Infrarotstrahlung IR. Nutzen und Schaden von Infrarotstrahlung. Wenn IR-Strahlung schädlich sein kann

Infrarotstrahlung wird in der Medizin aktiv eingesetzt und ihre wohltuenden Eigenschaften wurden schon lange vor dem Aufkommen der modernen Forschung erkannt. Schon in der Antike wurde die Hitze von Kohlen, erhitztem Salz, Metall und anderen Materialien zur Behandlung von Wunden, Prellungen, Erfrierungen, Tuberkulose und vielen anderen Krankheiten genutzt.

Die Forschung des 20.-21. Jahrhunderts hat gezeigt, dass Infrarotstrahlung eine gewisse Wirkung auf die äußere Haut und die inneren Organe hat, was ihren Einsatz zu therapeutischen und präventiven Zwecken ermöglicht.

Wirkung von Infrarotstrahlung auf den Körper

Infrarotstrahlen erwärmen nicht nur, aber nur wenige Menschen wissen davon. Seit der Entdeckung der Infrarotstrahlung durch Herschel im Jahr 1800 haben Wissenschaftler und Ärzte die folgenden Arten von Auswirkungen auf den menschlichen Körper identifiziert:

• Aktivierung des Stoffwechsels;
• Erweiterung der Blutgefäße, einschließlich Kapillaren;
• Aktivierung der kapillaren Blutzirkulation;
• krampflösende Wirkung;
• analgetische Wirkung;
• entzündungshemmende Wirkung;
• Aktivierung von Reaktionen innerhalb der Zelle.

Bei dosierter Anwendung wirkt sich die Einwirkung von Infrarotstrahlen allgemein auf die Gesundheit aus. Bereits heute wurden viele Geräte entwickelt, die in Physiotherapieräumen eingesetzt werden.

Natürlich sollte die Exposition dosiert erfolgen, um Überhitzung, Verbrennungen und andere negative Reaktionen zu vermeiden.

Methoden zur Verwendung von Infrarotstrahlen

Da Infrarotstrahlen die Blutgefäße erweitern und den Blutfluss beschleunigen, werden sie zur Verbesserung und Anregung der Durchblutung eingesetzt. Wenn langwellige Infrarotstrahlen auf die Haut gerichtet werden, werden deren Rezeptoren gereizt, was zu einer Reaktion im Hypothalamus führt und ein Signal sendet, die glatte Muskulatur der Blutgefäße zu „entspannen“. Dadurch erweitern sich Kapillaren, Venen und Arterien und der Blutfluss beschleunigt sich.

Nicht nur die Wände der Blutgefäße reagieren auf Infrarotstrahlung, auch auf zellulärer Ebene kommt es zu einer Beschleunigung des Stoffwechsels sowie zu einer Verbesserung des Ablaufs neuroregulatorischer Prozesse.

Die Einwirkung von Infrarotstrahlen spielt eine unschätzbare Rolle bei der Verbesserung der Immunität. Dank der erhöhten Produktion von Makrophagozyten wird die Phagozytose beschleunigt und die Immunität einer Person auf Flüssigkeits- und Zellebene gestärkt. Parallel dazu kommt es zu einer Stimulierung der Aminosäuresynthese sowie einer erhöhten Produktion von Enzymen und Nährstoffen.

Es wurde auch eine desinfizierende Wirkung festgestellt; Infrarotstrahlen töten eine Reihe von Bakterien im menschlichen Körper und neutralisieren die Wirkung einiger Schadstoffe.

Medizinische Probleme, die mit IR-Strahlung gelöst werden können

Im Rahmen der Behandlung wird die Infrarottherapie eingesetzt, da Sie damit die folgenden Effekte beheben können:

• die Schwere der Schmerzen nimmt ab;
• das Schmerzsyndrom verschwindet;
• das Wasser-Salz-Gleichgewicht wird wiederhergestellt;
• das Gedächtnis verbessert sich;
• es gibt einen Lymphdrainageeffekt;
• die Durchblutung (einschließlich des Gehirns) und die Blutversorgung des Gewebes werden normalisiert;
• Blutdruck normalisiert sich;
• Giftstoffe und Schwermetallsalze werden schneller ausgeschieden;
• die Produktion von Endorphin und Melatonin nimmt zu;
• die Hormonproduktion wird normalisiert;
• Krankheitserreger und Pilze werden abgetötet;
• das Wachstum von Krebszellen wird unterdrückt;
• es gibt eine antinukleare Wirkung;
• es zeigt sich eine desodorierende Wirkung;
• das Immunsystem wird wiederhergestellt;
• Hypertonie und erhöhte Muskelspannung werden gelindert;
• emotionale Spannung verschwindet;
• Müdigkeit häuft sich weniger an;
• der Schlaf wird normalisiert;
• Die Funktionen der inneren Organe normalisieren sich wieder.

Krankheiten, die mit Infrarotstrahlung behandelt werden

Natürlich wird ein so großer positiver Effekt aktiv zur Behandlung einer ganzen Reihe von Krankheiten genutzt:

• Bronchialasthma;
• Grippe;
• Lungenentzündung;
• onkologische Erkrankungen;
• Bildung von Verwachsungen;
• Adenom;
• Magengeschwür;
• Parotitis;
• Gangrän;
• Fettleibigkeit;
• Phlebeurysma;
• Salzvorkommen;
• Sporen, Hühneraugen, Schwielen;
• Hautkrankheiten;
• Gefäßerkrankungen;
• schlecht heilende Wunden;
• Verbrennungen, Erfrierungen;
• Erkrankungen des peripheren Nervensystems;
• Lähmung;
• Dekubitus.

