Wednesday, 10 July 2024

เข้าใจอินฟราเรดคืออะไร พื้นฐาน การใช้งาน และคุณประโยชน์

อินฟราเรดคือ

รังสีอินฟราเรด (IR) คือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทหนึ่งที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าแสงที่ตามองเห็น แต่สั้นกว่าคลื่นไมโครเวฟ มองไม่เห็นด้วยตามนุษย์ แต่สัมผัสได้ถึงความร้อน รังสีอินฟราเรดถูกปล่อยออกมาจากวัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ (-273.15°C หรือ -459.67°F) รวมถึงร่างกายมนุษย์ สัตว์ พืช และวัตถุไม่มีชีวิต

แสงอินฟราเรดไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตามนุษย์ แต่เซ็นเซอร์ความร้อนสามารถตรวจจับคลื่นอินฟราเรดที่ยาวกว่าได้ อย่างไรก็ตามแสงอินฟราเรดมีลักษณะบางอย่างเหมือนกับแสงที่มองเห็นได้ เช่นเดียวกับแสงที่ตามองเห็น แสงอินฟราเรดสามารถโฟกัส สะท้อน และโพลาไรซ์ได้

 

อินฟราเรดคืออะไร

อินฟราเรดเป็นส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ผู้คนพบกับอินฟราเรดทุกวัน ดวงตาของมนุษย์ไม่สามารถมองเห็นมันได้ แต่มนุษย์สามารถตรวจจับมันได้จากความร้อน

รีโมทคอนโทรลใช้คลื่นแสงที่อยู่นอกสเปกตรัมของคลื่นแสงอินฟราเรด ในการเปลี่ยนช่องบนทีวีของคุณ สเปกตรัมบริเวณนี้แบ่งออกเป็นอินฟราเรดช่วงใกล้ (Near IR) กลาง (MIR) และช่วงไกล (Far IR) นักวิทยาศาสตร์โลกเรียกพื้นที่ตั้งแต่ 8 ถึง 15 ไมครอน (µm) ว่าเป็นอินฟราเรดความร้อน เนื่องจากความยาวคลื่นเหล่านี้เหมาะที่สุดสำหรับการศึกษาพลังงานความร้อนคลื่นยาวที่แผ่ออกมาจากดาวเคราะห์ของเรา

 

การค้นพบอินฟราเรด

ในปี ค.ศ. 1800 วิลเลียม เฮอร์เชล ได้ทำการทดลองเพื่อวัดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสีต่างๆ ในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ เขาวางเทอร์โมมิเตอร์ไว้ในแต่ละสีของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ผลลัพธ์แสดงอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจากสีน้ำเงินเป็นสีแดง เมื่อเขาสังเกตเห็นการวัดอุณหภูมิที่อุ่นกว่ามากเกินกว่าปลายสีแดงของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ เฮอร์เชลก็ได้ค้นพบแสงอินฟราเรด

ภาพจาก wikipedia.org

 

คุณสมบัติของคลื่นอินฟราเรด

พลังงานส่วนใหญ่จากดวงอาทิตย์มายังโลกในรูปของรังสีอินฟราเรด ความสมดุลระหว่างรังสีอินฟราเรดที่ดูดกลืนและปล่อยออกมามีผลกระทบร้ายแรงต่อสภาพอากาศของโลก

  • คลื่นตามขวาง: คลื่นอินฟราเรดว่ากันว่าเป็นคลื่นตามขวาง กล่าวคือการกระจัดของคลื่นอยู่ในมุมฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น
  • ความยาวคลื่น: ความยาวคลื่นของอินฟราเรดมีลักษณะเฉพาะและมักวัดเป็นไมครอน (um) ไมครอนถูกกำหนดให้เป็นหนึ่งในล้านของเมตร ความยาวคลื่นที่สั้นที่สุดคือประมาณ 0.7 ไมครอน ความยาวคลื่นที่ยาวที่สุดคือ 350 ไมครอน จากการศึกษาพบว่า ขีดจำกัดบนคือ 1,000 ไมครอน
  • ความเร็ว: ความเร็วที่คลื่นอินฟราเรดเดินทางคือ 299,792,458 เมตรต่อวินาที (m/s)
  • อนุภาคหรือคลื่น: ตามทฤษฎีควอนตัม คลื่นอินฟราเรดสามารถเป็นได้ทั้งเป็นคลื่นหรืออนุภาคในเวลาเดียวกัน
  • การดูดซับและการสะท้อนกลับ: การดูดกลืนและการสะท้อนของคลื่นอินฟราเรดขึ้นอยู่กับลักษณะของสสารที่ทำให้คลื่นกระทบ วัสดุต่างๆ เช่น โอโซน คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำ จะดูดซับรังสีอินฟราเรด หิมะและอลูมิเนียมฟอยล์เป็นวัสดุที่สะท้อนรังสีอินฟราเรด
  • การหักเหและการแทรกสอด: คลื่นอินฟราเรดแสดงคุณสมบัติของการหักเห ทำให้คลื่นมีการเปลี่ยนแปลงทิศทางเล็กน้อยเมื่อคลื่นผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง คุณสมบัติการหักเหของแสงอินฟราเรดสามารถสังเกตได้ในชั้นบรรยากาศของโลก เมื่อคลื่นอินฟราเรดสองอันที่มีความยาวคลื่นเท่ากันมาบรรจบกัน จะรบกวนซึ่งกันและกัน
  • คุณสมบัติทางความร้อน: รังสีอินฟราเรดสามารถเป็นแหล่งความร้อนได้เนื่องจากมีคุณสมบัติทางความร้อน เมื่อรังสีอินฟราเรดกระทบโมเลกุลออกซิเจนหรือไนโตรเจน มันจะทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่อได้รับพลังงานมากขึ้น จึงสามารถสรุปได้ว่ารังสีอินฟราเรดทำให้วัสดุร้อนขึ้นและสามารถใช้เป็นแหล่งความร้อนได้

