеют одинаковую природу со световым излучением. ИК-луч расположен между красным воспринимаемым человеком светом (0.7 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (1 - 2 мм). К тому же, ИК-область спектра делят на коротковолновую (0.7 - 2 мкм), средневолновую (от 2 до 5.1 мкм), длинноволновую (5.1 - 200 мкм). Инфракрасные лучи испускают все вещества жидкие и твердые, при этом от температуры вещества зависит длина излучаемой волны . При более высокой температуре, длина волны излучаемая веществом короче, но больше интенсивность излучения.

В диапазоне длинноволнового излучения (от 9 до 11 мкм) находится наиболее благоприятное тепловое излучение для человека . Длинноволновые излучатели, обладают более низкой температурой поверхности излучения, их характеризуют темными - при низкой температуре поверхности они не светятся (до 300°С). Средневолновые излучатели с более высокой температурой поверхности, характеризуют серыми, с максимальной температурой тела излучают короткие волны, их называют белыми или светлыми.

Подтверждение советскими ученными

Физические свойства инфракрасного излучения

Для инфракрасных лучей существует ряд отличий от оптических свойств видимого света. (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) К примеру ИК-излучения имеющего длину волны более 1 мкм, поглощаются водой в слое 1-2 см, по этому вода в некоторых случаях используется как теплозащитный барьер. Лист кремния непрозрачен в видимой области, но прозрачен в инфракрасной. Ряд металлов имеет рефлекторные качества которые для инфракрасного излучения выше, чем для воспринимаемого человеком света, вдобавок существенно улучшаются их свойства с увеличением показателя длины волны излучения. А именно, показатель отражения Al, Au, Ag при волне длиной около 10 мкм приближается к 98% . Учитывая эти свойства материалов, их используют при производстве инфракрасного оборудования . Прозрачные для инфракрасных лучей материалы - в качестве излучателей инфракрасного излучения (кварц, керамика), материалы имеющие высокую способностью к отражению лучей - в качестве рефлекторов, позволяющих сфокусировать ИК-излучение в нужном направлении (преимущественно алюминий).

Также важно знать о свойствах поглощения и рассеяния инфракрасного излучения. Сквозь воздух инфракрасные лучи распространяются практически беспрепятственно. А именно, молекулы азота и кислорода сами по себе инфракрасные лучи не поглощают, а только незначительно рассеивают, уменьшая интенсивность. Водяной пар, озон, углекислый газ, а также другие примеси, находящиеся в воздухе, абсорбируют инфракрасное излучение: водяной пар - практически во всей инфракрасной области спектра, углекислый газ - в средней части инфракрасной области. Присутствие в воздухе мелких частиц - пыли, дыма, мелких капель жидкостей приводит к ослаблению силы инфракрасного излучения в результате рассеяния его на этих частицах.

> Инфракрасные волны

Что такое инфракрасные волны : длина волны инфракрасного излучения, диапазон инфракрасных волн и частота. Изучите схемы инфракрасного спектра и источники.

Инфракрасный свет (ИК) – электромагнитные лучи, которые по показателю длин волн превышает видимый (0.74-1 мм).

Задача обучения

• Разобраться в трех диапазонах ИК-спектра и описать процессы поглощения и излучения молекулами.

Основные моменты

• ИК-свет вмещает большую часть теплового излучения, создаваемого телами примерно комнатной температуры. Излучается и поглощается, если во вращении и колебании молекул происходят изменения.
• ИК часть спектра можно разбить на три области по длине волн: дальний инфракрасный (300-30 ТГц), средний (30-120 ТГц) и ближний (120-400 ТГц).
• ИК также именуют тепловым излучением.
• Важно разобраться в концепции излучательной способности, чтобы понять ИК.
• ИК-лучи можно применить для дистанционного определения температуры объектов (термография).

Термины

• Термография – дистанционное вычисление перемен температуры тела.
• Тепловая радиация – электромагнитное излучение, создаваемое телом из-за температуры.
• Излучательная способность – умение поверхности излучать.

Инфракрасные волны

Инфракрасный (ИК) свет – электромагнитные лучи, которые по показателю длин волн превосходят видимый свет (0.74-1 мм). Диапазон инфракрасных волн сходится с диапазоном частот 300-400 ТГц и вмещает огромное количество теплового излучения. ИК-свет поглощается и излучается молекулами при изменении во вращении и колебаниях.

