Що таке інфрачервоне випромінювання
Інфрачервоне випромінювання або інфрачервоні промені, це електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між червоним світла (з довжиною хвилі 0,74 мкм) і короткохвильовим радіовипромінюванням (1-2 мм).
Відкриття інфрачервоного випромінювання відбулося в 1800 р
Англійський учений В. Гершель виявив, що в отриманому спектрі Сонця за межею червоного світла (тобто в невидимій частині спектра) температура термометра підвищується. Термометр, поміщений за червоною частиною сонячного спектра, показав підвищену температуру в порівнянні з контрольними термометрами, розташованими збоку.
Інфрачервону область спектра відповідно до міжнародної класифікації [ 18 ] Поділяють:
- на ближню ІЧ-А (від 0.7 до 1.4 мкм);
- середню ІК-В (1.4 - 3 мкм);
- далеку ІК-С (понад 3 мкм).
Всі нагріті тверді тіла випускають безперервний інфрачервоний спектр. Це означає, що у випромінюванні присутні хвилі з усіма без винятку частотами, і говорити про випромінювання на якійсь певній хвилі, безглузде заняття. Нагріте тверде тіло випромінює в дуже широкому інтервалі довжин хвиль.
При низьких температурах (нижче 400 ° С) випромінювання нагрітого твердого тіла майже цілком розташоване в інфрачервоної області, і таке тіло здається темним. При підвищенні температури частка випромінювання у видимій області збільшується, і тіло спочатку здається:
Темно-червоним ................. 470-650 ° С
Вишнево-червоним ............. 700 ° С
Світло-червоним ............... 800 ° С
Густо-помаранчевим ............. 900 ° С
Оранжево-жовтим ............ 1000 ° С
Світло-жовтим ................ 1100 ° С
Солом'яно-жовтим ........... 1150 ° С
Білим різної яскравості ...... 1200-1400 ° С
При цьому зростає як повна енергія випромінювання, так і енергія інфрачервоного випромінювання. При температурах понад 1000 ° С нагріте тіло починає випромінювати ультрафіолетове випромінювання.
Особливе місце в теорії теплового випромінювання займає Абсолютно Чорне Тіло (АЧТ). Так Г.Кірхгоф назвав тіло, у якого на всіх частотах і при будь-яких температурах поглощательная здатність дорівнює одиниці. Реальне тіло завжди відображає частину енергії падаючого на нього випромінювання. Навіть сажа наближається за властивостями до абсолютно чорного тіла лише в оптичному діапазоні.
Абсолютно чорне тіло є еталонним тілом в теорії теплового випромінювання. І, хоча в природі немає абсолютно чорного тіла, досить просто реалізувати модель, для якої поглощательная здатність на всіх частотах буде дуже малий відрізнятися від одиниці. Нижче наведені закони справедливі для АЧТ.
Основний закон теплового випромінювання Планка встановлює залежність іспускательной здатності тіла R від довжини хвилі λ і температури тіла T.
Залежність R від довжини хвилі при постійній температурі показана на малюнку. Потужність випромінювання має максимум при деякому значенні λ max.
Хоча спектр змінюється зі зміною температури, він має загальні закономірності, які не залежать від T, якщо висловити хвилі в безрозмірною одиниці λ / λ max. Тоді частка випромінюваної енергії в різних ділянках не залежить від температури (частка в% від повної енергії наведена на малюнку). Корисно запам'ятати, що приблизно 90% енергії припадає на спектральний інтервал λ / λ max = 0,5 ... 3,0, тобто від l max / 2 до 3 l max.
Закон зміщення Віна. Довжина хвилі l max, відповідна максимальної спектральної щільності излучательности АЧТ, обернено пропорційна температурі: l max = 2.9 / T, де C - постійна.
Закон Стефана-Больцмана. Випромінювальні АЧТ, тобто повна потужність випромінювання з одиничної площі, пропорційна четвертого ступеня температури: R = σT 4, де σ - постійна Стефана-Больцмана.
В теорії теплового випромінювання часто користуються ідеалізованої моделлю реальних тіл - поняттям "сіре тіло". Тіло називається "сірим", якщо його коефіцієнт поглинання однаковий для всіх частот і залежить тільки від температури матеріалу і стану його поверхні. Насправді реальне фізичне тіло за своїми характеристиками наближається до сірого тіла лише у вузькому діапазоні частот випромінювання.
Закон теплового випромінювання Кирхгофа. Ставлення спектральної щільності енергетичної світності тіла до його монохроматичному коефіцієнту поглинання не залежить від матеріалу тіла (т. Е однаково для всіх тіл) і одно спектральної щільності енергетичної світності абсолютно чорного тіла. Дана величина є функцією тільки температури і частоти випромінювання.
Наслідки закону Кірхгофа.
Так як коефіцієнт поглинання для будь-якого тіла менше одиниці, то іспускательной здатність будь-якого тіла для даної частоти випромінювання менше такої для чорного тіла. Інакше кажучи, чорне тіло при будь-якій температурі і частоті випромінювання є найбільш інтенсивним джерелом випромінювання.
Якщо тіло не поглинає випромінювання в будь-якій області спектра, то воно і не випромінює в цій області спектра.
Для даної температури сильніше випромінюють ті сірі тіла, які володіють великим коефіцієнтом поглинання.
І нтенсівность опромінення від нагрітої поверхні або через отвір в печі можна визначити за формулою (при L ≥F0.5)
E = 0,91F ((T / 1000) 4-A) / L2
де Е - інтенсивність опромінення, Вт / м2; F - площа поверхні, що випромінює, м2; l - відстань від центру випромінюючої поверхні до об'єкта, що опромінюється, м; A = 85 - для шкіри людини і бавовняної тканини; А = 100 постійний коефіцієнт для сукна.