Aufgrund der Tatsache, dass der Stoffwechsel aktiviert und der Blutfluss, auch in den Kapillaren, normalisiert wird, erholen sich Organe und Gewebe viel schneller und kehren in den Normalbetrieb zurück.

Bei regelmäßiger Einwirkung von Infrarotstrahlen auf den Körper kehren sich Entzündungsprozesse um, die Geweberegeneration, der antiinfektive Schutz und die lokale Widerstandskraft nehmen zu.

Wenn emittierende Geräte zusammen mit Medikamenten und physiotherapeutischen Verfahren eingesetzt werden, ist es möglich, eine positive Dynamik 1,5-2 mal schneller zu erreichen. Die Genesung erfolgt schneller und die Wahrscheinlichkeit eines Rückfalls wird verringert.

Ein separates Thema ist der Einsatz der Infrarotstrahlentherapie bei adipösen Patienten. Hier wird die Hauptwirkung durch die Normalisierung des Stoffwechsels, einschließlich des Zellstoffwechsels, erreicht. Außerdem fördert die Erwärmung der Körperoberfläche eine schnellere Beseitigung der angesammelten Fettmasse. IR-Strahlung wird in Verbindung mit Diät und medikamentöser Behandlung eingesetzt.

Infrarotstrahlung in der Sportmedizin

Untersuchungen zu wirksamen Behandlungen zur Wiederherstellung von Verletzungen haben gezeigt, dass Infrarotstrahlen die Heilung von Verletzungen beschleunigen. Die praktischen Ergebnisse sind ziemlich beeindruckend; Sportler haben solch positive Veränderungen gezeigt.

INFRAROTSTRAHLUNG (IR-Strahlung, IR-Strahlen), elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen λ von etwa 0,74 μm bis etwa 1–2 mm, also Strahlung, die den Spektralbereich zwischen dem roten Ende der sichtbaren Strahlung und der kurzwelligen (Submillimeter-)Radioemission einnimmt . Infrarotstrahlung gehört zur optischen Strahlung, wird aber im Gegensatz zur sichtbaren Strahlung vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen. Durch die Wechselwirkung mit der Oberfläche von Körpern erwärmt es diese, weshalb es oft als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Herkömmlicherweise wird der Bereich der Infrarotstrahlung in nahe (λ = 0,74–2,5 µm), mittlere (2,5–50 µm) und ferne (50–2000 µm) unterteilt. Infrarotstrahlung wurde von W. Herschel (1800) und unabhängig davon von W. Wollaston (1802) entdeckt.

Infrarotspektren können linienförmig (Atomspektren), kontinuierlich (Spektren kondensierter Materie) oder gestreift (Molekülspektren) sein. Die optischen Eigenschaften (Transmission, Reflexion, Brechung etc.) von Stoffen in Infrarotstrahlung unterscheiden sich in der Regel deutlich von den entsprechenden Eigenschaften in sichtbarer oder ultravioletter Strahlung. Viele Substanzen, die für sichtbares Licht transparent sind, sind für Infrarotstrahlung bestimmter Wellenlängen undurchlässig und umgekehrt. So ist eine mehrere Zentimeter dicke Wasserschicht für Infrarotstrahlung mit λ > 1 μm undurchlässig, weshalb Wasser häufig als Hitzeschutzfilter verwendet wird. Für sichtbare Strahlung undurchsichtige Platten aus Ge und Si sind für Infrarotstrahlung bestimmter Wellenlängen transparent, schwarzes Papier ist im fernen Infrarotbereich transparent (solche Stoffe werden als Lichtfilter zur Isolierung von Infrarotstrahlung verwendet).

Das Reflexionsvermögen der meisten Metalle ist bei Infrarotstrahlung viel höher als bei sichtbarer Strahlung und nimmt mit zunehmender Wellenlänge zu (siehe Metalloptik). Somit erreicht die Reflexion von Infrarotstrahlung von Al-, Au-, Ag-, Cu-Oberflächen mit λ = 10 μm 98 %. Flüssige und feste nichtmetallische Stoffe weisen eine selektive (wellenlängenabhängige) Reflexion von Infrarotstrahlung auf, deren Lage von Maxima von ihrer chemischen Zusammensetzung abhängt.

Beim Durchgang durch die Erdatmosphäre wird Infrarotstrahlung aufgrund der Streuung und Absorption durch Atome und Moleküle der Luft gedämpft. Stickstoff und Sauerstoff absorbieren keine Infrarotstrahlung und schwächen sie nur durch Streuung ab, die bei Infrarotstrahlung viel geringer ist als bei sichtbarem Licht. Die in der Atmosphäre vorhandenen Moleküle H 2 O, O 2, O 3 und andere absorbieren selektiv (selektiv) Infrarotstrahlung, besonders stark absorbieren sie die Infrarotstrahlung von Wasserdampf. Im gesamten IR-Bereich des Spektrums werden H 2 O-Absorptionsbanden und im mittleren Teil CO 2 -Banden beobachtet. In den Oberflächenschichten der Atmosphäre gibt es nur wenige „Transparenzfenster“ für Infrarotstrahlung. Das Vorhandensein von Rauchpartikeln, Staub und kleinen Wassertropfen in der Atmosphäre führt zu einer zusätzlichen Dämpfung der Infrarotstrahlung durch deren Streuung an diesen Partikeln. Bei kleinen Partikelgrößen wird Infrarotstrahlung weniger gestreut als sichtbare Strahlung, die in der IR-Fotografie verwendet wird.

