Презентация к уроку шкала электромагнитных волн

Инфракрасное излучение: история, диапазоны и общая характеристика

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 30 июня 2022 года; проверки требуют 17 правок.

История открытия и общая характеристика

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

Диапазоны инфракрасного излучения

Объекты обычно испускают инфракрасное излучение во всём спектре длин волн, но иногда только ограниченная область спектра представляет интерес, поскольку датчики обычно собирают излучение только в пределах определенной полосы пропускания. Таким образом, инфракрасный диапазон часто подразделяется на более мелкие диапазоны.

Обычная схема деления

ISO 20473 схема

Международная организация по стандартизации предлагает следующую схему:

• Ближний инфракрасный диапазон NIR 0,78—3 мкм
• Средний инфракрасный диапазон MIR 3—50 мкм
• Дальний инфракрасный диапазон FIR 50—1000 мкм

Тепловое излучение и его применение

Тепловое излучение или лучеиспускание является способом передачи энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн, излучаемых за счёт их внутренней энергии. Тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра от 0,74 мкм до 1000 мкм.

Характеристики теплового излучения

• Особенность: передача энергии между телами возможна как в среде, так и в вакууме.
• Пример: свет от лампы накаливания.
• Законы: мощность теплового излучения объекта описывается законом Стефана — Больцмана, а отношение излучательной и поглощательной способностей тел – законом излучения Кирхгофа.

Применение теплового излучения

Прибор ночного видения

При помощи тепловизоров деятельность вооруженных сил, пожарных, спасателей и медиков значительно улучшается благодаря возможности:

• Обнаруживать теплоконтрастные цели в любое время суток.
• Поиска пострадавших и очагов горения.
• Диагностировать различные заболевания.
• Выявлять перегревы и аварийное состояние деталей.

Инфракрасная головка самонаведения

Инфракрасные головки самонаведения используют волны инфракрасного диапазона, излучаемые целью, для выявления и наведения на цель. Служат для идентификации цели, измерения угловой скорости и передачи сигналов захвата и наведения.

Тепловое излучение играет важную роль в различных областях и позволяет видеть объекты и явления, невидимые человеческому глазу.

Инфракрасный обогреватель: преимущества и области применения

Обогрев помещений

Инфракрасные обогреватели – это удобное и эффективное средство обогрева помещений. В отличие от конвекционных обогревателей, инфракрасные обогреватели нагревают не воздух, а непосредственно объекты и поверхности в помещении. Это позволяет экономить энергию и снижать затраты на отопление.

Преимущества инфракрасного обогрева

• Экономический эффект: за счет направленного нагрева поверхностей затраты энергии снижаются
• Местный обогрев: возможность обогрева только определенных зон помещения, что экономит энергию
• Быстрый эффект: тепло чувствуется сразу после включения, не требуется длительное время для предварительного нагрева помещения

Сушка окрашенных поверхностей

Инфракрасные обогреватели также широко применяются для сушки окрашенных поверхностей. Благодаря непосредственному поглощению тепла окрашенной поверхностью, процесс сушки идет быстрее и требует меньше энергии, чем при использовании традиционных методов.

Инфракрасная астрономия

Инфракрасная астрономия изучает космические объекты, видимые в инфракрасном диапазоне. Это позволяет расширить наши знания о Вселенной и открывать новые горизонты в исследованиях космоса.

Анализ молекул с помощью инфракрасного спектра

Инфракрасное излучение также используется для анализа строения органических и неорганических веществ. По числу и положению пиков в инфракрасных спектрах можно судить о природе вещества, а по интенсивности полос поглощения – о его количестве. Такой анализ помогает в различных областях, от фармакологии до биологии.

Использование инфракрасных технологий может значительно улучшить эффективность многих процессов, как в быту, так и в науке и промышленности. Сочетание экономичности и простоты в использовании делают инфракрасные технологии незаменимыми в современном мире.

Инфракрасные светодиоды, лазеры и фотодиоды в современном мире

Распространение инфракрасных светодиодов, лазеров и фотодиодов позволило создать беспроводной оптический метод передачи данных на их основе. В компьютерной технике обычно используется для связи компьютеров с периферийными устройствами (интерфейс IrDA).

