Glossario: Radiazione termica e energia infrarossa

Cos’è la radiazione termica?

La radiazione termica si riferisce all’emissione di radiazione elettromagnetica da parte di tutta la materia che ha una temperatura superiore allo zero assoluto (-273,15 °C o 0 Kelvin). Questa radiazione è il risultato del moto termico delle particelle cariche all’interno della materia e copre l’intero spettro elettromagnetico. A temperature tipiche della Terra, la maggior parte della radiazione termica è concentrata nello spettro infrarosso.

Leggi che governano la radiazione termica:

La radiazione termica è spiegata da diverse leggi fisiche chiave:

• Legge di Planck: Descrive l’intensità della radiazione emessa da un corpo nero (un emettitore ideale) attraverso diverse lunghezze d’onda a una data temperatura.
• Legge di Stefan-Boltzmann: Indica che l’energia totale irradiata da un corpo nero è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura assoluta: [ E = \sigma T^4 ] Dove (E) è l’energia radiante, (\sigma) è la costante di Stefan-Boltzmann e (T) è la temperatura in Kelvin.
• Legge di spostamento di Wien: Stabilisce la relazione tra la temperatura di un oggetto e la lunghezza d’onda alla quale emette la maggior parte della radiazione: [ \lambda_{\text{max}} = \frac{b}{T} ] Dove (\lambda_{\text{max}}) è la lunghezza d’onda di picco, (b) è la costante di spostamento di Wien e (T) è la temperatura assoluta.

Proprietà chiave della radiazione termica:

1. Emissione a qualsiasi temperatura superiore allo zero assoluto: Ogni oggetto emette radiazione termica fintanto che la sua temperatura è superiore a -273,15 °C.
2. Dominanza infrarossa: A temperature moderate, la maggior parte della radiazione emessa cade all’interno dello spettro infrarosso.
3. Spettro dipendente dalla temperatura: Man mano che la temperatura di un oggetto aumenta, la lunghezza d’onda di picco della radiazione emessa si sposta verso lunghezze d’onda più corte (ad esempio, dall’infrarosso alla luce visibile).

Ad esempio:

• Incandescenza: A temperature elevate (superiori a 525 °C o 977 °F), oggetti come il metallo emettono luce visibile, apparendo incandescenti.

Cos’è l’energia infrarossa?

L’energia infrarossa è un segmento dello spettro elettromagnetico situato tra la luce visibile e le microonde. Le sue lunghezze d’onda vanno da circa 0,7 micron a 1.000 micron (1 micron = 1 milionesimo di metro). Sebbene la luce infrarossa sia invisibile all’occhio umano, può essere rilevata come calore.

Suddivisione dello spettro infrarosso:

1. Infrarosso vicino (NIR): 0,7 a 1,4 micron – Più vicino alla luce visibile.
2. Infrarosso medio (MIR): 1,4 a 8 micron – Ideale per studiare la radiazione termica e la distribuzione del calore.
3. Infrarosso lontano (FIR): 8 a 15 micron – Comunemente indicato come infrarosso termico, poiché è strettamente associato all’emissione di calore dalle superfici.

Scoperta dell’infrarosso:

La radiazione infrarossa è stata scoperta nel 1800 da William Herschel. Misurando le temperature di diversi colori nello spettro visibile, ha trovato che la regione oltre il rosso (invisibile all’occhio umano) presentava temperature ancora più elevate, identificando così la luce infrarossa.

Come vengono rilevate la radiazione termica e l’energia infrarossa

Sono necessari dispositivi specializzati per rilevare le lunghezze d’onda associate alla radiazione termica e all’energia infrarossa.

Sensori a infrarossi passivi (sensori PIR):

• Funzionamento: I sensori PIR rilevano i cambiamenti nella radiazione infrarossa all’interno del loro campo visivo. Quando un oggetto (ad esempio un essere umano o un animale) si muove attraverso la gamma di rilevamento, il sensore identifica i cambiamenti nell’energia termica circostante.
• Applicazioni:
• Sistemi di sicurezza e allarmi antifurto.
• Sistemi di illuminazione attivati dal movimento.
• Monitoraggio della fauna selvatica con telecamere a trappola.

