W ogólnym rozumieniu promieniowanie podczerwone emitowane jest przez ciała stałe, ciecze oraz gazy na skutek ruchu termicznego materii, czyli cząsteczek ciał promieniujących. Ciało nagrzane do określonej temperatury wyższej od zera bezwzględnego w wyniku ruchu cząsteczek, cechuje się promieniowaniem termicznym przejawiającym się emitowaniem mocy cieplnej. Do naturalnych źródeł promieniowania podczerwonego można zaliczyć oddziaływanie słońca lub ognia, częściej jednak do wytwarzania źródła promieniowania stosowane są specjalistyczne obiekty techniczne znajdujące zastosowanie w określonych praktycznych warunkach pracy. W skutek przekazania energii od źródła ciepła następuje proces nagrzewania pod postacią promieniowania temperaturowego (podczerwonego), czyli fali elektromagnetycznej.
Za promieniowanie elektromagnetyczne (podczerwone) przyjmuje się zakres pomiędzy promieniowaniem widzialnym dostrzegalnym przez zmysł wzroku człowieka, a promieniowaniem w postaci fal radiowych. Oznacza to, iż za promieniowanie podczerwone przyjmuje się przybliżony zakres od 0.7 µm do 1000 µm. Wyróżnić należy również zakres częstotliwości drgań promieniowania podczerwonego (Hz) mieszczącego się w przedziale pomiędzy 10^6 MHz i 10^6 ∙500 MHz.
Grafika nr 2 prezentuje zakres podczerwieni w ogólnym zestawieniu widma (spektrum) fal elektromagnetycznych. Obraz, przedstawia również wyszczególnioną długość fali elektromagnetycznej dla promieniowania podczerwonego oraz promieniowania widzialnego.
W ogólnym podziale promieniowania można wyróżnić trzy główne pasma długości fal:
- Podczerwień bliska, (near-infrared) o zakresie 0,7 μm - 1,4 μm, (IR-A),
- Podczerwień średnia, (mid-infrared) o zakresie 1,4 μm - 3 μm, (IR-B),
- Podczerwień daleka (far-infrared) o zakresie 3 μm - 1 mm, (IR-C).
Promieniowanie cieplne określają następujące prawa:
- Prawo Kirchoffa
- Prawo Plancka
- Prawo Wiena
- Prawo Stefana-Boltzmanna
Promieniowanie jest emitowane przez ciała stałe, ciecze oraz gazy, tym samym każde ciało oprócz wysyłania energii posiada właściwości radiacyjne związane z reagowaniem na padające promieniowanie zewnętrzne. Prawo Kirchoffa określa zależność między umiejętnością ciała do pochłaniania i emitowania promieniowania. Grafika nr 3 przedstawia ciało poddane oddziaływaniu energii cieplnej oznaczonej symbolem Q.
Dla takiego układu energia zostaje rozbita, gdzie:
- QA - pochłonięta energia
- QR - odbita energia
- QP - przepuszczona energia
Bilans energii można przedstawić w postaci równania:
Gdzie:
A - absorpcyjność,
R - refleksyjność,
P - przepuszczalność.
Wskazane właściwości wpływają na to, że rozróżnić można następujące rodzaje ciał:
Ciało doskonale czarne - charakteryzujące się pochłanianiem całego padającego na nie promieniowania. Ciało takie nie odbija żadnych fal elektromagnetycznych, a wtedy:
A = 1, R = 0, P = 0
Ciało doskonale białe - charakteryzujące się odbijaniem całego padającego na nie promieniowania. Ciało takie nie absorbuje żadnych fal elektromagnetycznych, a wtedy:
A = 0, R = 1, P = 0
Ciało doskonale przepuszczalne - charakteryzujące się przepuszczaniem całej energii bez strat przez obiekt, a wtedy:
A = 0, R = 0, P = 1
Grafika nr 4 przedstawia reakcję powierzchni z padającym promieniowaniem dla: a - ciała doskonale czarnego, b - ciała doskonale białego
Ciało szare - stanowi obiekt o właściwościach pośrednich na tle wyidealizowanych przypadków ciała doskonale czarnego, białego czy przepuszczalnego. Rzeczywista reakcja obiektów w przyrodzie zależy od zbioru parametrów ich określających takich jak: struktura obiektu, czy długość fali promieniującej. Ciałem odpowiadającym tym założeniom jest ciało szare, które częściowo pochłania jak i odbija padające na nie promieniowanie, wtedy:
0 < A < 1
0 < R < 1
Każde ciało emituje energię, którą określa natężenie promieniowania, czyli ilość energii wypromieniowanej w jednostce czasu. Zestawiając tą emisję z zakresem promieniowania, można zdefiniować monochromatyczne natężenie promieniowania. Prawo Plancka pozwala ustalić jego wielkość na przykładzie ciała doskonale czarnego:
Wraz ze wzrostem temperatury nasila się również wartość intensywności promieniowania, a wartości maksymalne monochromatycznego natężenia promieniowania przesuwają się w kierunku krótszych długości fal, czyli promieniowania świetlnego. Rysunek nr 6 ilustruje rozkład energii wypromieniowanej przez ciało doskonale czarne według rozkładu Plancka. Zgodnie z ilustracją największe ilości wypromieniowanej energii dla zakresu temperaturowego 500 [K] - 3000 [K] przenoszą fale podczerwone o długościach 0,7 [μm] - 3,0 [μm]. Gdy temperatura osiąga wartości rzędu 4000 [K] - 5000 [K] przypadają one na zakres fal o długościach 0,4 [μm] - 0,6 [μm], czyli zakres światła widzialnego.
Emisyjność obiektów rzeczywistych określa współczynnik emisyjności [ε], nazywany stopniem czarności. Ciałem szarym nazywamy ciało, którego współczynnik emisyjności ma wartość stałą dla całego zakresu długości fali. Wartość współczynnika emisji [ε] dla ciał szarych jest mniejsza od 1 i określa się go stosunkiem całkowitej energii wypromieniowanej ciała szarego do całkowitej energii wypromieniowanej ciała doskonale czarnego. Poniższa tabela przedstawia zestawienie współczynników emisyjności dla niektórych ciał szarych:
ODNIESIENIA:
- Marek Kowalczyk: Gazowe i elektryczne promienniki podczerwieni, 2004.
- Edyta Dudkiewicz, Natalia Fidorów, Janusz Jeżowiecki; Analiza zużycia energii dla grzewczych systemów promieniujących. Politechnika Wrocławska, 2013.
- Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej; Badanie promienników podczerwieni. Politechnika Poznańska.