Quellen für Infrarotstrahlung. Eine starke natürliche Quelle für Infrarotstrahlung ist die Sonne, etwa 50 % ihrer Strahlung liegen im IR-Bereich. Infrarotstrahlung macht 70 bis 80 % der Strahlungsenergie von Glühlampen aus; Es wird von einem Lichtbogen und verschiedenen Gasentladungslampen, allen Arten von elektrischen Raumheizgeräten, emittiert. In der wissenschaftlichen Forschung sind Infrarotstrahlungsquellen Wolframstreifenlampen, Nernst-Stiftlampen, Globarlampen, Quecksilberhochdrucklampen usw. Die Strahlung einiger Lasertypen liegt auch im IR-Bereich des Spektrums (z. B. der Wellenlänge von Neodym). Glaslaser beträgt 1,06 μm, Helium-Neon-Laser – 1,15 und 3,39 Mikrometer, CO 2 -Laser – 10,6 Mikrometer.

Infrarotstrahlungsempfänger basieren auf der Umwandlung von Strahlungsenergie in andere messbare Energiearten. Bei thermischen Empfängern führt die absorbierte Infrarotstrahlung zu einem Temperaturanstieg des wärmeempfindlichen Elements, der aufgezeichnet wird. Bei fotoelektrischen Empfängern führt die Absorption von Infrarotstrahlung zum Auftreten oder zur Änderung von elektrischem Strom oder Spannung. Photoelektrische Detektoren sind (im Gegensatz zu thermischen) selektiv, das heißt, sie reagieren nur auf Strahlung aus einem bestimmten Bereich des Spektrums. Die fotografische Aufzeichnung von Infrarotstrahlung erfolgt mit speziellen Fotoemulsionen, die jedoch nur für Wellenlängen bis 1,2 Mikrometer empfindlich sind.

Anwendung von Infrarotstrahlung. IR-Strahlung wird häufig in der wissenschaftlichen Forschung und zur Lösung verschiedener praktischer Probleme eingesetzt. Die Emissions- und Absorptionsspektren von Molekülen und Festkörpern liegen im IR-Bereich; sie werden in der Infrarotspektroskopie, bei Strukturproblemen untersucht und auch in der qualitativen und quantitativen Spektralanalyse verwendet. Im fernen IR-Bereich liegt die Strahlung, die bei Übergängen zwischen Zeeman-Unterebenen von Atomen entsteht; die IR-Spektren von Atomen ermöglichen die Untersuchung der Struktur ihrer elektronischen Hüllen. Fotografien desselben Objekts, die im sichtbaren und infraroten Bereich aufgenommen wurden, können sich aufgrund unterschiedlicher Reflexions-, Transmissions- und Streukoeffizienten erheblich unterscheiden; Bei der IR-Fotografie können Sie Details erkennen, die bei der normalen Fotografie unsichtbar sind.

In der Industrie wird Infrarotstrahlung zum Trocknen und Erhitzen von Materialien und Produkten und im Alltag zum Heizen von Räumen eingesetzt. Basierend auf infrarotempfindlichen Fotokathoden wurden elektronenoptische Wandler geschaffen, bei denen ein für das Auge unsichtbares IR-Bild eines Objekts in ein sichtbares umgewandelt wird. Auf der Grundlage solcher Konverter werden verschiedene Nachtsichtgeräte (Ferngläser, Visiere usw.) gebaut, die es ihnen ermöglichen, Objekte in völliger Dunkelheit zu erkennen, zu beobachten und zu zielen, indem sie sie mit Infrarotstrahlung aus speziellen Quellen bestrahlen. Mit Hilfe hochempfindlicher Infrarotstrahlungsempfänger führen sie mit ihrer eigenen Infrarotstrahlung eine thermische Peilung von Objekten durch und erstellen Zielsuchsysteme für das Ziel von Projektilen und Raketen. Mit IR-Ortungsgeräten und IR-Entfernungsmessern können Sie im Dunkeln Objekte erkennen, deren Temperatur höher als die Umgebungstemperatur ist, und Entfernungen zu ihnen messen. Die leistungsstarke Strahlung von IR-Lasern wird in der wissenschaftlichen Forschung sowie für die Boden- und Weltraumkommunikation, zur Lasersondierung der Atmosphäre usw. verwendet. Infrarotstrahlung wird zur Reproduktion des Messgerätnormals verwendet.

Lit.: Schreiber G. Infrarotstrahlen in der Elektronik. M., 2003; Tarasov V.V., Yakushenkov Yu.G. Infrarotsysteme vom Typ „schauend“. M., 2004.