Telecamere a infrarossi:

• Imaging termico: Le telecamere a infrarossi catturano immagini basate sulle differenze di temperatura. Gli oggetti più caldi appaiono più luminosi, mentre gli oggetti più freddi appaiono più scuri.
• Applicazioni:
• Industriale: Rilevamento di perdite di calore e ispezione di apparecchiature elettriche.
• Medica: Monitoraggio della temperatura corporea e identificazione dell’infiammazione.
• Osservazione della fauna selvatica: Identificazione di animali al buio o in fogliame denso.

Applicazioni nel mondo reale della radiazione termica e dell’energia infrarossa

Monitoraggio della fauna selvatica con telecamere a trappola

Le telecamere a trappola dotate di sensori PIR e capacità di imaging infrarosso sono essenziali per osservare la fauna selvatica. Gli LED infrarossi forniscono un’illuminazione invisibile agli animali, consentendo un funzionamento discreto nel buio completo.

• Esempio: Una telecamera a trappola rileva il movimento di un predatore notturno come una volpe usando il suo sensore PIR. La telecamera cattura quindi un’immagine o un video, che è illuminato dalla luce infrarossa.

Esplorazione spaziale

I telescopi infrarossi, come il telescopio spaziale James Webb (JWST), consentono agli astronomi di studiare oggetti celesti che emettono principalmente nella gamma infrarossa, come stelle fredde e sistemi planetari.

• Esempio: La nebulosa di Orione rivela migliaia di dischi planetari in formazione quando osservata con imaging infrarosso.

Imaging termico nei vigili del fuoco

Le telecamere a infrarossi aiutano i vigili del fuoco a localizzare punti caldi, individui intrappolati o braci fumanti attraverso fumo e oscurità.

Osservazione della Terra

I satelliti dotati di sensori infrarossi monitorano fenomeni come incendi boschivi, attività vulcanica e cambiamenti di temperatura globale, contribuendo alla ricerca sul clima.

• Esempio: Lo strumento MODIS della NASA utilizza dati infrarossi per rilevare incendi boschivi attivi.

Dettagli tecnici della radiazione termica

Legge di Planck:

Descrive la distribuzione dell’intensità della radiazione attraverso le lunghezze d’onda per un corpo nero a una data temperatura.

Legge di Stefan-Boltzmann:

Mostra la relazione tra l’energia totale emessa e la temperatura di un oggetto, sottolineando che oggetti più caldi emettono energia in modo esponenziale.

Legge di spostamento di Wien:

Spiega come la lunghezza d’onda di picco della radiazione emessa si sposta con la temperatura, illustrando perché oggetti più caldi appaiono più luminosi e più blu.

Esempi di casi d’uso

1. Sicurezza domestica: I sensori PIR nelle luci attivate dal movimento rilevano intrusi e illuminano aree senza richiedere luce visibile.
2. Audit energetici: Le telecamere di imaging termico identificano lacune nell’isolamento e perdite di calore negli edifici.
3. Ricerca sulla fauna selvatica: Le telecamere a trappola osservano specie elusive senza disturbare i loro comportamenti naturali.
4. Diagnostica medica: La termografia infrarossa rileva infiammazioni o scarsa circolazione sanguigna.
5. Astronomia: I telescopi infrarossi scoprono dettagli nascosti di galassie e nebulose.

Visualizzazioni suggerite per la spiegazione

1. Diagramma dello spettro elettromagnetico: Evidenziando la posizione della radiazione infrarossa rispetto alla luce visibile e ad altre lunghezze d’onda.
2. Esempio di immagine termica: Mostrando la firma termica di un organismo vivente o di un edificio.
3. Rilevamento infrarosso nelle telecamere per fauna selvatica: Illustrazione di come i sensori PIR rilevano il movimento e attivano la registrazione.
4. Curva di radiazione del corpo nero: Dimostrando come la temperatura influenza lo spettro della radiazione emessa.

Conclusione

La radiazione termica e l’energia infrarossa sono principi fondamentali con diverse applicazioni in scienza, tecnologia e vita quotidiana. Dallo sfruttamento della visione notturna all’avanzamento dell’esplorazione spaziale, questi fenomeni dimostrano l’utilità della radiazione elettromagnetica oltre la luce visibile. Strumenti come i sensori PIR e le telecamere a infrarossi ampliano la nostra capacità di osservare e analizzare il mondo in modi che un tempo erano impensabili.