Radiación infrarroja
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 30 de junio de 2022; las comprobaciones requieren 6 ediciones .Radiación infrarroja : radiación electromagnética que ocupa la región espectral entre el extremo rojo de la luz visible (con una longitud de onda [1] λ \u003d 0.74 micrones [ 2] y una frecuencia de 430 T Hz ) y emisión de radio de microondas (λ ~ 1-2 mm, frecuencia 300 GHz ) [3] .
La radiación infrarroja constituye la mayor parte de la radiación de las lámparas incandescentes , aproximadamente el 50% de la radiación del sol ; Algunos láseres emiten radiación infrarroja . Para registrarlo utilizan receptores térmicos y fotoeléctricos, así como materiales fotográficos especiales [4] .
Debido a la gran extensión del rango infrarrojo, las propiedades ópticas de las sustancias en la radiación infrarroja pueden variar significativamente, incluso difiriendo de sus propiedades en la radiación visible.
Historia del descubrimiento y características generales
La radiación infrarroja fue descubierta en 1800 por el astrónomo inglés W. Herschel . Al estar dedicado al estudio del Sol, buscaba una forma de reducir el calentamiento del instrumento con el que se hacían las observaciones. Usando termómetros para determinar el efecto de diferentes partes del espectro visible, Herschel descubrió que "el calor máximo" se encuentra detrás del color rojo saturado y, posiblemente, "detrás de la refracción visible". Este estudio marcó el comienzo del estudio de la radiación infrarroja.
Anteriormente, las fuentes de laboratorio de radiación infrarroja eran exclusivamente cuerpos incandescentes o descargas eléctricas en gases. Ahora, sobre la base de láseres de estado sólido y de gas molecular, se han creado modernas fuentes de radiación infrarroja con frecuencia ajustable o fija. Para registrar la radiación en la región del infrarrojo cercano (hasta ~ 1,3 μm), se utilizan placas fotográficas especiales . Los detectores fotoeléctricos y los fotorresistores poseen un rango de sensibilidad más amplio (hasta aproximadamente 25 micrones) . La radiación en la región del infrarrojo lejano se registra mediante bolómetros , detectores sensibles al calentamiento por radiación infrarroja [5] .
El equipo IR se usa ampliamente tanto en tecnología militar (por ejemplo, para guía de misiles) como en tecnología civil (por ejemplo, en sistemas de comunicación de fibra óptica). Los elementos ópticos en los espectrómetros IR son lentes y prismas, o rejillas y espejos de difracción. Para excluir la absorción de radiación en el aire, los espectrómetros para la región del infrarrojo lejano se fabrican en una versión de vacío [5] .
Dado que los espectros infrarrojos están asociados con movimientos de rotación y vibración en una molécula, así como con transiciones electrónicas en átomos y moléculas, la espectroscopia IR permite obtener información importante sobre la estructura de átomos y moléculas, así como sobre la estructura de banda de cristales [5] .
Rangos infrarrojos
Los objetos generalmente emiten radiación infrarroja en todo el espectro de longitud de onda, pero a veces solo una región limitada del espectro es de interés porque los sensores generalmente solo recolectan radiación dentro de un cierto ancho de banda. Por lo tanto, el rango infrarrojo a menudo se subdivide en rangos más pequeños.