Infrarotstrahlung (IR) ist eine Art elektromagnetischer Strahlung, die den Spektralbereich zwischen sichtbarem rotem Licht (INFRArot: BELOW red) und kurzwelligen Radiowellen einnimmt. Diese Strahlen erzeugen Wärme und werden wissenschaftlich als Thermowellen bezeichnet. Diese Strahlen erzeugen Wärme und werden wissenschaftlich als Thermowellen bezeichnet.

Alle erhitzten Körper senden Infrarotstrahlung aus, einschließlich des menschlichen Körpers und der Sonne, die auf diese Weise unseren Planeten erwärmt und allen Leben auf ihm Leben einhaucht. Die Wärme, die wir von einem Feuer in der Nähe eines Feuers oder Kamins, einer Heizung oder warmem Asphalt spüren, ist eine Folge von Infrarotstrahlen.

Das gesamte Spektrum der Infrarotstrahlung wird üblicherweise in drei Hauptbereiche unterteilt, die sich in der Wellenlänge unterscheiden:

• Kurze Wellenlänge, mit Wellenlänge λ = 0,74-2,5 µm;
• Mittelwelle, mit Wellenlänge λ = 2,5-50 µm;
• Lange Wellenlänge, mit Wellenlänge λ = 50-2000 µm.

Nah- oder kurzwellige Infrarotstrahlen sind überhaupt nicht heiß; wir spüren sie nicht einmal. Diese Wellen werden beispielsweise in TV-Fernbedienungen, Automatisierungssystemen, Sicherheitssystemen usw. verwendet. Ihre Frequenz ist höher und dementsprechend ist ihre Energie höher als die von Ferninfrarotstrahlen. Aber nicht in einem Ausmaß, das den Körper schädigt. Bei Wellenlängen im mittleren Infrarot beginnt die Wärmeerzeugung, und wir spüren bereits ihre Energie. Infrarotstrahlung wird auch „Wärmestrahlung“ genannt, da die Strahlung erhitzter Gegenstände von der menschlichen Haut als Wärmeempfindung wahrgenommen wird. In diesem Fall hängen die vom Körper emittierten Wellenlängen von der Erwärmungstemperatur ab: Je höher die Temperatur, desto kürzer die Wellenlänge und desto höher die Strahlungsintensität. Beispielsweise entspricht eine Quelle mit einer Wellenlänge von 1,1 Mikrometern geschmolzenem Metall und eine Quelle mit einer Wellenlänge von 3,4 Mikrometern entspricht Metall am Ende des Walzens oder Schmiedens.

Für uns von Interesse ist das Spektrum mit einer Wellenlänge von 5-20 Mikrometern, da in diesem Bereich mehr als 90 % der von Infrarot-Heizsystemen erzeugten Strahlung mit einem Strahlungspeak von 10 Mikrometern auftritt. Es ist sehr wichtig, dass der menschliche Körper selbst bei dieser Frequenz Infrarotwellen von 9,4 Mikrometern aussendet. Somit wird jede Strahlung einer bestimmten Frequenz vom menschlichen Körper als verwandt wahrgenommen und hat eine wohltuende und darüber hinaus heilende Wirkung auf ihn.

Bei einer solchen Einwirkung von Infrarotstrahlung auf den Körper entsteht der Effekt der „Resonanzabsorption“, der durch die aktive Absorption äußerer Energie durch den Körper gekennzeichnet ist. Infolgedessen kann man einen Anstieg des Hämoglobinspiegels einer Person, eine Erhöhung der Aktivität von Enzymen und Östrogenen und allgemein eine Stimulierung der Vitalaktivität einer Person beobachten.

Die Wirkung der Infrarotstrahlung auf die Oberfläche des menschlichen Körpers ist, wie bereits erwähnt, nützlich und darüber hinaus angenehm. Erinnern Sie sich an die ersten sonnigen Tage zu Beginn des Frühlings, als nach einem langen und trüben Winter endlich die Sonne herauskam! Sie spüren, wie es den beleuchteten Bereich Ihrer Haut, Ihres Gesichts und Ihrer Handflächen angenehm umhüllt. Ich möchte keine Handschuhe und Mütze mehr tragen, trotz der im Vergleich zur „angenehmen“ eher niedrigen Temperatur. Aber sobald eine kleine Wolke auftaucht, verspüren wir sofort ein spürbares Unbehagen durch die Unterbrechung eines so angenehmen Gefühls. Dies ist genau die Strahlung, die uns den ganzen Winter über so sehr gefehlt hat, als die Sonne lange Zeit abwesend war und wir wohl oder übel unseren „Infrarotposten“ durchgeführt haben.

Durch die Einwirkung von Infrarotstrahlung können Sie Folgendes beobachten:

• Beschleunigung des Stoffwechsels im Körper;
• Wiederherstellung des Hautgewebes;
• Verlangsamung des Alterungsprozesses;
• Entfernen von überschüssigem Fett aus dem Körper;
• Freisetzung menschlicher motorischer Energie;
• Erhöhung der antimikrobiellen Resistenz des Körpers;
• Aktivierung des Pflanzenwachstums

und viele viele andere. Darüber hinaus wird Infrarotbestrahlung in der Physiotherapie zur Behandlung vieler Krankheiten, einschließlich Krebs, eingesetzt, da sie die Erweiterung der Kapillaren fördert, die Durchblutung der Gefäße anregt, die Immunität verbessert und eine allgemeine therapeutische Wirkung hat.