В отличие от радиоканала, инфракрасный канал нечувствителен к электромагнитным помехам, что позволяет его использование в производственных условиях. Недостатками инфракрасного канала являются необходимость в оптических окнах на оборудовании и правильной взаимной ориентации устройств. На данный момент существует большое количество производителей сетевого оборудования, основанного на передаче света в атмосфере (FSO), как правило, точка — точка. Скорость передачи данных в атмосфере достигла более 4 Тбит/с, а серийно выпускаемые терминалы связи имеют скорость до 100 Гбит/с. В условиях прямой видимости инфракрасный канал может обеспечить связь на расстояниях в несколько километров. Кроме того, канал связи остается скрытым, так как ИК диапазон не виден человеческому глазу (без использования специального прибора), и угловая расходимость канала связи не превышает 17 мкрад по всем осям.

Применение инфракрасных диодов и лазеров

Инфракрасные диоды и фотодиоды широко применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах (инфракрасный порт) и других устройствах. Инфракрасные лучи не отвлекают внимание человека из-за своей невидимости.

Интересно, что инфракрасное излучение бывшего пульта дистанционного управления легко фиксируется с помощью дешевых цифровых фотоаппаратов или видеокамер с ночным режимом, не имеющих специального инфракрасного фильтра.

Применение инфракрасных лучей в медицине и физиотерапии

Инфракрасное излучение находит широкое применение в медицине, особенно в различных датчиках потока крови (PPG). Например, измерители частоты пульса (ЧСС, HR — Heart Rate) и насыщения крови кислородом (SpO2) используют светодиоды зеленого и красного инфракрасного излучений. Инфракрасное излучение лазера применяется в методике DLS (Digital Light Scattering) для определения пульса и характеристик потока крови.

Инфракрасные лучи также применяются в физиотерапии.

Влияние инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение имеет важное значение в пищевой промышленности. Инфракрасная волна способна проникнуть в капиллярно-пористые продукты, такие как зерно, крупа, мука, на глубину до 7 мм. Это зависит от характера поверхности, структуры и свойств материала. Электромагнитное излучение влияет не только термически, но также биологически, ускоряя биохимические превращения в биологических полимерах.

Конвейерные сушильные транспортёры эффективно используются при закладке зерна в зернохранилищах и в мукомольной промышленности.

Вывод: Инфракрасные светодиоды, лазеры и фотодиоды играют важную роль в различных отраслях, начиная от компьютерной техники и заканчивая медициной и пищевой промышленностью. Их преимущества включают невидимость, высокую скорость передачи данных и эффективное применение в различных областях.

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

Проверка денег на подлинность

Инфракрасный излучатель применяется в приборах для проверки денег. Нанесённые на купюру как один из защитных элементов специальные метамерные краски возможно увидеть исключительно в инфракрасном диапазоне.

Дистанционное зондирование Земли

Инфракрасное излучение широко применяют при дистанционном зондировании Земли из космоса. Совместное использование спутниковой съёмки в ИК диапазоне со съёмками в других участках спектра позволяет применять методы, принципиально схожие со спектроскопией, для анализа земной поверхности. Особенно актуально это для изучения растительности при расчете различных вегетационных индексов.

Опасность для здоровья

Свет ― электромагнитная волна.

Электромагнитные волны с длиной волны менее 400 нм относятся к коротковолновому излучению (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение) ― они не воспринимаются глазом, и в больших дозах опасны для организма человека, так как чем короче длина волны света ― тем больше его энергия.

Электромагнитные волны с длиной волны более 700 нм относятся к длинноволновому излучению (инфракрасное излучение, радиоволны). Длинноволновое излучение также не воспринимается глазом, но оно обладает меньшей энергией, чем видимое.

Когерентными называются световые волны одинаковой частоты с постоянной разностью фаз. Когерентные волны получают, расщепляя световой луч из одного источника, или же с помощью лазера.

Интерференция света ― появление чередующихся светлых и темных полос на экране, вызванное сложением когерентных световых волн.