El esquema de división habitual
La mayoría de las veces, la división en rangos más pequeños se realiza de la siguiente manera: [6]
| Abreviatura | Longitud de onda | Energía fotónica | Característica |
| Infrarrojo cercano, NIR | 0,75-1,4 micras | 1,7-0,9 eV | IR cercano, limitado por un lado por la luz visible, por el otro lado por la transparencia del agua, que se deteriora significativamente a 1,45 µm. Los LED y láseres infrarrojos generalizados para sistemas de comunicación óptica aerotransportados y de fibra funcionan en este rango. Las cámaras de video y los dispositivos de visión nocturna basados en tubos intensificadores de imagen también son sensibles en este rango. |
| Infrarrojo de longitud de onda corta, SWIR | 1,4-3 micras | 0,9–0,4 eV | La absorción de radiación electromagnética por el agua aumenta significativamente a 1450 nm. El rango de 1530-1560 nm domina en la región de larga distancia. |
| Infrarrojo de longitud de onda media, MWIR | 3-8 micras | 400-150 meV | En este rango, los cuerpos calentados a varios cientos de grados centígrados comienzan a irradiar. En este rango, los cabezales de referencia térmica de los sistemas de defensa aérea y las cámaras termográficas técnicas son sensibles . |
| Infrarrojo de longitud de onda larga, LWIR | 8-15 micras | 150-80 meV | En este rango, los cuerpos con temperaturas alrededor de los cero grados centígrados comienzan a irradiar. En este rango, las cámaras termográficas para dispositivos de visión nocturna son sensibles. |
| Infrarrojo lejano, FIR | 15 - 1000 micras | 80-1,2 meV |
esquema CIE
La Comisión Internacional de Iluminación ( en inglés International Commission on Illumination ) recomienda la división de la radiación infrarroja en los siguientes tres grupos [7] :
- IR-A: 700 nm - 1400 nm (0,7 µm - 1,4 µm)
- IR-B: 1400 nm - 3000 nm (1,4 µm - 3 µm)
- IR-C: 3000 nm - 1 mm (3 µm - 1000 µm)
Esquema ISO 20473
La Organización Internacional de Normalización propone el siguiente esquema:
| Designacion | Abreviatura | Longitud de onda |
|---|---|---|
| infrarrojo cercano | RIN | 0,78-3 micras |
| infrarrojo medio | MIR | 3-50 micras |
| infrarrojo lejano | ABETO | 50-1000 micras |
Carta astronómica
Los astrónomos suelen dividir el espectro infrarrojo de la siguiente manera [8] :
| Designacion | Abreviatura | Longitud de onda |
|---|---|---|
| infrarrojo cercano | RIN | (0,7…1) — 5 micras |
| infrarrojo medio | MIR | 5 — (25…40) micras |
| infrarrojo lejano | ABETO | (25…40) — (200…350) micras |
Radiación térmica
La radiación térmica o radiación es la transferencia de energía de un cuerpo a otro en forma de ondas electromagnéticas radiadas por los cuerpos debido a su energía interna. La radiación térmica se encuentra principalmente en la región infrarroja del espectro de 0,74 micras a 1000 micras . Una característica distintiva de la transferencia de calor radiante es que puede llevarse a cabo entre cuerpos ubicados no solo en cualquier medio, sino también en el vacío . Un ejemplo de radiación térmica es la luz de una lámpara incandescente . El poder de radiación térmica de un objeto que cumple los criterios de un cuerpo completamente negro se describe mediante la ley de Stefan-Boltzmann . La relación entre las capacidades de radiación y absorción de los cuerpos se describe mediante la ley de radiación de Kirchhoff . La radiación térmica es uno de los tres tipos elementales de transferencia de energía térmica (además de la conducción de calor y la convección ). La radiación de equilibrio es la radiación térmica que está en equilibrio termodinámico con la materia.
Visión infrarroja
Los órganos de percepción de los humanos y otros primates superiores no están adaptados para la radiación infrarroja (es decir, el ojo humano no la ve), sin embargo, algunas especies biológicas son capaces de percibir la radiación infrarroja con sus órganos de visión . Entonces, por ejemplo, la visión de algunas serpientes les permite ver en el rango infrarrojo y cazar presas de sangre caliente por la noche (cuando su silueta tiene el contraste más pronunciado con el fondo de un área fría). Además, las boas comunes tienen esta habilidad simultáneamente con la visión normal, como resultado de lo cual pueden ver el entorno simultáneamente en dos rangos: visible normal (como la mayoría de los animales) e infrarrojo. Entre los peces, la capacidad de ver bajo el agua en el rango infrarrojo se distingue por peces como las pirañas que se alimentan de animales de sangre caliente que han entrado en el agua y los peces dorados . Entre los insectos, los mosquitos tienen visión infrarroja , lo que les permite navegar con gran precisión hacia las zonas del cuerpo de la presa que están más saturadas de vasos sanguíneos [9] .