Und das ist überhaupt nicht verwunderlich, denn diese Strahlung wird uns von der Natur gegeben, um Wärme und Leben an alle Lebewesen zu übertragen, die diese Wärme und diesen Komfort benötigen, und dabei den leeren Raum und die Luft als Vermittler zu umgehen.

Im unsichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der hinter sichtbarem rotem Licht beginnt und vor Mikrowellenstrahlung zwischen den Frequenzen 10 12 und 5∙10 14 Hz endet (bzw. im Wellenlängenbereich 1-750 nm liegt). Der Name kommt vom lateinischen Wort infra und bedeutet „unter Rot“.

Die Einsatzmöglichkeiten von Infrarotstrahlen sind vielfältig. Sie werden zur Abbildung von Objekten in Dunkelheit oder Rauch, zur Beheizung von Saunen und zur Beheizung von Flugzeugflügeln zur Enteisung, zur Kommunikation über kurze Entfernungen und zur spektroskopischen Analyse organischer Verbindungen eingesetzt.

Öffnung

Infrarotstrahlen wurden im Jahr 1800 von dem in Deutschland geborenen britischen Musiker und Amateurastronomen William Herschel entdeckt. Mit einem Prisma zerlegte er das Sonnenlicht in seine Bestandteile und registrierte mit einem Thermometer einen Temperaturanstieg über den roten Teil des Spektrums hinaus.

IR-Strahlung und Wärme

Infrarotstrahlung wird oft als Wärmestrahlung bezeichnet. Es ist jedoch zu beachten, dass dies nur eine Folge davon ist. Wärme ist ein Maß für die Translationsenergie (Bewegungsenergie) von Atomen und Molekülen einer Substanz. „Temperatur“-Sensoren messen eigentlich keine Wärme, sondern nur Unterschiede in den IR-Emissionen verschiedener Objekte.

Viele Physiklehrer führen traditionell die gesamte Wärmestrahlung der Sonne auf Infrarotstrahlen zurück. Aber es ist nicht so. Sichtbares Sonnenlicht liefert 50 % der gesamten Wärme, und elektromagnetische Wellen beliebiger Frequenz und ausreichender Intensität können eine Erwärmung verursachen. Man kann jedoch mit Recht sagen, dass Objekte bei Raumtemperatur Wärme hauptsächlich im mittleren Infrarotbereich erzeugen.

IR-Strahlung wird durch die Rotationen und Schwingungen chemisch gebundener Atome oder Atomgruppen und damit von vielen Arten von Materialien absorbiert und emittiert. Beispielsweise absorbiert Fensterglas, das für sichtbares Licht transparent ist, IR-Strahlung. Infrarotstrahlen werden größtenteils vom Wasser und der Atmosphäre absorbiert. Obwohl sie für das Auge unsichtbar sind, sind sie auf der Haut spürbar.

Die Erde als Quelle für Infrarotstrahlung

Die Oberfläche unseres Planeten und Wolken absorbieren Sonnenenergie, die größtenteils in Form von Infrarotstrahlung an die Atmosphäre abgegeben wird. Bestimmte darin enthaltene Stoffe, vor allem Dampf und Wassertröpfchen sowie Methan, Kohlendioxid, Stickoxide, Fluorchlorkohlenwasserstoffe und Schwefelhexafluorid, absorbieren im Infrarotbereich des Spektrums und emittieren in alle Richtungen, auch zur Erde. Aufgrund des Treibhauseffekts sind die Erdatmosphäre und die Erdoberfläche daher viel wärmer, als wenn es keine Stoffe in der Luft gäbe, die Infrarotstrahlen absorbieren.

Diese Strahlung spielt eine wichtige Rolle bei der Wärmeübertragung und ist ein wesentlicher Bestandteil des sogenannten Treibhauseffekts. Auf globaler Ebene erstreckt sich der Einfluss der Infrarotstrahlung auf die Strahlungsbilanz der Erde und beeinflusst nahezu die gesamte Biosphärenaktivität. Fast jedes Objekt auf der Oberfläche unseres Planeten sendet elektromagnetische Strahlung hauptsächlich in diesem Teil des Spektrums aus.

IR-Regionen

Der Infrarotbereich wird oft in engere Abschnitte des Spektrums unterteilt. Das Deutsche Normungsinstitut DIN hat folgende Wellenlängenbereiche von Infrarotstrahlen definiert:

• nahe (0,75–1,4 µm), häufig in der Glasfaserkommunikation verwendet;
• kurzwellig (1,4-3 Mikrometer), ab dem die Absorption von IR-Strahlung durch Wasser deutlich zunimmt;
• Mittelwelle, auch Mittelwelle genannt (3-8 Mikrometer);
• langwellig (8-15 Mikrometer);
• große Reichweite (15-1000 Mikrometer).

Dieses Klassifizierungsschema wird jedoch nicht allgemein verwendet. Einige Studien berichten beispielsweise über die folgenden Bereiche: nahe (0,75–5 µm), mittel (5–30 µm) und lang (30–1000 µm). In der Telekommunikation verwendete Wellenlängen werden aufgrund von Einschränkungen bei Detektoren, Verstärkern und Quellen in separate Bänder eingeteilt.

