Infračervené záření

Šablona:Infobox - Vlnění Infračervené záření (zkratka IR, z anglického infrared) je elektromagnetické záření s vlnovou délkou větší než má viditelné světlo, ale menší než mikrovlnné záření. Jeho název, odvozený z latinského slova infra (česky „pod“), odkazuje na jeho pozici v elektromagnetickém spektru hned za červenou barvou. Pro lidské oko je neviditelné, ale vnímáme ho jako sálavé teplo. Každé těleso s teplotou vyšší než absolutní nula (-273,15 °C) vyzařuje infračervené záření.

Toto záření hraje klíčovou roli v mnoha přírodních i technologických procesech, od přenosu tepla ze Slunce až po moderní komunikační a zobrazovací technologie.

⏳ Historie

Objev infračerveného záření je připisován britskému astronomovi německého původu, Williamu Herschelovi. V roce 1800 prováděl experiment, při kterém rozkládal sluneční světlo pomocí skleněného hranolu na jednotlivé barvy spektra. Pomocí teploměrů měřil teplotu jednotlivých barevných složek světla a všiml si, že teplota stoupá od fialové k červené. Z pouhé zvědavosti umístil teploměr i do oblasti těsně za červeným koncem viditelného spektra, kde nebylo vidět žádné světlo. K jeho překvapení zde naměřil nejvyšší teplotu ze všech. Tímto experimentem dokázal existenci neviditelného druhu záření, které nazval „kalorifické paprsky“ (calorific rays), a které dnes známe jako infračervené záření.

🔬 Fyzikální vlastnosti

Infračervené záření je forma elektromagnetického vlnění a platí pro něj stejné fyzikální zákony jako pro světlo, jako je odraz, lom, ohyb a interference. Jeho vlnová délka se pohybuje v rozmezí od 760 nm do 1 mm.

Rozdělení IR spektra

Oblast infračerveného záření je široká a pro praktické účely se dělí na několik pásem. Dělení není zcela jednotné, ale často se používá klasifikace Mezinárodní komise pro osvětlování (CIE) nebo jiné podobné systémy:

Blízké infračervené záření (NIR - Near Infrared): Vlnová délka 0,76–1,4 µm. Je nejblíže viditelnému světlu a využívá se například v dálkových ovladačích nebo v telekomunikacích s optickými vlákny.
Krátkovlnné infračervené záření (SWIR - Short-Wavelength Infrared): Vlnová délka 1,4–3 µm. V této oblasti dochází k silné absorpci vodou.
Střední infračervené záření (MWIR - Mid-Wavelength Infrared): Vlnová délka 3–8 µm. Toto pásmo je klíčové pro termografii, protože tělesa o teplotě lidského těla vyzařují maximum energie právě zde. Využívá se také v infračervené spektroskopii pro analýzu molekulárních vibrací.
Dlouhovlnné infračervené záření (LWIR - Long-Wavelength Infrared): Vlnová délka 8–15 µm. Využívají ho termokamery pro pasivní zobrazování teplotních polí.
Vzdálené infračervené záření (FIR - Far Infrared): Vlnová délka 15–1 000 µm (1 mm). Tato oblast přechází do mikrovlnného a terahertzového záření. Využívá se v astronomii a při studiu rotačních přechodů molekul.

Tepelné záření

Infračervené záření je často nesprávně označováno jako "tepelné záření". Ve skutečnosti jakékoli elektromagnetické záření při absorpci zahřívá povrchy. Nicméně, objekty při běžných pozemských teplotách (včetně lidského těla) vyzařují většinu své tepelné energie právě v infračervené oblasti. Tento jev je popsán Planckovým vyzařovacím zákonem. Sluneční záření, které ohřívá Zemi, je tvořeno přibližně z 50 % infračerveným zářením, zbytek připadá na viditelné světlo a ultrafialové záření.

💡 Zdroje záření

Zdroje infračerveného záření lze rozdělit na přírodní a umělé.

Přírodní zdroje

Slunce: Nejvýznamnější přírodní zdroj, jehož záření je zhruba z poloviny tvořeno IR složkou.
Země: Zemský povrch pohlcuje sluneční záření a sám vyzařuje energii zpět do vesmíru ve formě dlouhovlnného infračerveného záření. Tento proces je klíčový pro skleníkový efekt.
Živé organismy: Všichni živočichové a rostliny vyzařují teplo a jsou tak zdrojem IR záření.
Oheň: Jakýkoli oheň je silným zdrojem infračerveného záření.

