Glosārijs: Termiskais starojums un infrasarkanā enerģija

Kas ir termiskais starojums?

Termiskais starojums attiecas uz elektromagnētiskā starojuma emisiju visiem vielām, kurām ir temperatūra virs absolūtās nulles (-273,15 °C vai 0 Kelvini). Šis starojums ir termiskās kustības rezultāts lādētu daļiņu iekšā vielā un aptver visu elektromagnētisko spektru. Pie tipiskām Zemes temperatūrām lielākā daļa termiskā starojuma ir koncentrēta infrasarkanajā spektrā.

Termiskā starojuma likumi:

Termiskais starojums tiek skaidrots ar vairākiem galvenajiem fizikālajiem likumiem:

• Planka likums: Apraksta starojuma intensitāti, ko emitē melnais ķermenis (ideāls emitētājs) dažādos viļņu garumos noteiktā temperatūrā.
• ** Stefana-Bolcmaņa likums**: Norāda, ka kopējā enerģija, ko izstaro melnais ķermenis, ir proporcionāla tās absolūtās temperatūras ceturtajai pakāpei: [ E = \sigma T^4 ] Kur (E) ir starojuma enerģija, (\sigma) ir Stefana-Bolcmaņa konstante, un (T) ir temperatūra Kelvinos.
• Vīna pārvietošanas likums: Nosaka sakarību starp objekta temperatūru un viļņu garumu, pie kura tas emitē lielāko starojumu: [ \lambda_{\text{max}} = \frac{b}{T} ] Kur (\lambda_{\text{max}}) ir maksimālais viļņu garums, (b) ir Vīna pārvietošanas konstante, un (T) ir absolūtā temperatūra.

Termiskā starojuma galvenās īpašības:

1. Emisija jebkurā temperatūrā virs absolūtās nulles: Katrs objekts emitē termisko starojumu, kamēr tā temperatūra ir virs -273,15 °C.
2. Infrasarkanā dominēšana: Pie mērenām temperatūrām lielākā daļa emitētā starojuma atrodas infrasarkanajā spektrā.
3. Temperatūras atkarīgs spektrs: Objekta temperatūrai paaugstinoties, tā emitētā starojuma maksimālais viļņu garums pārvietojas uz īsākiem viļņu garumiem (piemēram, no infrasarkanā līdz redzamajai gaismai).

Piemēram:

• Kvēldarbība: Pie augstām temperatūrām (virs 525 °C vai 977 °F) objekti, piemēram, metāls, izstaro redzamo gaismu, parādās spīdot.

Kas ir infrasarkanā enerģija?

Infrasarkanā enerģija ir elektromagnētiskā spektra segments, kas atrodas starp redzamo gaismu un mikroviļņiem. Tā viļņu garumi svārstās no aptuveni 0,7 mikroniem līdz 1000 mikroniem (1 mikrons = 1 miljondaļa metra). Lai gan infrasarkanā gaisma ir neredzama cilvēka acij, tā var būt nosakāma kā siltums.

Infrasarkanā spektra sadalījums:

1. Tuvā infrasarkanā (NIR): 0,7 līdz 1,4 mikroni – vistuvāk redzamajai gaismai.
2. Vidējā infrasarkanā (MIR): 1,4 līdz 8 mikroni – ideāli piemērota termiskā starojuma un siltuma sadalījuma pētījumiem.
3. Tālā infrasarkanā (FIR): 8 līdz 15 mikroni – parasti tiek saukta par termisko infrasarkano, jo tā ir cieši saistīta ar virsmu siltuma emisiju.

Infrasarkanā starojuma atklāšana:

Infrasarkanais starojums tika atklāts 1800. gadā ar Viljamu Heršelu. Izmērot dažādu krāsu temperatūras redzamajā spektrā, viņš konstatēja, ka reģionā aiz sarkanās ( neredzamās cilvēka acij) bija pat augstākas temperatūras, tādējādi identificējot infrasarkano gaismu.

Kā tiek noteikts termiskais starojums un infrasarkanā enerģija

Speciālas ierīces ir nepieciešamas, lai noteiktu viļņu garumus, kas saistīti ar termisko starojumu un infrasarkano enerģiju.

Pasīvie infrasarkanie sensori (PIR sensori):

• Darbība: PIR sensori nosaka izmaiņas infrasarkanajā starojumā savā redzamības laukā. Kad objekts (piemēram, cilvēks vai dzīvnieks) pārvietojas pāri noteikšanas diapazonam, sensors nosaka izmaiņas apkārtējā termiskajā enerģijā.
• Pielietojumi:
• Drošības sistēmas un signalizācijas sistēmas.
• Kustību aktivizētas apgaismes sistēmas.
• Savvaļas dzīvnieku uzraudzība ar slēptām kamerām.