Das allgemeine Notationssystem wird durch menschliche Reaktionen auf Infrarotstrahlen begründet. Der Nahinfrarotbereich kommt der für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlänge am nächsten. Strahlung im mittleren und fernen Infrarotbereich entfernt sich allmählich vom sichtbaren Teil des Spektrums. Andere Definitionen folgen anderen physikalischen Mechanismen (wie Emissionsspitzen und Wasserabsorption), und die neuesten basieren auf der Empfindlichkeit der verwendeten Detektoren. Beispielsweise sind herkömmliche Siliziumsensoren im Bereich von etwa 1050 nm empfindlich, und Indiumgalliumarsenid ist im Bereich von 950 nm bis 1700 und 2200 nm empfindlich.

Es gibt keine klare Grenze zwischen Infrarot- und sichtbarem Licht. Das menschliche Auge reagiert deutlich weniger empfindlich auf rotes Licht über 700 nm, intensives Licht (vom Laser) ist jedoch bis etwa 780 nm sichtbar. Der Beginn des Infrarotbereichs wird in verschiedenen Normen unterschiedlich definiert und liegt irgendwo zwischen diesen Werten. Typischerweise beträgt diese 750 nm. Daher sind sichtbare Infrarotstrahlen im Bereich von 750–780 nm möglich.

Symbole in Kommunikationssystemen

Die optische Nahinfrarotkommunikation ist technisch in mehrere Frequenzbänder unterteilt. Dies liegt an den unterschiedlichen absorbierenden und durchlässigen Materialien (Fasern) und Detektoren. Diese beinhalten:

• O-Band 1.260–1.360 nm.
• E-Band 1.360–1.460 nm.
• S-Band 1.460–1.530 nm.
• C-Band 1.530–1.565 nm.
• L-Band 1,565–1,625 nm.
• U-Band 1,625–1,675 nm.

Thermografie

Thermografie oder Wärmebildtechnik ist eine Art Infrarotbild von Objekten. Da alle Körper Infrarotstrahlung aussenden und die Intensität der Strahlung mit der Temperatur zunimmt, können spezielle Kameras mit Infrarotsensoren verwendet werden, um sie zu erkennen und Bilder aufzunehmen. Bei sehr heißen Objekten im nahen Infrarot oder sichtbaren Bereich nennt man diese Methode Pyrometrie.

Die Thermografie ist unabhängig von der Beleuchtung mit sichtbarem Licht. Daher ist es möglich, die Umgebung auch im Dunkeln zu „sehen“. Insbesondere warme Objekte, darunter Menschen und Warmblüter, heben sich gut von einem kühleren Hintergrund ab. Infrarot-Landschaftsfotografie verbessert die Darstellung von Objekten basierend auf ihrer Wärmeabgabe, sodass blauer Himmel und Wasser fast schwarz erscheinen, während grünes Laub und Haut lebendig hervortreten.

In der Vergangenheit wurde die Thermografie häufig von Militär- und Sicherheitsdiensten eingesetzt. Darüber hinaus gibt es viele weitere Einsatzmöglichkeiten. Feuerwehrleute nutzen es beispielsweise, um bei einem Brand durch Rauch zu sehen, Personen zu finden und Brennpunkte zu lokalisieren. Die Thermografie kann aufgrund der erhöhten Wärmeentwicklung abnormales Gewebewachstum und Defekte in elektronischen Systemen und Schaltkreisen aufdecken. Elektriker, die Stromleitungen warten, können überhitzte Verbindungen und Teile erkennen, die auf ein Problem hinweisen, und die potenzielle Gefahr beseitigen. Wenn die Isolierung versagt, können Baufachleute Wärmelecks erkennen und die Effizienz von Kühl- oder Heizsystemen verbessern. In einigen High-End-Autos sind Wärmebildkameras zur Unterstützung des Fahrers installiert. Mit der Thermographie können verschiedene physiologische Reaktionen bei Menschen und Warmblütern überwacht werden.

Das Aussehen und die Funktionsweise einer modernen Thermografiekamera unterscheiden sich nicht von denen einer herkömmlichen Videokamera. Die Fähigkeit, im Infrarotspektrum zu sehen, ist eine so nützliche Funktion, dass die Möglichkeit, Bilder aufzuzeichnen, oft optional ist und ein Aufnahmemodul nicht immer verfügbar ist.

Andere Bilder

Bei der IR-Fotografie wird der Nahinfrarotbereich mithilfe spezieller Filter erfasst. Digitalkameras neigen dazu, IR-Strahlung zu blockieren. Allerdings können günstige Kameras, die nicht über entsprechende Filter verfügen, im nahen Infrarotbereich „sehen“. In diesem Fall erscheint normalerweise unsichtbares Licht hellweiß. Dies macht sich besonders bei Aufnahmen in der Nähe von beleuchteten Infrarotobjekten (z. B. einer Lampe) bemerkbar, wo die resultierende Interferenz das Bild verblasst.

Erwähnenswert ist auch die T-Beam-Bildgebung, bei der es sich um Bildgebung im fernen Terahertz-Bereich handelt. Das Fehlen heller Quellen macht solche Bilder technisch anspruchsvoller als die meisten anderen IR-Bildgebungstechniken.