Перед вами главные категории электромагнитных волн. Разделительные линии в некоторых местах отличаются, а другие категории могут перекрываться. Микроволны занимают высокочастотный участок радиосекции электромагнитного спектра

Подкатегории ИК-волн

ИК-часть электромагнитного спектра занимает диапазон от 300 ГГц (1 мм) до 400 ТГц (750 нм). Можно выделить три вида инфракрасных волн:

• Дальний ИК-диапазон: 300 ГГц (1 мм) до 30 ТГц (10 мкм). Нижнюю часть можно именовать микроволнами. Эти лучи поглощаются из-за вращения в газофазных молекулах, молекулярных движениях в жидкостях и фотонов в твердых телах. Вода в земной атмосфере так сильно поглощается, что делает ее непрозрачной. Но есть определенные длины волн (окна), используемые для пропускания.
• Средний ИК-диапазон: 30 до 120 ТГц (от 10 до 2.5 мкм). Источниками выступают горячие объекты. Поглощается колебаниями молекул (разнообразные атомы вибрируют в позициях равновесия). Иногда этот диапазон именуют отпечатком пальца, потому что это специфическое явление.
• Ближайший ИК-диапазон: 120 до 400 TГц (2500-750 нм). Эти физические процессы напоминают те, что происходят в видимом свете. Наиболее высокие частоты можно найти определенной разновидностью фотографической пленки и датчиками для инфракрасной, фото- и видеосъемки.

Тепло и тепловое излучение

Инфракрасное излучение именуют также тепловым. ИК-свет от Солнца охватывает всего 49% земного нагрева, а все остальное – видимый свет (поглощается и повторно отбивается на более длинных волнах).

Тепло – энергия в переходной форме, которая течет из-за разницы в температурных показателях. Если тепло передается теплопроводностью или конвекцией, то излучение способно распространяться в вакууме.

Чтобы разобраться в ИК-лучах, следует внимательно рассмотреть концепцию излучательной способности.

Источники ИК-волн

Люди и большая часть планетарного окружения создают тепловые лучи на 10 мкм. Это граница, отделяющая среднюю и дальнюю ИК-области. Многие астрономические тела испускают улавливаемое количество ИК-лучей на нетепловых длинах волн.

ИК-лучи можно использовать, чтобы вычислять температурные показатели объектов на расстоянии. Этот процесс именуют термографией и активнее всего используют в военном и промышленном употреблении.

Термографическое изображение собаки и кошки

ИК-волны также используют в отоплении, связи, метеорологии, спектроскопии, астрономии, биологии и медицине, а также анализе произведений искусства.

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

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

Инфракрасные лучи: что это?

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

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

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

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

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

Где применяется инфракрасное излучение?

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

Самые известные области, где используются свойства невидимых лучей:

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

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

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

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

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

Патологическое влияние

Противоположное действие оказывают волны с короткой длиной волны. Вред инфракрасного излучения обусловлен интенсивным тепловым эффектом, который вызывают короткие лучи. Сильный тепловой эффект распространяется вглубь тела, вызывая нагревание внутренних органов. Перегревание тканей приводит к обезвоживанию и значительному повышению температуры тела.

Кожные покровы в месте попадания инфракрасных лучей малой длины краснеют и получают термический ожог, иногда второй степени тяжести с появлением волдырей с мутным содержимым. Капилляры на месте поражения расширяются и лопаются, приводя к мелким кровоизлияниям.

Клетки теряют влагу, организм становится ослабленным и подвержен заболеванию инфекциями разного характера. Если инфракрасное излучение попадает в глаза, данный факт оказывает разрушительное действие на зрение. Слизистая глаза становится сухой, сетчатка подвергается негативному влиянию. Хрусталик теряет свою эластичность и прозрачность, что является одним из симптомов катаракты.

Превышение теплового воздействия вызывает усиление воспалительных процессов, если таковые имеются, а также служат благоприятной почвой для возникновения воспаления. Медики утверждают, что превышение температуры на пару градусов может спровоцировать заражение менингитом.

