Инфракрасное излучение – это форма передачи энергии, которая нагревает предметы без прямого контакта. По шкале электромагнитных колебаний ИК излучение непосредственно примыкает к красному спектру видимой области света и занимает спектральную область между красным светом (с длиной волны 0,76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (1-3 мм). Человеческий глаз не в состоянии видеть в этом спектре, но мы можем чувствовать его как высокую температуру по отношению к своей температуре.

Открытие инфракрасного излучения произошло в 1800 г. Английский учёный В. Гершель обнаружил, что в полученном  спектре Солнца за границей красного света (т.е. в невидимой части спектра) температура термометра повышается. Термометр, помещённый за красной частью солнечного спектра, показал повышенную температуру по сравнению с контрольными термометрами, расположенными сбоку.

Инфракрасную область спектра согласно международной классификации [18] разделяют: на ближнюю А (от 0.7 до 1.4 мкм), среднюю В (1.4 - 3 мкм) и  далёкую С (свыше 3 мкм). Деление на области является условным и используется только учеными и конструкторами.

Для нагрева человека деление на области не имеет ни какого значения, потому что в процессе нагрева используется излучение всего спектра. Правда в разной степени эффективности, но об этом будет рассказано далее.

Все нагретые твёрдые тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. Это означает, что в излучении присутствуют волны со всеми без исключения частотами, и говорить об излучении на какой-то определенной волны, бессмысленное занятие. Нагретое твёрдое тело излучает в очень широком интервале длин волн.

При температурах ниже 400°С излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в инфракрасной области, и такое тело кажется тёмным. При повышении температуры доля излучения в видимой области увеличивается, и тело вначале кажется:

Темно-красным.................470-650°С Вишнево-красным.............700°С Светло-красным...............800°С Густо-оранжевым.............900°С Оранжево-желтым............1000°С Светло-желтым................1100°С Соломенно-желтым...........1150°С Белым разной яркости ......1200—1400°С

Спектры твердых тел при различной температуре

При увеличении температуры возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения. При температурах свыше 1000°С нагретое тело начинает испускать  ультрафиолетовое излучение.

Законы теплового излучения

Особое место в теории теплового излучения занимает Абсолютно Черное Тело (АЧТ). Так Г.Кирхгоф назвал тело, у которого на всех частотах и при любых температурах поглощательная способность равна единице. Реальное тело всегда отражает часть энергии падающего на него излучения. Даже сажа приближается по свойствам к абсолютно черному телу лишь в оптическом диапазоне.

Абсолютно черное тело является эталонным телом в теории теплового излучения. И, хотя в природе нет абсолютно черного тела, достаточно просто реализовать модель, для которой поглощательная способность на всех частотах будет пренебрежимо мало отличаться от единицы. Ниже приведены законы справедливые для АЧТ.

Основной закон теплового излучения Планка устанавливает зависимость испускательной способности тела R от длины волны λ и температуры тела T.

Зависимость R от длины волны при постоянной температуре показана на рисунке. Мощность излучения имеет максимум при некотором значении λ max.

Хотя спектр изменяется с изменением температуры, он имеет общие закономерности, не зависящие от темпратуры, если выразить волны в безразмерной единице λ/λmax . Тогда доля излучаемой энергии в различных участках не зависит от температуры (доля в % от полной энергии приведена на рисунке). Полезно запомнить, что примерно 90% энергии приходится на спектральный интервал  λ/λmax = 0,5 … 3,0, т.е. от l_max/2  до 3l_max .

Закон смещения Вина. Длина волны lmax, соответствующая максимальной спектральной плотности излучательности АЧТ, обратно пропорциональная температуре: lmax = 2.9/T, где C - постоянная.

Закон Стефана-Больцмана. Излучательность АЧТ, т.е. полная мощность излучения с единичной площади, пропорциональна четвертой степени температуры: R=σT⁴, где σ - постоянная Стефана-Больцмана.

В теории теплового излучения часто пользуются идеализированной моделью реальных тел – понятием "серое тело". Тело называется "серым", если его коэффициент поглощения одинаков для всех частот и зависит только от температуры материала и состояния его поверхности. В действительности реальное физическое тело по своим характеристикам приближается к серому телу только в узком диапазоне частот излучения.

Закон теплового излучения Кирхгофа. Отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения не зависит от материала тела (т. е одинаково для всех тел) и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела. Данная величина является функцией только температуры и частоты излучения.

1. Так как коэффициент поглощения для любого тела меньше единицы, то испускательная способность любого тела для данной частоты излучения меньше таковой для черного тела. Иначе говоря, черное тело при любой температуре и частоте излучения является наиболее интенсивным источником излучения.

2. Если тело не поглощает излучения в какой-либо области спектра, то оно и не излучает в этой области спектра.

3. Для данной температуры сильнее излучают те серые тела, которые обладают большим коэффициентом поглощения.

Интенсивность облучения от нагретой поверхности или через отверстие в печи можно определить по формуле (при L≥F0.5)

 E=0,91F((T/1000)4-A)/L2

где Е - интенсивность облучения, Вт/м2; F - площадь излучающей поверхности, м2; l - расстояние от центра излучающей поверхности до облучаемого объекта, м; A = 85 - для кожи человека и хлопчатобумажной ткани; А = 100- постоянный коэффициент для сукна.