LEDs und Laser

Zu den künstlichen Infrarotstrahlungsquellen zählen neben heißen Objekten auch LEDs und Laser. Bei ersteren handelt es sich um kleine, kostengünstige optoelektronische Geräte aus Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid. Sie werden als Optoisolatoren und als Lichtquellen in einigen Glasfaser-Kommunikationssystemen verwendet. Hochleistungsoptisch gepumpte IR-Laser arbeiten auf der Basis von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid. Sie werden verwendet, um chemische Reaktionen einzuleiten und zu modifizieren und Isotope zu trennen. Darüber hinaus werden sie in Lidar-Systemen zur Bestimmung der Entfernung zu einem Objekt eingesetzt. Infrarotstrahlungsquellen werden auch in Entfernungsmessern automatischer selbstfokussierender Kameras, Sicherheitsalarmen und optischen Nachtsichtgeräten verwendet.

IR-Empfänger

Zu den IR-Detektionsinstrumenten gehören temperaturempfindliche Geräte wie Thermoelementdetektoren, Bolometer (von denen einige auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, um Störungen durch den Detektor selbst zu reduzieren), Photovoltaikzellen und Fotoleiter. Letztere bestehen aus Halbleitermaterialien (z. B. Silizium und Bleisulfid), deren elektrische Leitfähigkeit bei Einwirkung von Infrarotstrahlen zunimmt.

Heizung

Infrarotstrahlung wird zum Heizen eingesetzt – zum Beispiel zum Beheizen von Saunen und zum Entfernen von Eis von Flugzeugtragflächen. Zunehmend wird es auch zum Aufschmelzen von Asphalt beim Bau neuer Straßen oder bei der Sanierung von Schadstellen eingesetzt. IR-Strahlung kann zum Kochen und Erhitzen von Speisen verwendet werden.

Verbindung

Infrarotwellenlängen werden zur Datenübertragung über kurze Entfernungen verwendet, beispielsweise zwischen Computerperipheriegeräten und persönlichen digitalen Assistenten. Diese Geräte entsprechen normalerweise den IrDA-Standards.

IR-Kommunikation wird typischerweise in Innenräumen in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte eingesetzt. Dies ist die gebräuchlichste Methode zur Fernsteuerung von Geräten. Aufgrund ihrer Eigenschaften können Infrarotstrahlen nicht durch Wände dringen und daher nicht mit Geräten in angrenzenden Räumen interagieren. Darüber hinaus werden IR-Laser als Lichtquellen in faseroptischen Kommunikationssystemen eingesetzt.

Spektroskopie

Infrarotstrahlungsspektroskopie ist eine Technologie zur Bestimmung der Strukturen und Zusammensetzungen (hauptsächlich) organischer Verbindungen durch Untersuchung der Transmission von Infrarotstrahlung durch Proben. Es basiert auf der Eigenschaft von Substanzen, bestimmte Frequenzen zu absorbieren, die von der Dehnung und Biegung innerhalb der Moleküle der Probe abhängen.

Die Infrarotabsorptions- und Emissionseigenschaften von Molekülen und Materialien liefern wichtige Informationen über die Größe, Form und chemische Bindung von Molekülen, Atomen und Ionen in Festkörpern. Die Rotations- und Vibrationsenergien sind in allen Systemen quantisiert. IR-Strahlung der Energie hν, die von einem bestimmten Molekül oder einer bestimmten Substanz emittiert oder absorbiert wird, ist ein Maß für den Unterschied in bestimmten inneren Energiezuständen. Sie werden wiederum durch das Atomgewicht und die molekularen Bindungen bestimmt. Aus diesem Grund ist die Infrarotspektroskopie ein leistungsstarkes Werkzeug zur Bestimmung der inneren Struktur von Molekülen und Substanzen oder, wenn diese Informationen bereits bekannt und tabellarisch aufgeführt sind, deren Mengen. Techniken der IR-Spektroskopie werden häufig zur Bestimmung der Zusammensetzung und damit der Herkunft und des Alters archäologischer Proben sowie zur Erkennung von Fälschungen von Kunstwerken und anderen Objekten eingesetzt, die bei der Untersuchung unter sichtbarem Licht den Originalen ähneln.

Nutzen und Schaden von Infrarotstrahlen

Langwellige Infrarotstrahlung wird in der Medizin zu folgenden Zwecken eingesetzt:

• Normalisierung des Blutdrucks durch Anregung der Durchblutung;
• Reinigung des Körpers von Schwermetallsalzen und Giftstoffen;
• verbessert die Durchblutung des Gehirns und des Gedächtnisses;
• Normalisierung des Hormonspiegels;
• Aufrechterhaltung des Wasser-Salz-Gleichgewichts;
• Begrenzung der Ausbreitung von Pilzen und Mikroben;
• Schmerzlinderung;
• Linderung von Entzündungen;
• Stärkung des Immunsystems.

Gleichzeitig kann IR-Strahlung bei akuten eitrigen Erkrankungen, Blutungen, akuten Entzündungen, Blutkrankheiten und bösartigen Tumoren schädlich sein. Unkontrollierte längere Exposition führt zu Hautrötungen, Verbrennungen, Dermatitis und Hitzschlag. Kurzwellige Infrarotstrahlen sind gefährlich für die Augen – es kann zu Lichtscheu, grauem Star und Sehstörungen kommen. Daher sollten zum Heizen ausschließlich langwellige Strahlungsquellen verwendet werden.

