Alles over: Infrarood

Dagelijks werken we met apparaten die gebruik maken van infrarood. Maar wat is nu exact infrarood? We zien het niet? Het geeft geen licht, maakt geen geluid en toch kunnen we hiermee apparaten op afstand besturen, oppervlakte’s verwarmen en zelfs topologische gebieden in kaart brengen. Infrarood wordt voor diverse toepassingen gebruikt en natuurlijk zijn er “verschillende” soorten infrarood. In deze post leg ik het uit!

Infrarood wordt ook weleens “infrarood licht” genoemd. Hoewel het inderdaad een soort licht is, is infrarood in essentie elektromagnetische straling.

Infrarood werd in 1800 ontdekt door ontdekt door “Sir William Herschel”. Hij deed dit door de temperatuur te meten van licht welke door een prisma viel. Het licht, toen verdeeld in verschillende kleuren had inderdaad bij verschillende kleuren een andere temperatuur. Het blauwe deel was koeler dan het rode deel. Maar zelfs voorbij het rode licht (het rode spectrum) mat hij temperaturen die nog hoger waren dan in het rode licht. Hij concludeerde hieruit dat er in dit “onzichtbare” spectrum licht bestond welke niet voor het menselijk oog zichtbaar was.

Elektromagnetisch Spectrum

Waarneembaar licht bevind zich binnen het elektromagnetische spectrum (EM). In het elektromagnetisch spectrum wordt straling uitgezonden in golven over verschillende golflengten en frequenties. Het hele spectrum wordt verdeeld in 7 gebieden, namelijk:

• Radiogolven
• Microwave
• Infrarood
• Zichtbaar
• Ultraviolet
• X-Ray
• Gamma Ray

Sommige van deze gebieden zijn onderling weer verdeeld over sub-gebieden. Zo hebben we het al eerder over radiogolven gehad. Deze bevinden zich dus in het eerste spectrum maar zijn weer onderverdeeld in meerdere gebieden. Deze gebieden opereren allen op een andere frequentie (hz) en golflengte (μ / nm) in het elektromagnetische spectrum. Dit is de onderverdeling van de 7 hoofdgebieden.

• Radiogolven – 3 Hz – 12 GHz
• Microwave – 0.3 – 300 GHz
• Infrarood – 0.3 – 394 GHz
• Zichtbaar – 394 GHz – 789 THz
• Ultraviolet – 750 THz – 30 PHz
• X-Ray – 30 PHz – 3 EHz
• Gamma Ray – 3 EHz – 30 ZHz

Na de gammastraling volgt “kosmische straling” welke in het spectrum boven de 30 ZHz bevindt. Ter verduidelijking:

Hz = hertz (1)
GHz = gigahertz (1000000000)
THZ = terahertz (1000000000000)
PHz = petahertz (1000000000000000)
EHz = exahertz (1000000000000000000)
ZHz = zettahertz (1000000000000000000000)

Binnen het elektromagnetisch spectrum bevinden zich dus alle mogelijke frequenties van de elektromagnetische straling. Maar wat is dan precies die elektromagnetische straling?

Elektromagnetische straling is de voortplanting door de ruimte van elektrische en magnetische oscillaties (trillingen). Alle soorten elektromagnetische straling hebben in het vacuüm een snelheid gelijk aan de lichtsnelheid. Het woord “elektromagnetisch” geeft heel goed aan waar het dan om gaat. Elektromagnetisch wil zeggen dat elektrische velden en magnetische velden altijd samen optreden wanneer ze in tijd veranderen. Een wisselend elektrisch veld gaat altijd gepaard met een wisselend magnetisch veld, en visa versa. Het bijzondere van elektromagnetische straling is dat er geen medium nodig is waarin de golven zich voortplanten. Licht kan zich dus in een lege ruimte voortplanten terwijl geluid dit niet kan. Elektromagnetische straling zoals licht plant zich voort volgens een “transversale golf” waarin de oscillatie loodrecht staat op de voortplantingsrichting van de energie in de golf. Vergelijk dit met de golven op zee.