Общее повышение температуры тела приводит к тепловому удару, которое при неоказании помощи может приводить к необратимым последствиям. Основные признаки теплового удара:

• общая слабость;
• сильная головная боль;
• помутнение в глазах;
• тошнота;
• учащение сердечных сокращений;
• появление холодного пота на спине;
• кратковременная потеря сознания.

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

Список мероприятий в первые минуты после проявления тревожных симптомов:

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

Показания

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

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

Противопоказания к применению инфракрасного излучения

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

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

Меры защиты от вредных лучей

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

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

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

Инфракрасное излучение. Открытие инфракрасного излучения

Определение 1

Под инфракрасным излучением (ИК) понимается форма энергии или способ обогрева, при котором тепло от одного тела передается другому телу.

Человек в процессе своей жизни постоянно находится под действием ИК-излучения и способен чувствовать эту энергию как тепло, идущее от предмета. Воспринимается инфракрасное излучение кожей человека , глаза в этом спектре не видят.

Естественным источником высокой температуры является наше светило. С температурой нагревания связана длина волны инфракрасных лучей, которые бывают коротковолновыми, средневолновыми, длинноволновыми.

Короткая длина волны имеет высокую температуру и интенсивное излучение. Ещё в $1800$ г. английский астроном У. Гершель проводил наблюдения за Солнцем. Занимаясь исследованием светила, он искал способ, который бы позволил уменьшить нагрев инструмента, при помощи которого эти исследования проводились. На одном из этапов своей работы ученый обнаружил, что за насыщенным красным цветом находится «максимум тепла ». Исследование стало началом изучения инфракрасного излучения .

Если раньше источниками инфракрасного излучения в лаборатории служили раскаленные тела или электрические разряды в газах, то сегодня созданы современные источники инфракрасного излучения с частотой, которую можно регулировать или фиксировать. Их основой являются твердотельные и молекулярные газовые лазеры.

В ближней инфракрасной области (около $1,3$ мкм) для регистрации излучения пользуются специальными фотопластинками .

В дальней инфракрасной области излучение регистрируется болометрами – это детекторы, которые являются чувствительными к нагреву инфракрасным излучением.

Инфракрасные волны имеют разную длину , поэтому их проникающая способность будет тоже разная.

Длинноволновые , идущие от Солнца лучи, например, спокойно проходят через атмосферу Земли , при этом, не нагревая её. Проникая через твердые тела, они увеличивают их температуру, поэтому для всего живого на планете огромное значение имеет именно дальнее излучение .

Интересно, что в постоянной компенсирующей подпитке нуждаются все живые тела, которые тоже излучают такой же спектр тепла. При отсутствии такой подпитки, температура живого тела падает, что является причиной его уязвимости для различных инфекций. Эта дополнительная подпитка в виде ИК-излучения, как считают ученые, скорее полезна , чем вредна.

Замечание 1

Специалисты провели на животных многочисленные эксперименты, которые показали, что инфракрасные лучи подавляют рост раковых клеток, уничтожают ряд вирусов, нейтрализуют разрушительное действие электромагнитных волн. Длинноволновые инфракрасные лучи повышают количество инсулина, вырабатываемого организмом, и нивелируют последствия радиоактивного воздействия.

Применение инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение находит широкое применение, как в быту, так и в разных сферах деятельности человека.

Основными областями его применения являются:

Термография . ИК-излучение позволяет определить температуру объектов, которые находятся на каком-то удалении. В промышленных и военных целях широко используется тепловидение, его камеры могут обнаружить ИК и произведут изображение этого излучения. Благодаря термографическим камерам без всякого освещения можно «видеть» все, что находится рядом, потому что все нагретые объекты испускают ИК.

Слежение . Используется ИК слежение при наведении ракет, в которые встраивается устройство, получившее название «тепловые искатели ». В результате того, что двигатели машин и механизмов, да и сам человек излучают тепло, то хорошо будут видны в инфракрасном диапазоне, а отсюда ракеты без всякого труда находят направление полета.

Обогрев. Как источник тепла ИК повышает температуру и благотворно влияет на здоровье человека, например, инфракрасные сауны , о которых сегодня много говорят. Используют их при лечении гипертонии, сердечной недостаточности, ревматоидного артрита.

