รังสีอินฟราเรด

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีอินฟราเรด จั ด ทำ โ ด ย นางสาวสุภัสสร ศิริ เลขที่ 21 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 โ ร ง เ รี ย น ช า ติ ต ร ะ ก า ร วิ ท ย า

คำนำ สมุดเล่มเล็กนี้จัดทำขึ้นเพื่ อเป็นส่วนหนึ่งของรายวิชาฟิสิกส์ เพื่ อให้ศึกษา หาความรู้ในเรื่องรังสีอินฟราเรด ความหมายของอินฟราเรด เทคโนโลยีการให้ความร้อนโดยใช้รังสีอินฟราเรด รังสีอินฟราเรดกับการ ให้ความร้อนในงานอุตสาหกรรม ข้อดีของการให้ความร้อนด้วยรังสี อินฟราเรด หลอดอินฟราเรด และแบบฝึกหัดท้ายบทเพื่ อให้ได้ศึกษา อย่างเข้าใจและเป็นประโยชน์ต่อการศึกษา ผู้จัดทำหวังว่าการจัดทำสมุดเล่มเล็กเล่มนี้จะมีข้อมูลที่เป็นประโยชน์ ต่อผู้ที่ได้ศึกษา ผู้จัดทำ นางสาวสุภัสสร ศิริ

สารบัญ รังสีอินฟราเรด หน้า 1.ความหมายของอินฟราเรด 2.เทคโนโลยีการให้ความร้อนโดยใช้รังสีอินฟราเรด 1 3.รังสีอินฟราเรดกับการให้ความร้อนในงานอุ ตสาหกรรม 4.ข้อดีของการให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด 2 5.หลอดอินฟราเรด 3 แ บ บ ฝึ ก หัด ท้ า ย บ ท เฉลย 4 5 6 7

อินฟราเรด คืออะไร 1 รังสีอินฟราเรด หรือ รังสีความร้อน เป็นคลื่ นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิด หนึ่งแผ่มาจากดวงอาทิตย์ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากดวงอาทิตย์นั้นมีหลาย ชนิดซึ่งแต่ละชนิดนั้นมีความยาว คลื่ นต่างกัน เช่น แสงที่ตามองเห็น (VISIBLE LIGHT) มีความยาวคลื่ นอยู่ระหว่าง 400 -700 นาโนเมตร, รังสีอุลตราไวโอเล็ต(ULTRAVIOLET RADIATION) มีความยาวคลื่ น 1 - 400 นาโนเมตร, รังสีแกมมา (GAMMA RAY) มีความยาวคลื่ นน้อย กว่า 0.01 นาโนเมตร, รังสีเอ็กซ์ (X-RAY) ความยาวคลื่ น 0.01 - 1 นาโนเมตร เป็นต้น สำหรับรังสีอินฟราเรด มีความยาวคลื่ น 700 นาโน เมตร- 1 มิลลิเมตร เป็นคลื่ นที่มีความถี่ถัดจากความถี่ของสีแดงลงมา มนุษย์จึงไม่สามารถมองเห็นรังสีอินฟราเรด แต่ก็รู้สึกถึงความร้อนได้ ส่วนสัตว์บางชนิด เช่น งูมีประสาทสัมผัสรังสีอินฟราเรดสามารถทราบ ตำแหน่งของเหยื่ อได้ โดยการสัมผัสรังสีอินฟราเรดซึ่งแผ่ออกมาจาก ร่างกายของเหยื่ อ เมื่ อโลกได้รับรังสีจากดวงอาทิตย์ โลกจะแผ่รังสีสะท้อน กลับสู่บรรยากาศเรียกว่า รังสีโลก (TERRESTRIAL RADIATION) ซึ่ง เป็นรังสีอินฟราเรดในคลื่ นยาว ซึ่งแตกต่างจากรังสีอินฟราเรดจากดวง อาทิตย์ซึ่งเป็นช่วงคลื่ นสั้น ตามปกติแล้วไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ใน บรรยากาศจะมีปริมาณพอเหมาะและสามารถ ดูดซึมพลังงานส่วนนี้ไว้ ทำให้ โลกเก็บความร้อนไว้อยู่ในระดับที่เหมาะสมต่อการดำรงชีวิตของคน สัตว์และพืช ในปัจจุบันมีการนำรังสีอินฟราเรดมาประยุกต์ใช้งานหลาย อย่างด้วยกัน เช่น ใช้เป็นตัวกลางในการสื่ อสารของอุปกรณ์ไร้สายหลาย ชนิดทั้งโทรศัพท์มือถือและ คอมพิวเตอร์ กล้องอินฟาเรดที่สามารถจับ ภาพได้แม้ในเวลากลางคืน ล่าสุดมีผลงานการวิจัยจาก UNIVERSITY OF ARIZONA แสดงให้เห็นว่ารังสีหรือแสงอินฟาเรดนั้นสามารถนำมา ประยุกต์ใช้ประโยชน์อื่ นๆ ได้อีก โดยเฉพาะอย่างยิ่งการตรวจวิเคราะห์ เซลล์มะเร็ง รวมไปถึงการวิเคราะห์สารปนเปื้ อนในแหล่งต่างๆ