Aplicación
Dispositivo de visión nocturna
Hay varias formas de visualizar una imagen infrarroja invisible:
- Las modernas cámaras de video de semiconductores son sensibles al infrarrojo cercano. Para evitar errores de color, las cámaras de video domésticas comunes están equipadas con un filtro especial que corta la imagen IR. Las cámaras para sistemas de seguridad, por regla general, no tienen dicho filtro. Sin embargo, por la noche no hay fuentes naturales de IR cercano, por lo que sin iluminación artificial (por ejemplo, LED infrarrojos), estas cámaras no mostrarán nada.
- El convertidor óptico-electrónico es un dispositivo fotoelectrónico de vacío que amplifica la luz del espectro visible y del IR cercano. Tiene alta sensibilidad y es capaz de dar una imagen con muy poca luz. Son históricamente los primeros dispositivos de visión nocturna, muy utilizados y actualmente en dispositivos de visión nocturna baratos. Dado que solo funcionan en el IR cercano, al igual que las cámaras de video de semiconductores, requieren iluminación.
- El bolómetro es un sensor térmico. Los bolómetros para sistemas de visión técnica y dispositivos de visión nocturna son sensibles en el rango de longitud de onda de 3 a 14 micrones (IR medio), que corresponde a la radiación de los cuerpos calentados entre -50 y 500 grados centígrados. Así, al registrar la radiación de los propios objetos, los dispositivos bolométricos no requieren iluminación externa y crean una imagen de la diferencia de temperatura.
Termografía
La termografía infrarroja, imagen térmica o video térmico es un método para obtener un termograma, una imagen en rayos infrarrojos que muestra una imagen de la distribución de los campos de temperatura. Las cámaras termográficas o cámaras termográficas detectan la radiación en el rango infrarrojo del espectro electromagnético (aproximadamente 900-14000 nanómetros ) y, en base a esta radiación, crean imágenes que permiten determinar lugares sobrecalentados o sobreenfriados. Dado que la radiación infrarroja la emiten todos los objetos que tienen temperatura, según la fórmula de Planck para la radiación de cuerpo negro , la termografía permite "ver" el entorno con o sin luz visible . La cantidad de radiación emitida por un objeto aumenta a medida que aumenta su temperatura, por lo que la termografía le permite ver las diferencias de temperatura. Los objetos calientes se ven mejor que los enfriados a temperatura ambiente; los seres humanos y los animales de sangre caliente son más fácilmente visibles en el entorno, tanto de día como de noche.
Las cámaras termográficas son utilizadas por las fuerzas armadas para detectar objetivos de contraste térmico (mano de obra y equipos) en cualquier momento del día, los servicios de bomberos y rescate las utilizan para buscar víctimas, identificar fuentes de combustión, analizar la situación y buscar vías de evacuación, también se utilizan en medicina para diagnosticar diversas enfermedades, con su ayuda se detecta sobrecalentamiento en las articulaciones y partes que se encuentran en estado de emergencia, etc.
Localización por infrarrojos
Un cabezal de referencia de infrarrojos es un cabezal de referencia que funciona según el principio de capturar ondas infrarrojas emitidas por un objetivo capturado . Es un dispositivo óptico-electrónico diseñado para identificar un objetivo contra el fondo circundante y emitir una señal de captura a un dispositivo de observación automática (APU), así como para medir y emitir una señal de la velocidad angular de la línea de visión al piloto automático
Calentador infrarrojo
La radiación infrarroja es ampliamente utilizada para calentar habitaciones y espacios al aire libre. El calentador de infrarrojos , un dispositivo de calefacción que emite calor principalmente por radiación, y no por convección , se utiliza para organizar calefacción adicional o principal en habitaciones (casas, apartamentos, oficinas, etc.), así como para calefacción local de espacios al aire libre ( cafés callejeros, cenadores, terrazas) o áreas en grandes locales (áreas de caja en hipermercados) [10] .
Un calentador de infrarrojos en la vida cotidiana a veces se denomina incorrectamente reflector. La energía radiante es absorbida por las superficies circundantes, convirtiéndose en energía térmica, calentándolas, que a su vez emiten calor al aire. Esto brinda un efecto económico significativo en comparación con el calentamiento por convección, donde el calor se gasta significativamente en calentar el espacio debajo del techo no utilizado. Además, con la ayuda de calentadores IR, es posible calentar localmente solo aquellas áreas de la habitación donde es necesario sin calentar todo el volumen de la habitación; el efecto térmico de los calentadores infrarrojos se siente inmediatamente después del encendido, lo que evita el precalentamiento de la habitación. Estos factores reducen los costos de energía.