Если при сложении когерентных волн их максимумы и минимумы совпадают, то у результирующей волны амплитуда будет выше, чем амплитуда составляющих ее волн.

Если при сложении когерентных волн максимум одной волны совпадает с минимумом другой ― волны гасят друг друга и амплитуда результирующей волны равна нулю.

Иными словами, для того, чтобы наблюдалась светлая полоса, необходимо, чтобы разность хода световых лучей была кратна длине волны света, а чтобы образовалась темная полоса ― кратна половине длины волны света.

Наблюдение интерференции возможно только для когерентных волн – это либо волны, выпущенные одним источником, либо волны от разных источников, имеющих одинаковую частоту и разность фаз.

Дисперсия ― зависимость показателя преломления света в среде от частоты света (или длины волны).

n ― показатель преломления вещества.

При переходе света из одной среды в другую, меняется скорость света и длина волны, а частота остаётся постоянной.

Поскольку показатель преломления света в веществе зависит от его частоты, то световые волны разных частот, преломляясь, отклоняются на различные углы, создавая спектр.

Пример разложения белого света в спектр после прохождения треугольной стеклянной призмы:

Что такое инфракрасное излучение?

Тепловизоры, виды, принцип работы

Что такое ИК-камеры?

1. История открытия

2. Виды ИК

6. ИК приборы

ИК-излучение было открыто в начале 19 века английским физиком Вильямом Гершелем, который заметил, что солнечный свет, проходящий через призму, разделялся на несколько цветов. Один из этих цветов был невидимым для человеческого глаза, и Гершель назвал его инфракрасным.

После открытия Гершеля, французский физик Жозеф-Батист Фурье начал использовать инфракрасный свет для измерения температуры. Он изобрел инфракрасный термометр и использовал его для измерения температуры разных материалов.

В дальнейшем, немецкий физик Макс фон Лауэ изучал структуру кристаллов с помощью ИК-излучения. Он разработал метод рентгеновской кристаллографии, который используется до сих пор для изучения кристаллических структур.

Инфракрасное излучение нашло широкое применение в медицине, промышленности и науке. Оно используется для диагностики различных заболеваний, контроля качества продукции и изучения космических объектов с помощью телескопов.

Виды инфракрасного излучения

Существует несколько видов инфракрасного излучения, каждый из которых имеет свои особенности и применение. Вот некоторые из них:

Каждый из этих видов инфракрасного излучения имеет свои преимущества и применения, и их использование зависит от конкретной области применения.

Диапазоны ИК

Любой объект, излучающий тепло, является источником инфракрасного излучения. Вот некоторые из наиболее распространенных источников ИК излучения:

Свойства инфракрасного излучения

Инфракрасное (ИК) излучение обладает следующими свойствами:

Применение инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение находит широкое применение в различных областях науки, техники и производства. Некоторые из наиболее распространенных областей применения ИК излучения включают:

Инфракрасные приборы

Инфракрасные (ИК) приборы – это устройства, использующие инфракрасное излучение (ИКИ) для измерения, обнаружения или управления различными объектами и процессами.

Основные типы ИК приборов включают:

Другие типы ИК приборов могут включать лазеры, сенсоры, датчики, микроскопы и другое оборудование, способное работать в ИК диапазоне и использовать его свойства для выполнения своих задач.

ИНФРАКРАСНОЕ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Видимый свет – это то электромагнитное излучение, которое воспринимает человеческий глаз. Диапазон лучей видимого света лежит в пределах от 400 до 700 нм. При длине волны более 700 нм начинается инфракрасный спектр, лучи которого воспринимаются как тепло; а при длине волны менее 400 нм находится диапазон ультрафиолетового (УФ) излучения.

Спектр оптического излучения

Инфракрасное излучение

История открытия инфракрасного излучения

Некоторые свойства инфракрасного излучения

Применение инфракрасного излучения в криминалистике

Банкнота 1000 рублей образца 1997 года в инфракрасном свете

Применение инфракрасного излучения в медицине

Помимо этого, инфракрасное излучение применяется в таких отраслях, как

Ультрафиолетовое излучение

История открытия ультрафиолетового излучения

После открытия инфракрасного излучения немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер начал поиски излучения и в противоположном конце спектра, с длиной волны короче, чем у фиолетового цвета. В 1801 году он обнаружил, что почернение хлористого серебра, под действием невидимого излучения за пределами фиолетовой области спектра происходит сильнее и быстрее , чем под действием света. Этот вид излучения был назван ультрафиолетовым.