2 เทคโนโลยีการให้ความร้อนโดยใช้รังสีอินฟราเรด ใ น ก ร ะ บ ว น ก า ร ผ ลิ ต ข อ ง โ ร ง ง า น อุ ต ส า ห ก ร ร ม ที่ ต้ อ ง ใ ช้พ ลั ง ง า น ความร้อนในกระบวนการผลิตเพื่ อการแปรรูปสินค้า มีการใช้พลังงาน ความร้อนที่หลากหลายรูปแบบ ทั้งการหลอม การอบ การต้ม การนึ่ง และ รูปแบบอื่ นๆ โดยมีแหล่งกำเนิดความร้อนมาจากเชื้อเพลิงหรือไฟฟ้าทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับลักษณะงานของแต่ละอุตสาหกรรม สำหรับในกรณีการให้ความ ร้อนด้วยไฟฟ้าโดยทั่วไปมักจะใช้ตัวกำเนิดความร้อนที่เป็นขดลวดไฟฟ้า (ELECTRIC HEATER) ซึ่งเป็นการส่งผ่านความร้อนจากแหล่งกำเนิด ไปยังวัตถุหรือผลิตภัณฑ์ที่ต้องอาศัยตัวกลางในการนำความร้อน (CONDUCTION) หรือพาความร้อน (CONVECTION) ปัจจุบันได้มี การพัฒนาตัวกำเนิดความร้อนที่เป็นตัวปล่อยรังสีอินฟราเรด (INFRARED EMITTER) ซึ่งเป็นการให้ความร้อนโดยการแผ่รังสีความ ร้อน (RADIATION) ที่ส่งผ่านความร้อนจากแหล่งกำเนิดไปยังวัตถุหรือ ผลิตภัณฑ์โดยตรงโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง ทำให้โมเลกุลของวัตถุที่ได้รับ รังสีอินฟราเรดเกิดการสั่นสะเทือนและเกิดความร้อนขึ้นจากภายในเนื้ อ วัตถุ ซึ่งต่างจากการให้ความร้อนโดยการนำความร้อนหรือการพาความ ร้อนที่เป็นการให้ความร้อนจากพื้ นผิวภายนอกของวัตถุและความร้อนจะ ค่อย ๆ ซึมเข้าไปภายในเนื้ อวัตถุ การให้ความร้อนโดยรังสีอินฟราเรดจะมี ประสิทธิภาพในการให้ความร้อนสูงกว่า ใช้พลังงานน้อยกว่า ใช้ระยะเวลา สั้นกว่าและมีการสูญเสียความร้อนน้อยกว่า รังสีอินฟราเรด (INFRARED : IR) หรือรังสีความร้อน เป็นคลื่ นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มี ความยาวคลื่ นตั้งแต่ 0.76-1000 UM ซึ่งอยู่ในช่วงของแสงที่สายตามอง ไม่เห็นแต่สามารถรับรู้ถึงความร้อนที่เกิดขึ้นได้ โดยรังสีอินฟราเรดมี คุณสมบัติทางกายภาพเช่นเดียวกับคลื่ นแสงที่ตามองเห็นได้ทุกประการ เช่น การหักเห การสะท้อน การดูดซับ หรือการส่องผ่านตัวกลาง

