Ordlista: Termisk strålning och infraröd energi

Vad är termisk strålning?

Termisk strålning hänvisar till utsändningen av elektromagnetisk strålning av alla material som har en temperatur över absolut noll (-273,15 °C eller 0 Kelvin). Denna strålning är resultatet av den termiska rörelsen hos laddade partiklar inom materialet och spänner över det elektromagnetiska spektrumet. Vid typiska jordtemperaturer koncentreras det mesta av den termiska strålningen i det infraröda spektrumet.

Reglerande lagar för termisk strålning:

Termisk strålning förklaras av flera nyckel fysikaliska lagar:

• Plancks lag: Beskriver intensiteten av strålning som sänds ut av en svart kropp (en ideal utstrålare) över olika våglängder vid en given temperatur.
• Stefan-Boltzmanns lag: Indikerar att den totala energin som sänds ut av en svart kropp är proportionell mot den fjärde potensen av dess absoluta temperatur: [ E = \sigma T^4 ] Där (E) är den utstrålade energin, (\sigma) är Stefan-Boltzmanns konstant, och (T) är temperaturen i Kelvin.
• Wiens förskjutningslag: Fastställer förhållandet mellan temperaturen hos ett föremål och våglängden vid vilken det sänder ut det mesta av strålningen: [ \lambda_{\text{max}} = \frac{b}{T} ] Där (\lambda_{\text{max}}) är den maximala våglängden, (b) är Wiens förskjutningskonstant, och (T) är den absoluta temperaturen.

Nyckelegenskaper hos termisk strålning:

1. Utsändning vid alla temperaturer över absolut noll: Alla föremål sänder ut termisk strålning så länge dess temperatur är över -273,15 °C.
2. Infraröd dominans: Vid måttliga temperaturer faller det mesta av den utstrålade strålningen inom det infraröda spektrumet.
3. Temperaturberoende spektrum: När ett föremåls temperatur stiger, förskjuts den maximala våglängden av dess utstrålade strålning till kortare våglängder (t.ex. från infrarött till synligt ljus).

Till exempel:

• Glödande: Vid höga temperaturer (över 525 °C eller 977 °F) sänder föremål som metall ut synligt ljus, vilket får dem att glöda.

Vad är infraröd energi?

Infraröd energi är en del av det elektromagnetiska spektrumet som ligger mellan synligt ljus och mikrovågor. Dess våglängder sträcker sig från ungefär 0,7 mikron till 1 000 mikron (1 mikron = 1 miljondel av en meter). Medan infrarött ljus är osynligt för det mänskliga ögat, kan det detekteras som värme.

Uppdelning av infrarött spektrum:

1. Nära-infrarött (NIR): 0,7 till 1,4 mikron – Närmast synligt ljus.
2. Medel-infrarött (MIR): 1,4 till 8 mikron – Ideal för studier av termisk strålning och värmefördelning.
3. Långt infrarött (FIR): 8 till 15 mikron – Vanligtvis kallad termisk infraröd, eftersom den är nära associerad med värmeutsändning från ytor.

Upptäckten av infraröd:

Infraröd strålning upptäcktes år 1800 av William Herschel. Genom att mäta temperaturerna hos olika färger i det synliga spektrumet fann han att regionen bortom rött (osynligt för det mänskliga ögat) uppvisade ännu högre temperaturer, och identifierade därmed infrarött ljus.

Hur termisk strålning och infraröd energi detekteras

Specialiserade enheter krävs för att detektera våglängderna associerade med termisk strålning och infraröd energi.

Passiva infraröda sensorer (PIR-sensorer):

• Verksamhet: PIR-sensorer detekterar förändringar i infraröd strålning inom deras synfält. När ett föremål (t.ex. en människa eller ett djur) rör sig över detektionområdet, identifierar sensorn förändringar i den omgivande termiska energin.
• Tillämpningar:
• Säkerhetssystem och inbrottslarmsystem.
• Rörelsedrivna belysningssystem.
• Viltövervakning med trail-kameror.

Infraröda kameror:

• Termisk avbildning: Infraröda kameror fångar bilder baserat på temperaturskillnader. Varmare föremål visas ljusare, medan kallare föremål visas mörkare.
• Tillämpningar:
• Industri: Detektering av värmelekar och inspektion av elektrisk utrustning.
• Medicin: Övervakning av kroppstemperatur och identifiering av inflammation.
• Viltobservation: Identifiering av djur i mörker eller tät vegetation.

Verkliga tillämpningar av termisk strålning och infraröd energi

Viltövervakning med trail-kameror

Trail-kameror utrustade med PIR-sensorer och infraröda bildningsmöjligheter är väsentliga för att observera vilt. Infraröda lysdioder ger belysning som är osynlig för djur, vilket möjliggör diskret operation i fullständig mörker.

• Exempel: En trail-kamera detekterar rörelsen hos en nattaktiv predator som en räv med hjälp av sin PIR-sensor. Kameran tar sedan en bild eller video, som belyses av infrarött ljus.

Rymdutforskning

Infraröda teleskop, som James Webb Space Telescope (JWST), låter astronomer studera himmelska föremål som främst sänder ut i det infraröda området, såsom svala stjärnor och planetära system.

• Exempel: Orion-nebeln avslöjar tusentals planetformande skivor när den observeras med infraröd avbildning.

Termisk avbildning i brandbekämpning

Infraröda kameror hjälper brandmän att lokalisera varma fläckar, fångade individer eller smolderande embers genom rök och mörker.

Jordobservation

Satelliter utrustade med infraröda sensorer övervakar fenomen som skogbränder, vulkanisk aktivitet och globala temperaturförändringar, vilket bidrar till klimatforskning.

• Exempel: NASAs MODIS-instrument använder infraröd data för att detektera aktiva skogbränder.

Tekniska detaljer om termisk strålning

Plancks lag:

Beskriver fördelningen av strålningens intensitet över våglängder för en svart kropp vid en given temperatur.

Stefan-Boltzmanns lag:

Visar förhållandet mellan den totala utstrålade energin och temperaturen hos ett föremål, vilket betonar att hetare föremål sänder ut exponentiellt mer energi.

Wiens förskjutningslag:

Förklarar hur den maximala våglängden av utstrålad strålning förskjuts med temperaturen, vilket illustrerar varför hetare föremål verkar ljusare och blåare.

Exempel på användningsfall

1. Hemssäkerhet: PIR-sensorer i rörelsedrivna lampor detekterar inkräktare och belyser områden utan att kräva synligt ljus.
2. Energiaudit: Termiska avbildningskameror identifierar luckor i isolering och värmeförlust i byggnader.
3. Viltforskning: Trail-kameror observerar svåråtkomliga arter utan att störa deras naturliga beteenden.
4. Medicinska diagnoser: Infraröd termografi detekterar inflammation eller dålig blodcirkulation.
5. Astronomi: Infraröda teleskop avslöjar dolda detaljer av galaxer och nebuloser.

Föreslagna bilder för förklaring

1. Diagram över det elektromagnetiska spektrumet: Framhävande platsen för infraröd strålning i förhållande till synligt ljus och andra våglängder.
2. Termisk bild Exempel: Visar värme signaturen hos en levande organism eller en byggnad.
3. Infraröd detektion i viltkameror: Illustration av hur PIR-sensorer detekterar rörelse och utlöser inspelning.
4. Svartkroppsstrålningkurva: Demonstrerar hur temperaturen påverkar spektrumet av utstrålad strålning.