Zoals al gezegd bevindt het infrarode spectrum zich naast het spectrum van het zichtbare (rode) licht en de microgolven. Maar infrarood bestaat op haar beurt weer uit verschillende gebieden.

Infrarood Gebieden

Infrarood bevindt zich binnen het elektromagnetisch spectrum tussen de 0.3 – 394 GHz met golflengtes van 780 nm – 1 mm. ISO specificeert binnen dit bereik 3 soorten infrarood, namelijk:

• Nabij-Infrarood (NIR / IR-A) – Frequentie: 215 – 430 THz – Golflengte: 0,78 – 3 µm
• Middel-Infrarood (MIR / IR-B) – Frequentie: 100 THz – 215 THz – Golflengte: 3 – 50 µm
• Ver-Infrarood (FIR / IR-C) – Frequentie: 300 GHz – 100 THz – Golflengte: 50 – 1000 µm

Infrarood is dus onzichtbaar voor het menselijke oog, maar kan wel waargenomen worden door onze huid in de vorm van warmte omdat elk licht het oppervlakte verwarmt welke het licht absorbeert. Denk b.v. aan de infrarood lamp die goed voelbaar is tot diep in de huid. Er zijn ook dieren zoals ratelslangen die infrarood licht kunnen waarnemen. Dit gebruiken ze om hun prooien op te sporen. Warmte is namelijk ook een vorm van elektromagnetische straling. Alle lichamen geven infrarood straling af. Dit is mooi te meten met een infrarood meter (bolometer), een warmtebeeldkijker of een nachtkijker.

Infrarood Toepassingen

Infrarood is dus meer dan alleen het mechanisme om met de afstandsbediening de televisie te bedienen. We kennen heel veel soorten toepassingen met infrarood. Denk eens aan de volgende toerpassingen:

• Communicatie (infrarood is ideaal voor korte-afstand communicatie zoals b.v. de afstandsbediening)
• Opwarmen (infrarood verwarming, uitharden van coatings of vormen van kunststoffen)
• Remote meten van temperaturen (b.v. met warmtecamera’s, weersvoorspellingen)
• Night Vision (b.v. met nachtcamera’s)
• Fotografie (b.v. infraroodfotografie)
• Tracking (b.v. een warmtebom)

(ja… zelfs scheetjes worden zichtbaar met infrarood)

De meeste toepassingen van infrarood hebben dus eigenlijk te maken met “verwarming” of het kunnen uitlezen van warmte. Communicatie is slechts een klein gebied binnen het spectrum van mogelijkheden. Dit komt omdat infrarood niet over grote afstanden kan communiceren. Om te communiceren moet een signaal exact en zonder verstoring overgebracht kunnen worden. Bij infrarood zijn er teveel mogelijkheden om het signaal te verstoren (zoals zonlicht) waardoor infrarood alleen voor korte afstanden binnenhuis gebruikt kan worden om te communiceren.

In het kort werkt een afstandsbediening als volgt. Een afstandsbediening is uitgevoerd met een infrarode lichtdiode (LED) om infraroodstraling te zenden. Een druk op de knop zorgt ervoor dat een smalle gebundelde straal infrarood licht, bestaande uit golven naar het ontvangende apparaat gestuurd wordt. De LED zend dus alleen maar uit als er op een knop gedrukt wordt en niet continue. Het ontvangende apparaat is voorzien van een infrarood ontvanger (silicium fotodiode) welke het infrarood signaal omzet in elektrische stroom. Elke knop op de afstandsbediening genereerd een ander infrarood signaal welke dus weer omgezet wordt in een uniek signaal elektriciteit. Door de uniekheid van het elektrische signaal weet het ontvangende apparaat welk commando er uitgevoerd moet worden.

Zo, nu je weet waar infrarood licht vandaan komt en wat we ermee kunnen wordt het ook een stuk leuker om ermee te gaan spelen. In de volgende post gaan we van een Arduino een TV afstandsbediening maken! Doe je mee?