Некоторые свойства ультрафиолетового излучения

Применение ультрафиолетового излучения в косметологии

Применение ультрафиолетового излучения в медицине

Применение ультрафиолетового излучения в хозяйстве

Ультрафиолеторовое излучение также может использоваться для

Изображение Солнца в ультрафиолетовом спектре в искусственных цветах

Шкала электромагнитных волн представляет собой непрерывную последовательность частот и длин электромагнитных излучений, которые являются распространяющимся в пространстве переменным магнитным полем

Теория электромагнитных явлений Джеймса Максвелла позволила установить, что в природе существуют электромагнитные волны разных длин

В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300 000 км/с.

Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения и методам регистрации

Увеличение энергии и частоты

Увеличение длины волны

Шкала электромагнитных волн –

это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой. Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.

Низкочастотные электромагнитные волны

Длина волны, λ

10 8 – 10 4 м

10 – 1 – 3 ∙ 10 3 Гц

Низкочастотные электромагниные волны – это волны, возбуждаемые низкочастотными элктромагнитными колебаниями, происходящими в устройствах, обладающих большой индуктивностью и емкостью. Такие волны практически не излучаются в окружающее пространство и быстро затухают

Источниками низкочастотных электромагнитных волн являются ЛЭП, работающие электромоторы, генераторы переменного тока, бытовая техника и т.п.

3∙10 3 – 3 ∙ 10 11 Гц

10 5 – 10 – 3 м

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света

(300 000 км/с)

Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока

Весь диапазон радиоволн разбит на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны , диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.

3∙10 11 – 4∙10 14 Гц

2∙10 – 3 – 7,6∙10 – 7 м

Инфракрасное излучение – это часть спектра излучения Солнца, которая непосредственно примыкает к красной части видимой области спектра и, которая обладает способностью нагревать большинство предметов.

Человеческий глаз не в состоянии видеть в этой части спектра, но мы можем чувствовать тепло. Как известно, любой объект, чья температура превышает (– 273) градусов Цельсия излучает, а спектр его излучения определяется только его температурой и излучательной способностью. Инфракрасное излучение имеет две важные характеристики: длину волны (частоту) излучения и интенсивность.

Это невидимые лучи, хорошо поглощающиеся телами, способные изменять электрическое сопротивление тел, действуют на фотоматериалы, хорошо проходят в тумане. Инфракрасные лучи абсолютно безопасны для организма человека в отличие от рентгеновских, ультрафиолетовых или СВЧ.

В инфракрасном спектре есть область с длинами волн примерно от 7 до 14 мкм (так называемая длинноволновая часть инфракрасного диапазона), оказывающая на организм человека по – настоящему уникальное полезное действие. Эта часть инфракрасного излучения соответствует излучению самого человеческого тела с максимумом на длине волны около 10 мкм. Поэтому любое внешнее излучение с такими длинами волн наш организм воспринимает как «своё».

Самый известный естественный источник инфракрасных лучей на нашей Земле – это Солнце, а самый известный на Руси искусственный источник длинноволновых инфракрасных лучей – это русская печь, и каждый человек обязательно испытывал на себе их благотворное влияние.

Использование инфракрасного излучения

ИК (инфракрасные) диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах и т.п. Они не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости. Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей. В медицине широко используются инфракрасные массажоры.

Положительным побочным эффектом является стерилизация пищевых продуктов, увеличение стойкости к коррозии покрываемых красками поверхностей.

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

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

В быту нашли широкое применение инфракрасные сауны

4∙10 14 – 8∙10 14 Гц

7,7∙10 – 7 – 8∙10 – 7 м

Между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением находится видимое излучение

Видимое излучение вызывает явление фотосинтеза в растениях, фотоэффект в металлах и полупроводниках.