3 รังสีอิ นฟราเรดกั บการให้ ความร้อนในงานอุ ตสาหกรรม ก า ร ป ร ะ ยุ ก ต์ ใ ช้ง า น รัง สีอิ น ฟ ร า เ ร ด ใ น ก า ร ใ ห้ค ว า ม ร้อ น ไ น ง า น อุ ต ส า ห ก ร ร ม สามารถแบ่งช่วงรังสีอินฟราเรดตามความยาวคลื่ นออกได้เป็น 3 ช่วง ดังนี้ 1. รังสีอินฟราเรดช่วงคลื่ นสั้น (SHORT-WAVELENGTH INFRARED : SWIR) มีความยาวคลื่ นประมาณ 1.2-2 MM สามารถให้ ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 4,000-2175 ºF (2,204-1,190 ºC) ให้ความ ร้อนต่อหน่วยพื้ นที่ได้สูง ความร้อนผ่านทะลุทะลวงเข้าในเนื้ อวัสดุได้ลึกและ รวดเร็ว 2. รังสีอินฟราเรดช่วงคลื่ นปานกลาง (MID-WAVELENGTH INFRARED : MWIR) มีความยาวคลื่ นประมาณ 2-4 MM สามารถให้ ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 2,175-857 ºF (1,190-458 ºC) ให้ความร้อน ต่อหน่วยพื้ นที่ได้ต่ำกว่าแบบช่วงคลื่ นสั้น 3. รังสีอินฟราเรดช่วงคลื่ นยาว (LONG-WAVELENGTH INFRARED : LWIR) มีความยาวคลื่ นประมาณ 4-6 MM สามารถให้ ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 875-400 ºF (458-204 ºC) ให้ความร้อนต่อ หน่วยพื้ นที่ได้ต่ำกว่าแบบช่วงคลื่ นสั้นและแบบช่วงคลื่ นปานกลาง การดูดซับรังสีอินฟราเรดจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความยาวของคลื่ นรังสี อินฟราเรด ส่วนประกอบของวัตถุ ลักษณะของผิววัตถุ มุมตกกระทบ และ สีของวัตถุ วัตถุที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่จะดูดซับรังสีอินฟราเรดที่มี ความยาวคลื่ นมากกว่า 2 MM ได้ดี ยกเว้นโลหะที่ขัดขึ้นเงาจะสะท้อนรังสี อินฟราเรดออก การใช้งานรังสีอินฟราเรดจะต้องมีตัวปล่อยคลื่ น (IR EMITTER) ในลักษณะของหลอดอินฟราเรด ซึ่งแบ่งออกเป็น ตัวปล่อย คลื่ นสั้น (SHORT WAVE INFRARED EMITTERS) ตัวปล่อย คลื่ นปานกลาง (MEDIUM WAVE INFRARED EMITTERS) และตัว ปล่อยคลื่ นยาว (LONG WAVE INFRARED EMITTERS) เป็นแหล่ง กำเนิดความร้อน