Метеорология . Высота облаков, температура поверхности воды и земли определяется со спутников, делающих инфракрасные изображения. На таких снимках холодные облака окрашены в белый цвет, теплые же облака окрашены в серый цвет. Черным или серым цветом окрашивается горячая поверхность земли.

Астрономия. При наблюдении за небесными объектами астрономы используют специальные инфракрасные телескопы. Благодаря этим телескопам ученые определяют протозвезды до момента излучения ими видимого света, различают прохладные объекты, наблюдают ядра галактик.

Искусство . И здесь инфракрасное излучение нашло применение. Искусствоведы, благодаря инфракрасным рефлектограммам , видят нижние слои картин, наброски художника. Данный прибор помогает отличить оригинал от копии, ошибки реставрационных работ. С его помощью изучаются старые письменные документы.

Медицина. Широко известны лечебные свойства ИК - терапии. Нагретая глина, песок, соль издавна считались целебными и благотворно влияющими на организм человека. ИК помогают лечить переломы, улучшают обмен веществ в организме, ведут борьбу с ожирением, способствуют заживлению ран, улучшают циркуляцию крови, оказывают благотворное влияние на суставы и мышцы.

Кроме этого лечебное воздействие используют при заболеваниях:

1. Хроническим бронхитом и бронхиальной астмой;
2. Пневмонией;
3. Хроническим холециститом и его обострением;
4. Простатитом с нарушением потенции;
5. Ревматоидным артритом;
6. При заболеваниях мочевыводящих путей и др.

Для того чтобы использовать инфракрасные лучи в лечебных целях, необходимо учитывать противопоказания.

Большой вред они могут принести:

1. Когда у человека есть гнойные заболевания;
2. Скрытые кровотечения;
3. Заболевания крови;
4. Новообразования и, прежде всего, злокачественные;
5. Воспалительные заболевания, чаще всего острые.

Коротковолновые ИК отрицательно воздействуют на мозговую ткань человека, в результате чего наблюдается «солнечный удар ». Вред в этом случае очевиден. Человек испытывает головную боль, пульс и дыхание становятся учащенными, в глазах темнеет, возможна потеря сознания. При дальнейшем облучении организм не выдерживает – происходит отек тканей и оболочек мозга, появляются симптомы энцефалита и менингита. Короткие волны особенно сильный вред наносят глазам человека, сердечнососудистой системе.

Замечание 2

Таким образом, получается, что польза воздействия ИК на организм, несмотря на отрицательные моменты, значительна.

Защита от инфракрасного излучения

Для снижения наносимого ИК вреда и защиты от него разработаны нормы ИК-облучения, безопасные для человека.

Основные мероприятия защиты:

1. Устаревшие технологии необходимо заменить современными, что позволит снизить интенсивность излучения источника;
2. Использование экранов из металлических сеток и цепей, облицовка асбестом открытых печных проёмов;
3. Обязательная индивидуальная защита и, прежде всего, глаз очками со светофильтрами;
4. Защита тела льняной или полульняной спецодеждой;
5. Рациональный режим труда и отдыха;
6. Обязательные лечебно-профилактические мероприятия работников.

Об инфракрасном излучении

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 тематике (список литературы ). 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. Информация взята Компанией ЭССО из технической литературы российских и зарубежных ученых" data-lightbox="image26" href="images/26.jpg" title="Развернуть области инфракрасного излучения"> 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 отличии 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.

Инфракрасное излучение, инфракрасные лучи, свойства инфракрасных лучей, спектр излучения инфракрасных обогревателей

ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ИНФРАКРАСНЫЕ ЛУЧИ, СВОЙСТВА ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ, СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ ИНФРАКРАСНЫХ ОБОГРЕВАТЕЛЕЙ Калининград

ОБОГРЕВАТЕЛИ СВОЙСТВА ИЗЛУЧЕНИЕ СПЕКТР ОБОГРЕВАТЕЛЕЙ ДЛИНА ВОЛНЫ ДЛИННОВОЛНОВЫЕ СРЕДНЕВОЛНОВЫЕ КОРОТКОВОЛНОВЫЕ СВЕТЛЫЕ ТЕМНЫЕ СЕРЫЕ ВРЕД ЗДОРОВЬЕ ВЛИЯНИЕ НА ЧЕЛОВЕКА Калининград