Al pintarLos emisores de infrarrojos se utilizan a menudo para secar superficies pintadas. El método de secado por infrarrojos tiene ventajas significativas sobre el método tradicional de convección . En primer lugar, este es un efecto económico: debido a la absorción de calor por la superficie directamente pintada, el proceso es mucho más rápido y se gasta mucha menos energía en este caso que con los métodos tradicionales. Además, se minimiza la convección del aire, lo que genera menos polvo en las superficies pintadas.
Astronomía infrarroja
La rama de la astronomía y la astrofísica que estudia los objetos en el espacio que son visibles en luz infrarroja. En este caso, la radiación infrarroja significa ondas electromagnéticas con una longitud de onda de 0,74 a 2000 micras. La radiación infrarroja se encuentra en el rango entre la radiación visible , cuya longitud de onda va de los 380 a los 750 nanómetros, y la radiación submilimétrica.
La astronomía infrarroja comenzó a desarrollarse en la década de 1830, varias décadas después del descubrimiento de la radiación infrarroja por parte de William Herschel . Inicialmente, el progreso fue insignificante y hasta principios del siglo XX no hubo descubrimientos de objetos astronómicos en el infrarrojo a excepción del Sol y la Luna , sin embargo, luego de una serie de descubrimientos realizados en radioastronomía en las décadas de 1950 y 1960, los astrónomos se dieron cuenta de la presencia de una gran cantidad de información que estaba fuera del rango visible. Desde entonces, se ha formado la astronomía infrarroja moderna.
Espectroscopia infrarroja
La espectroscopia infrarroja es una rama de la espectroscopia que cubre la región de longitud de onda larga del espectro (> 730 nm más allá del límite rojo de la luz visible ). Los espectros infrarrojos surgen como resultado del movimiento vibratorio (parcialmente rotacional) de las moléculas, es decir, como resultado de las transiciones entre los niveles vibratorios del estado electrónico básico de las moléculas. La radiación IR es absorbida por muchos gases, con la excepción de O 2 , N 2 , H 2 , Cl 2 y gases monoatómicos. La absorción ocurre a una longitud de onda característica de cada gas específico, para el CO, por ejemplo, esta es la longitud de onda de 4,7 micrones.
Usando espectros de absorción infrarrojos, se puede establecer la estructura de moléculas de varias sustancias orgánicas (e inorgánicas) con moléculas relativamente cortas: antibióticos , enzimas , alcaloides , polímeros , compuestos complejos , etc. Espectros vibratorios de moléculas de varias sustancias orgánicas (e inorgánicas) con moléculas relativamente largas ( proteínas , grasas , carbohidratos , ADN , ARN , etc.) están en el rango de terahercios , por lo que la estructura de estas moléculas se puede establecer usando espectrómetros de radiofrecuencia en el rango de terahercios. Por el número y la posición de los picos en los espectros de absorción IR, se puede juzgar la naturaleza de la sustancia ( análisis cualitativo ), y por la intensidad de las bandas de absorción, la cantidad de sustancia ( análisis cuantitativo ). Los instrumentos principales son varios tipos de espectrómetros infrarrojos .
Transferencia de datos
La difusión de los LED infrarrojos, los láseres y los fotodiodos hizo posible crear un método de transmisión de datos óptico inalámbrico basado en ellos. En tecnología informática, generalmente se usa para conectar computadoras con dispositivos periféricos ( interfaz IrDA ).A diferencia del canal de radio, el canal infrarrojo es insensible a las interferencias electromagnéticas , y esto permite su uso en condiciones industriales. Las desventajas del canal infrarrojo incluyen la necesidad de ventanas ópticas en el equipo, la orientación relativa correcta de los dispositivos. En este momento, hay una gran cantidad de fabricantes de equipos de red basados en la transmisión de luz en la atmósfera (FSO), por lo general, esto es punto a punto. Ahora, los científicos han logrado una tasa de transferencia de datos en la atmósfera de más de 4 Tbps. Al mismo tiempo, se conocen terminales de comunicación producidos en serie con velocidades de hasta 100 Gbit/s. En condiciones de línea de visión, el canal infrarrojo puede proporcionar comunicación a distancias de varios kilómetros. No es necesario hablar sobre el secreto del canal de comunicación, ya que el rango IR no es visible para el ojo humano (sin usar un dispositivo especial) y la divergencia angular del canal de comunicación no supera los 17 mrad en todos los ejes.