 

ตัวอย่างต่างๆ ของการนำรังสีอินฟราเรดไปประยุกต์ใช้:

1. การถ่ายภาพความร้อน:

กล้องถ่ายภาพความร้อนตรวจจับรังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากวัตถุเพื่อสร้างภาพตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ใช้ในการตรวจสอบอาคาร การวินิจฉัยทางไฟฟ้า การดับเพลิง การค้นหาและกู้ภัย และการวินิจฉัยทางการแพทย์

2. เครื่องทำความร้อน:

เครื่องทำความร้อนแบบอินฟราเรดปล่อยรังสีอินฟราเรดเพื่อให้ความร้อนกับวัตถุโดยตรง แทนที่จะให้ความร้อนกับอากาศ ใช้ในกระบวนการทางอุตสาหกรรม การทำความร้อนในพื้นที่ การทำความร้อนกลางแจ้ง (ลานบ้าน ระเบียง) และการเตรียมอาหาร (เช่น เตาย่าง เตาอบเครื่องปิ้งขนมปัง)

3. การสำรวจระยะไกล:

การสำรวจระยะไกลเกี่ยวข้องกับการใช้เซ็นเซอร์เพื่อตรวจจับและวัดรังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาหรือสะท้อนจากพื้นผิวและชั้นบรรยากาศของโลก นิยมใช้ในการติดตามด้านสิ่งแวดล้อม การพยากรณ์อากาศ เกษตรกรรม ป่าไม้ สมุทรศาสตร์ และการสำรวจทางธรณีวิทยา ตัวอย่างเช่นภาพถ่ายดาวเทียมอินฟราเรดใช้ในการตรวจสอบอุณหภูมิพื้นผิวดิน ตรวจจับไฟป่า และประเมินความสมบูรณ์ของพืชผล

4. การสื่อสาร:

การสื่อสารใช้แสงอินฟราเรดเพื่อส่งข้อมูลแบบไร้สายระหว่างอุปกรณ์ ได้แก่ใช้ในรีโมทคอนโทรล แป้นพิมพ์ไร้สาย เมาส์คอมพิวเตอร์ สมาร์ทโฟน (เช่นการถ่ายโอนข้อมูล) และพรอกซิมิตี้เซนเซอร์

5. สเปกโทรสโกปี:

สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดวิเคราะห์การดูดซับ การแผ่รังสี หรือการสะท้อนของรังสีอินฟราเรดด้วยวัสดุเพื่อระบุและหาปริมาณองค์ประกอบ นิยมใช้ในวิชาเคมี เภสัชกรรม วัสดุศาสตร์ นิติเวช วิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม และการอนุรักษ์ศิลปะ นิยมใช้เพื่อระบุองค์ประกอบทางเคมีของสารที่ไม่ทราบในการสืบสวนทางนิติวิทยาศาสตร์

6.ดาราศาสตร์:

เกี่ยวข้องกับการสังเกตวัตถุท้องฟ้าและปรากฏการณ์ในสเปกตรัมอินฟราเรด ใช้เพื่อศึกษาดาวฤกษ์เย็น เมฆฝุ่น บรรยากาศของดาวเคราะห์ บริเวณกำเนิดดาว กาแล็กซี และจักรวาลยุคแรกเริ่ม  ตัวอย่างกล้องโทรทรรศน์อินฟราเรดเช่นกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) สังเกตการณ์การแผ่รังสีอินฟราเรดเพื่อศึกษาการก่อตัวของดาวฤกษ์และกาแล็กซี

นี่เป็นเพียงตัวอย่างเล็กๆ น้อยๆ ของการใช้งานและการประยุกต์รังสีอินฟราเรดที่หลากหลายในสาขาต่างๆ โดยเน้นย้ำถึงความสำคัญของรังสีอินฟราเรดในด้านวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี อุตสาหกรรม และชีวิตประจำวัน