Infrarotstrahlung ist der Teil des Sonnenstrahlungsspektrums, der direkt an den roten Teil des sichtbaren Spektrums angrenzt. Das menschliche Auge kann in diesem Bereich des Spektrums nicht sehen, wir können diese Strahlung jedoch als Wärme spüren.

Infrarotstrahlung hat zwei wichtige Eigenschaften: die Wellenlänge (Frequenz) der Strahlung und die Intensität der Strahlung. Abhängig von der Wellenlänge werden drei Bereiche der Infrarotstrahlung unterschieden: nah (0,75–1,5 Mikrometer), mittel (1,5–5,6 Mikrometer) und fern (5,6–100 Mikrometer). Unter Berücksichtigung der physiologischen Eigenschaften des Menschen unterteilt die moderne Medizin den Infrarotbereich des Strahlungsspektrums in 3 Bereiche:

• Wellenlänge 0,75–1,5 Mikrometer – Strahlung, die tief in die menschliche Haut eindringt (IR-A-Bereich);
• Wellenlänge 1,5–5 Mikrometer – Strahlung, die von der Epidermis und der Bindegewebsschicht der Haut absorbiert wird (IR-B-Bereich);
• Wellenlänge über 5 Mikrometer – auf der Hautoberfläche absorbierte Strahlung (IR-C-Bereich). Darüber hinaus wird die größte Penetration im Bereich von 0,75 bis 3 Mikrometern beobachtet und dieser Bereich wird als „therapeutisches Transparenzfenster“ bezeichnet.

Abbildung 1 (Originalquelle – Journal of Biomedical Optics 12(4), 044012 Juli/August 2007) zeigt die Absorptionsspektren der IR-Strahlung für Wasser und Gewebe menschlicher Organe in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Es wird darauf hingewiesen, dass das Gewebe des menschlichen Körpers zu 98 % aus Wasser besteht, und diese Tatsache erklärt die Ähnlichkeit der Absorptionseigenschaften von Infrarotstrahlung im Spektralbereich von 1,5–10 Mikrometern.

Wenn wir die Tatsache berücksichtigen, dass Wasser selbst IR-Strahlung im Bereich von 1,5 bis 10 Mikrometern mit Peaks bei Wellenlängen von 2,93, 4,7 und 6,2 Mikrometern intensiv absorbiert (Yukhnevich G.V. Infrarotspektroskopie von Wasser, M, 1973), dann ist dies am effektivsten Für Heiz- und Trocknungsprozesse kommen IR-Strahler in Betracht, die im mittleren und fernen Infrarotspektrum mit einer Spitzenstrahlungsintensität im Wellenlängenbereich von 1,5–6,5 μm emittieren.

Die Gesamtenergiemenge, die pro Zeiteinheit von einer Einheit strahlender Oberfläche abgegeben wird, wird als Emissionsgrad des IR-Strahlers E, W/m² bezeichnet. Die Strahlungsenergie hängt von der Wellenlänge λ und der Temperatur der emittierenden Oberfläche ab und ist eine integrale Kenngröße, da sie die Strahlungsenergie von Wellen aller Längen berücksichtigt. Der auf das Wellenlängenintervall dλ bezogene Emissionsgrad wird als Strahlungsintensität I, W/(m²∙μm) bezeichnet.

Durch die Integration des Ausdrucks (1) können wir den Emissionsgrad (spezifische integrale Strahlungsenergie) basierend auf dem experimentell ermittelten Strahlungsintensitätsspektrum im Wellenlängenbereich von λ1 bis λ2 bestimmen:

Abbildung 2 zeigt die Emissionsintensitätsspektren von NOMAKON™ IKN-101 IR-Strahlern, die bei verschiedenen elektrischen Nennleistungen des Strahlers erhalten wurden: 1000 W, 650 W, 400 W und 250 W.

Mit zunehmender Leistung des Emitters und damit der Temperatur der emittierenden Oberfläche nimmt die Intensität der Strahlung zu und das Strahlungsspektrum verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen (Wiener Verschiebungsgesetz). In diesem Fall liegt die Spitzenstrahlungsintensität (85–90 % des Spektrums) im Wellenlängenbereich von 1,5–6 Mikrometern, was der optimalen Physik des Infrarot-Heiz- und Trocknungsprozesses für diesen Fall entspricht.

Die Intensität der Infrarotstrahlung und damit die spezifische Strahlungsenergie nimmt mit zunehmender Entfernung von der Strahlungsquelle ab. Abbildung 3 zeigt die Kurven der Änderungen der spezifischen Strahlungsenergie von NOMAKON™ IKN-101-Keramikstrahlern in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der emittierenden Oberfläche und dem Messpunkt senkrecht zur emittierenden Oberfläche. Die Messungen erfolgten mit einem selektiven Radiometer im Wellenlängenbereich von 1,5–8 μm und anschließender Integration der Strahlungsintensitätsspektren. Wie aus der Grafik ersichtlich ist, nimmt die spezifische Strahlungsenergie E, W/m² umgekehrt proportional zum Abstand L, m zur Strahlungsquelle ab.