La radiación térmica también se utiliza para recibir señales de alerta [11] .
Mando a distancia
Los diodos y fotodiodos infrarrojos se utilizan ampliamente en controles remotos , sistemas de automatización, sistemas de seguridad, algunos teléfonos móviles ( infrarrojos ), etc. Los rayos infrarrojos no distraen la atención de una persona debido a su invisibilidad.
Curiosamente, la radiación infrarroja de un control remoto doméstico se capta fácilmente usando cámaras digitales baratas o videocámaras con modo nocturno, que no tienen un filtro infrarrojo especial.
Medicina
La radiación infrarroja más utilizada en medicina se encuentra en varios sensores de flujo sanguíneo (PPG).
Los medidores generalizados de frecuencia del pulso (HR, HR - frecuencia cardíaca) y saturación de oxígeno en la sangre (SpO2) utilizan LED de radiación verde (para el pulso) y rojo e infrarrojo (para SpO2).
La radiación láser infrarroja se utiliza en la técnica DLS (Digital Light Scattering) para determinar la frecuencia del pulso y las características del flujo sanguíneo.
Los rayos infrarrojos se utilizan en fisioterapia .
Influencia de la radiación infrarroja de onda larga:
- Estimulación y mejora de la circulación sanguínea. Cuando se expone a la radiación infrarroja de onda larga en la piel, se produce una irritación de los receptores de la piel y, debido a la reacción del hipotálamo, los músculos lisos de los vasos sanguíneos se relajan, como resultado, los vasos se dilatan.
- Mejora de los procesos metabólicos. El efecto térmico de la radiación infrarroja estimula la actividad a nivel celular, mejora los procesos de neurorregulación y metabolismo.
Esterilización de alimentos
Con la ayuda de la radiación infrarroja, los productos alimenticios se esterilizan con el fin de desinfectarlos. .
Industria alimentaria
Una característica del uso de la radiación infrarroja en la industria alimentaria es la posibilidad de penetración de una onda electromagnética en productos de porosidad capilar como granos, cereales y harina, a una profundidad de hasta 7 mm. Este valor depende de la naturaleza de la superficie, la estructura, las propiedades del material y la respuesta de frecuencia de la radiación. Una onda electromagnética de un cierto rango de frecuencia no solo tiene un efecto térmico, sino también biológico en el producto, ayuda a acelerar las transformaciones bioquímicas en polímeros biológicos ( almidón , proteína , lípidos ). Las cintas transportadoras de secado se pueden utilizar con éxito al depositar grano en graneros y en la industria de molienda de harina.
La desventaja es la falta de uniformidad significativamente mayor del calentamiento, que es completamente inaceptable en una serie de procesos tecnológicos.
Autenticación de dinero
El emisor de infrarrojos se utiliza en dispositivos para comprobar dinero. Las tintas metaméricas especiales aplicadas al billete como uno de los elementos de seguridad solo se pueden ver en el rango infrarrojo. Los detectores de moneda por infrarrojos son los dispositivos más libres de errores para verificar la autenticidad del dinero. . La aplicación de etiquetas infrarrojas a los billetes, a diferencia de las ultravioletas, es costosa para los falsificadores y, por lo tanto, económicamente no rentable. . Por lo tanto, los detectores de billetes con emisor IR incorporado, hoy en día, son la protección más confiable contra la falsificación. .
Teledetección de la Tierra
La radiación infrarroja es ampliamente utilizada en la teledetección de la Tierra desde el espacio. El uso conjunto de imágenes satelitales en el rango IR con imágenes en otras partes del espectro hace posible aplicar métodos que son fundamentalmente similares a la espectroscopia para analizar la superficie terrestre. Esto es especialmente cierto para el estudio de la vegetación cuando se calculan varios índices de vegetación .