Значение видимого излучения в жизни человека исключительно велико. Свет является необходимым условием для существования жизни на Земле.

7,5∙10 14 – 3∙10 17 Гц

4∙10 – 7 – 3∙10 – 8 м

Ультрафиолетовое излучение – это невидимое глазом электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучениями.

Вся область ультрафиолетового излучения (или UV ) условно делится на

ближнюю ( l = 200 – 380 нм ) Ближний диапазон UV -лучей, в свою очередь, подразделяется на три составляющие – UV-A , UV-B и UV-C , различающиеся по своему влиянию на организм человека.

дальнюю, или вакуумную ( l = 100 – 200 нм ); причем последнее название обусловлено тем, что излучение этого участка сильно поглощается воздухом и его исследование производят с помощью вакуумных спектральных приборов.

Ближняя область ультрафиолетового излучения

UV излучение оказывает бактерицидное действие, поглощается озоном, обладает лечебными свойствами. Это невидимые лучи. Они действуют на фотоэлементы, люминесцентные вещества.

Глаза испытывают воздействие всего достаточно широкого UV -диапазона излучения. Его коротковолновая часть поглощается роговицей, которая может быть повреждена при длительном воздействии излучения волн с l = 290-310 нм . С увеличением длин волн ультрафиолета возрастает глубина его проникновения внутрь глаза, причем большую часть этого излучения поглощает хрусталик.

Хрусталик глаза человека является великолепным фильтром , созданным природой для защиты внутренних структур глаза. Он поглощает UV -излучение в диапазоне от 300 до 400 нм , оберегая сетчатку от воздействия потенциально опасных длин волн. Тем не менее при долговременном регулярном воздействии ультрафиолета развиваются повреждения самого хрусталика, с годами он становится желто-коричневым, мутным и в целом – непригодным к функционированию по назначению (то есть образуется катаракта). В этом случае назначается операция по удалению катаракты

Негативное воздействие ультрафиолетового излучения

Острые ожоги , вызванные большой дозой облучения, полученной за короткое время (например, солнечный ожог или острые фотодерматозы). Они происходят преимущественно за счет лучей УФ-В , энергия которых многократно превосходит энергию лучей УФ-А .

Отсроченные ожоги , вызванные длительным облучением умеренными (субэритемными) дозами (например, к таким повреждениям относятся фотостарение, новообразования кожи, некоторые фотодерматиты). Они возникают преимущественно за счет лучей спектра А, которые несут меньшую энергию, но способны глубже проникать в кожу, и их интенсивность мало меняется в течение дня и практически не зависит от времени года. Как правило, этот тип повреждений – результат воздействия продуктов свободнорадикальных реакций.

Основные меры безопасности и противопоказания к использованию терапевтического УФ-облучения.

Перед использованием УФ-облучения от искусственных источников необходимо посетить врача с целью подбора и установления минимальной эритемной дозы (МЭД), которая является сугубо индивидуальным параметром для каждого человека.

Если после первого сеанса обнаружится какая-либо неблагоприятная реакция, дальнейшее использование УФ-облучения не рекомендуется.

Очень осторожным с естественным и искусственным УФ-облучением всего тела следует быть следующим категориям людей:

3∙10 16 – 3∙10 20 Гц

10 – 8 – 10 – 12 м

Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью, вызывает люминесценцию и вторичный фотоэффект

График отклонений образующих стенки резервуара от вертикали (горизонтальное сечение)

3∙10 19 – 3∙10 23 Гц

10 – 11 – 10 – 115 м

Источником являются космические лучи, радиоактивный распад, ускорители элементарных частиц. Гамма-лучи ионизируют атомы и молекулы тел, разрушают живые клетки, не взаимодействуют с электрическими и магнитными полями

γ – излучение

Нашли широкое применение в дефектоскопии, терапии (при лечении онкологических больных) и в медицинской диагностике

свидетельство того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами.

Эти свойства не исключают, а дополняют друг друга.

Волновые свойства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко при больших.

Квантовые свойства ярче проявляются при больших частотах и менее ярко – при малых .

Чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства.

Чем меньше длина волны, тем ярче выражены квантовые свойства.