Infrasarkanās kameras:

• Termiskā attēlveidošana: Infrasarkanās kameras uztver attēlus, kas balstīti uz temperatūras atšķirībām. Siltāki objekti parādās spilgtāk, bet vēsāki objekti parādās tumšāk.
• Pielietojumi:
• Rūpniecība: siltuma noplūžu noteikšana un elektriskās iekārtas pārbaude.
• Medicīna: ķermeņa temperatūras uzraudzība un iekaisuma noteikšana.
• Savvaļas dzīvnieku novērošana: dzīvnieku identificēšana tumsā vai blīvā veģetācijā.

Termiskā starojuma un infrasarkanās enerģijas praktiskie pielietojumi

Savvaļas dzīvnieku uzraudzība ar slēptām kamerām

Slēptās kameras, kas aprīkotas ar PIR sensoriem un infrasarkanās attēlveidošanas iespējām, ir būtiskas savvaļas dzīvnieku novērošanai. Infrasarkanās LED nodrošina apgaismojumu, kas ir neredzams dzīvniekiem, ļaujot diskrēti darboties pilnīgā tumsā.

• Piemērs: Slēptā kamera nosaka nakts dzīvnieka, piemēram, lapsas, kustību, izmantojot savu PIR sensoru. Kamera pēc tam uzņem attēlu vai video, kas tiek izgaismots ar infrasarkano gaismu.

Kosmosa izpēte

Infrasarkanās teleskopi, piemēram, Džeimsa Veba kosmosa teleskops (JWST), ļauj astronomiem pētīt debess objektus, kas emitē galvenokārt infrasarkanajā diapazonā, piemēram, vēsos zvaigznēs un planētu sistēmās.

• Piemērs: Oriona miglājs atklāj tūkstošiem planētu veidošanās disku, novērojot ar infrasarkanās attēlveidošanas palīdzību.

Termiskā attēlveidošana ugunsdzēšanā

Infrasarkanās kameras palīdz ugunsdzējiem atrast karstos punktus, iesprostotus cilvēkus vai smēķējošus ogles caur dūmiem un tumsu.

Zemes novērošana

Satellīti, kas aprīkoti ar infrasarkanajiem sensoriem, uzrauga parādības, piemēram, mežu ugunsgrēkus, vulkānisko darbību un globālās temperatūras izmaiņas, veicinot klimata pētījumus.

• Piemērs: NASA MODIS instruments izmanto infrasarkano datus, lai noteiktu aktīvos savvaļas ugunsgrēkus.

Termiskā starojuma tehniskās detaļas

Planka likums:

Apraksta starojuma intensitātes sadalījumu dažādos viļņu garumos melnajam ķermenim noteiktā temperatūrā.

Stefana-Bolcmaņa likums:

Parāda saistību starp kopējo emitēto enerģiju un objekta temperatūru, uzsverot, ka karstāki objekti emitē eksponenciāli vairāk enerģijas.

Vīna pārvietošanas likums:

Izskaidro, kā emitētā starojuma maksimālais viļņu garums pārvietojas ar temperatūru, ilustrējot, kāpēc karstāki objekti parādās spilgtāki un zili.

Lietošanas piemēri

1. Mājas drošība: PIR sensori kustību aktivizētās gaismās nosaka ienākšņus un apgaismojumu zonas bez nepieciešamības redzamā gaismā.
2. Enerģijas audits: Termiskās attēlveidošanas kameras identificē plaisas izolācijā un siltuma zudumus ēkās.
3. Savvaļas pētījumi: Slēptās kameras novēro noslēpumainas sugas bez traucēšanas to dabiskajā uzvedībā.
4. Medicīniskā diagnostika: Infrasarkanā termogrāfija nosaka iekaisumu vai sliktu asinsriti.
5. Astronomija: Infrasarkanās teleskopi atklāj slēptās detaļas galaktikās un miglājos.

Ieteicamie vizuālie materiāli skaidrojumam

1. Elektromagnētiskā spektra diagramma: Izceļot infrasarkanā starojuma atrašanās vietu attiecībā pret redzamo gaismu un citiem viļņu garumiem.
2. Termiskās attēlveidošanas piemērs: Parādot dzīva organisma vai ēkas siltuma signatūru.
3. Infrasarkanā noteikšana savvaļas dzīvnieku kamerās: Ilustrācija tam, kā PIR sensori nosaka kustību un aktivizē ierakstu.
4. Melna ķermeņa starojuma līkne: Demonstrējot, kā temperatūra ietekmē emitētā starojuma spektru.

Secinājums

Termiskais starojums un infrasarkanā enerģija ir fundamentāli principi ar dažādiem pielietojumiem zinātnē, tehnoloģijā un ikdienas dzīvē. No nakts redzamības līdz kosmosa izpētei šīs parādības demonstrē elektromagnētiskā starojuma lietderību ārpus redzamās gaismas. Tādas ierīces kā PIR sensori un infrasarkanās kameras paplašina mūsu spēju novērot un analizēt pasauli tādā veidā, kas kādreiz bija neiedomājams.