Peligro para la salud
La radiación infrarroja muy fuerte en lugares de mucho calor puede secar la membrana mucosa de los ojos. Es más peligroso cuando la radiación no va acompañada de luz visible. En tales situaciones, es necesario usar gafas protectoras especiales para los ojos [12] .
La radiación infrarroja con una longitud de onda de 1,35 µm, 2,2 µm, con un pico de potencia suficiente en un pulso láser, puede causar la destrucción efectiva de las moléculas de ADN, que es más fuerte que la radiación en el rango infrarrojo cercano [13] .
La Tierra como emisor de infrarrojos
La superficie de la Tierra y las nubes absorben la radiación visible e invisible del Sol y vuelven a irradiar la mayor parte de la energía absorbida como radiación infrarroja hacia la atmósfera. Ciertas sustancias en la atmósfera, principalmente gotas de agua y vapor de agua, pero también dióxido de carbono, metano, nitrógeno, hexafluoruro de azufre y clorofluorocarbonos, absorben esta radiación infrarroja y la vuelven a irradiar en todas las direcciones, incluso hacia la Tierra. Por lo tanto, el efecto invernadero mantiene la atmósfera y la superficie más cálidas que si no hubiera absorbentes de infrarrojos en la atmósfera [14] [15] .
Véase también
Notas
- ↑ La longitud de una onda electromagnética en el vacío.
- ↑ Radiación infrarroja // Kazajstán. Enciclopedia Nacional . - Almaty: Enciclopedias kazajas , 2005. - T. II. — ISBN 9965-9746-3-2 . (CC POR SA 3.0)
- ↑ Gran Enciclopedia Rusa : [en 35 volúmenes] / cap. edición Yu. S. Osipov . - M. : Gran Enciclopedia Rusa, 2004-2017.
- ↑ Radiación infrarroja // Gran Enciclopedia de Cirilo y Metodio
- ↑ 1 2 3 Espectro // Enciclopedia de Collier
- ↑ Byrnes, James. Detección y mitigación de artefactos explosivos sin explotar . - Springer, 2009. - Pág . 21-22 . — ISBN 978-1-4020-9252-7 .
- ↑ Henderson, Roy Consideraciones sobre la longitud de onda . Instituts für Umform- und Hochleistungs. Consultado el 18 de octubre de 2007. Archivado desde el original el 28 de octubre de 2007.
- ↑ Infrarrojo cercano, medio y lejano . NASAIPAC. Consultado el 4 de abril de 2007. Archivado desde el original el 28 de mayo de 2013.
- ↑ Animales que pueden ver la luz infrarroja Archivado el 15 de junio de 2017 en Wayback Machine Por Rebecca Boardman; ciencia.com . 25 de abril de 2017.
- ↑ Sistema de calefacción por infrarrojos . Consultado el 29 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 21 de septiembre de 2017.
- ↑ I.A. Bodrenko. Patente RU 165421 U1 para modelo de utilidad: Un dispositivo diseñado para recibir una señal de alerta por parte de un tirador cuando utiliza un arma de fuego de armas pequeñas individuales que contiene un mango de control y una culata . SERVICIO FEDERAL DE PROPIEDAD INTELECTUAL (20 de octubre de 2016). (enlace no disponible)
- ↑ Monona Rossol. La guía completa de salud y seguridad del artista . - 2001. - S. 33. - 405 p. — ISBN 978-1-58115-204-3 .
- ↑ Ivánov Igor. Toda la gama de radiación infrarroja cercana es destructiva para el ADN . elementy.ru (2 de mayo de 2014). Consultado el 3 de mayo de 2014. Archivado desde el original el 3 de mayo de 2014.
- ^ Fuentes globales de gases de efecto invernadero . Emisiones de Gases de Efecto Invernadero en Estados Unidos 2000 . Administración de Información de Energía (2 de mayo de 2002). Fecha de acceso: 13 de agosto de 2007. Archivado desde el original el 28 de mayo de 2013.
- ↑ Nubes y Radiación . Consultado el 12 de agosto de 2007. Archivado desde el original el 16 de septiembre de 2008.
Enlaces
- Radiación infrarroja - artículo de la Enciclopedia física
- Nuevas fuentes y receptores de infrarrojos y terahercios .
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