Umělé zdroje

Infrazářiče a topná tělesa: Zařízení navržená specificky k produkci tepla, jako jsou infrapanely, teplomety nebo topné spirály.
Žárovky: Klasické wolframové žárovky vyzařují většinu své energie v infračervené oblasti, a pouze malou část ve viditelném světle.
LED diody: Speciální světelné diody (IR LED) jsou běžně používány v dálkových ovladačích, bezpečnostních kamerách a pro přenos dat.
Lasery: Infračervené lasery mají široké využití v průmyslu (řezání, svařování), medicíně (chirurgie, terapie) i v telekomunikacích.

🔭 Aplikace

Díky svým jedinečným vlastnostem má infračervené záření mimořádně široké spektrum využití v nejrůznějších oborech.

🌡️ Termografie a noční vidění

Termografie je bezkontaktní metoda, která pomocí termokamer vizualizuje rozložení teplot na povrchu těles. Každý pixel na výsledném snímku (termogramu) odpovídá určité teplotě.

Stavebnictví: Odhalování úniků tepla z budov, kontrola kvality izolace a detekce vlhkosti.
Průmysl: Kontrola přehřívání strojů, ložisek, motorů a elektrických rozvodů, což slouží jako prevence poruch.
Bezpečnost a vojenství: Noční vidění umožňuje pozorování osob, vozidel a objektů ve tmě na základě jejich tepelné stopy.
Medicína: Neinvazivní detekce zánětů, poruch prokrvení nebo nádorových onemocnění, která se projevují změnou povrchové teploty.

📡 Komunikace

Dálkové ovladače: Většina dálkových ovladačů pro televizory, klimatizace a další spotřebiče používá IR diodu k přenosu signálu.
Optické komunikace: Blízké infračervené záření se používá pro přenos dat v optických vláknech díky nízkému útlumu signálu.
IrDA: Starší technologie pro bezdrátový přenos dat na krátkou vzdálenost mezi notebooky a mobilními telefony.

🔬 Věda a výzkum

Infračervená spektroskopie: Analytická metoda, která zkoumá interakci IR záření s hmotou. Umožňuje identifikovat chemické látky a určit strukturu jejich molekul na základě absorpce specifických vlnových délek, což vytváří unikátní "otisk prstu" pro každou molekulu. Používá se v chemii, farmacii, kriminalistice i při analýze uměleckých děl.
Infračervená astronomie: Infračervené teleskopy umožňují pozorovat objekty, které jsou příliš chladné na to, aby zářily ve viditelném světle, jako jsou vznikající hvězdy a planety, hnědí trpaslíci nebo prachoplynová mračna. IR záření také lépe proniká mezihvězdným prachem, což umožňuje nahlédnout do hustých oblastí, jako je centrum naší Galaxie. Mezi významné infračervené observatoře patří Vesmírný dalekohled Jamese Webba nebo již neaktivní Herschelova vesmírná observatoř.

♨️ Vytápění a ohřev

Infrapanely: Moderní způsob vytápění, který neohřívá primárně vzduch, ale přímo osoby a předměty v místnosti, což je efektivní a příjemné. Princip je podobný sálání tepla ze Slunce.
Průmyslový ohřev: Využívá se pro sušení barev, laků, v potravinářství pro pečení a pasterizaci nebo při zpracování plastů.

❤️ Medicína a wellness

Fyzioterapie: Infralampa se používá k prohřívání tkání, což zlepšuje prokrvení, uvolňuje svalové křeče a snižuje bolest. Pomáhá při léčbě artrózy, zánětů nebo bolestí zad.
Infrasauna: Využívá infračervené zářiče k prohřátí těla do větší hloubky a při nižší teplotě vzduchu než tradiční sauna.

👶 Pro laiky

Představte si, že stojíte venku za chladného, ale slunečného dne. I když je vzduch studený, na tváři cítíte teplo od Slunce. To "neviditelné teplo", které cítíte, je infračervené záření. Je to jako teplo, které sálá z ohně v krbu nebo z rozpálené plotýnky, i když se jich přímo nedotýkáte.

Každá věc kolem nás, která má nějakou teplotu – vaše tělo, hrnek s čajem, dokonce i kostka ledu (i když jen velmi málo) – vysílá toto neviditelné tepelné záření. My ho očima nevidíme, ale speciální kamery, kterým se říká termokamery, ho vidět umí. Pro ně svět nevypadá barevně jako pro nás, ale spíše jako teplotní mapa. Teplé věci, jako je člověk nebo běžící motor auta, na ní svítí jasně (červeně a žlutě), zatímco studené věci jsou tmavé (modré a fialové).

Díky tomu můžeme infračervené záření využít k mnoha chytrým věcem. Například dálkový ovladač k televizi má malou "žárovičku", která neviditelně bliká v infračerveném světle a posílá tak televizi příkazy. Nebo hasiči mohou pomocí termokamery vidět skrz kouř a najít lidi v hořícím domě.

Zdroje