ข้อดีของการให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด 4 การให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรดมีข้อดีดังต่อไปนี้ทำความร้อนและ ลดความร้อนได้อย่างรวดเร็ว โดยส่วนใหญ่เตาอบไฟฟ้าที่ใช้รังสี อินฟราเรดสามารถทำความร้อนให้ผลิตภัณฑ์ได้ในเวลาไม่กี่วินาที เตามีขนาดเล็ก เนื่ องจากการให้ความร้อนที่รวดเร็ว ทำให้ต้องการ พื้ นที่ว่างในเตาน้อยลง เป็นเตาที่สะอาด ไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม มีก า ร ค ว บ คุม อุ ณ ห ภูมิใ น ก า ร ใ ห้ค ว า ม ร้อ น ที่ แ ม่น ยำ มีการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ ค่าบำรุงรักษาต่ำ การประยุกต์ใช้งานการให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด การประยุกต์ใช้งานการให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด จะต้อง พิจารณาถึงลักษณะของงานเป็นกรณีๆ ไป โดยมีปัจจัยหลักที่ต้อง พิจารณาคือ ประเภทของวัสดุผลิตภัณฑ์ ขนาดของผลิตภัณฑ์ และช่วง ความยาวคลื่ นที่ใช้งาน โดยมีตัวอย่างลักษณะการใช้งานที่หลากหลาย ได้แก่ การอบสี การอบผลิตภัณฑ์แป้ง การเคลือบภาชนะในการทำอาหาร การเคลือบสาร PVC บนผนัง การอบแห้งผลิตภัณฑ์กระจกนิรภัย การอบ หนัง การอบแห้งกระดาษ การอบสีและแลคเกอร์ การบัดกรี การทำให้หด ตัวของโลหะ การเผากระเบื้ อง เป็นต้น ประเภทของวัสดุผลิตภัณฑ์ ชนิดของวัสดุ และลักษณะของพื้ นผิวจะมีการดูดซับรังสีอินฟราเรดที่ ต่างกัน ซึ่งจะต้องพิจารณาเป็นกรณีๆ ไป ขนาดของผลิตภัณฑ์ ขนาด (ความหนาแน่น) ของผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกัน ระยะเวลาการ ทำความความร้อนก็จะต่างกันด้วย ช่วงความยาวคลื่ น คุณสมบัติของรังสีอินฟราเรดจะแตกต่างกันตามช่วงความยาวคลื่ น โดย คลื่ นอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่ นสั้น จะมีประสิทธิภาพในการทะลุทะลวง ผ่านพื้ นผิวหรือเนื้ อของผลิตภัณฑ์ได้ลึกและใช้ระยะเวลาในการให้ความร้อน สั้นกว่า ในขณะที่คลื่ นอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่ นยาวจะทะลุผ่านเข้าเนื้ อ ผลิตภัณฑ์ได้น้อยกว่าและใช้ระยะเวลาในการให้ความร้อนนานกว่า ดังนั้น การให้ความร้อนโดยใช้รังสีอินฟราเรดคลื่ นยาวจะเหมาะกับการให้ความ ร้อนจำเฉพาะบริเวณพื้ นผิวของผลิตภัณฑ์ ได้แก่ การอบสี เป็นต้น

หลอดอินฟราเรด 5 ลักษณะเด่นของหลอดอินฟราเรด (INFRARED LAMP) ให้ความปลอดภัยสูงเพราะไม่มีเปลวไฟ ขนาดเล็กกว่าการให้ความร้อนแบบทั่วไป ประหยัดเนื้ อที่ ส า ม า ร ถ ป รับ อุ ณ ห ภูมิไ ด้ สูง ภ า ย ใ น เ ว ล า อั น ร ว ด เ ร็ว ไม่มีฝุ่นละอองเกาะชิ้นงานเวลาให้ความร้อน เป็นการให้ความร้อนแบบแผ่ความรังสี (แบบเดียวกับการที่ดวง อาทิตย์ส่งความร้อนมายังโลก) ซึ่งมีประสิทธิภาพสูง ความสูญเสียต่ำ และที่สำคัญคือประหยัดพลังงาน 40-70% ควบคุมการทำงานได้ง่าย เมื่ อต้องการความร้อนก็จุดหลอดโดยการ จ่ายไฟ จะได้ความร้อน 100% ภายในเวลาเพียง 5 วินาที (SW) จากการทดลองทางวิทยาศาสตร์มีรายงานว่า ความร้อนในองค์ ประกอบของแสงแดดนั้น ความร้อนจากรังสีอินฟราเรดจะมีอยู่ประมาณ 52 – 55 % ซึ่งนับว่ามีมากที่สุด ในความร้อนของแสงแดด มีความถี่ใน ช่วง 300 GHZ – 430 THZ เพราะสาเหตุนี้เราจึงนำหลอดอินฟราเรดมา ใช้แทนแสงแดดเพื่ อสะดวกในการทดสอบ เห็นผลได้เร็วและง่ายที่สุด ในการทดสอบฟิล์มกรองแสง

6 แบบฝึกหัดท้ายบท 1.รังสีอินฟราเรดใช้ทำอะไร ก.ใช้ในการสื่ อสาร โทรคมนาคม เนื่ องจากคลื่ นวิทยุสามารถเดินทาง ผ่านชั้นบรรยากาศได้ดี ข.ใช้ในการจับภาพในที่มืด หรือใช้ถ่ายรูปในช่วงที่มีเมฆ หมอก นอกจาก นี้ยังถูกนำมาใช้กับรีโมทควบคุมโทรทัศน์ ค.ใช้เป็นสัญญาณเรดาห์ เนื่ องจากไมโครเวฟสามารถสะท้อนโลหะได้ดี นอกจากนี้ยังนำมาสร้างพลังงานความร้อนในเตาไมโครเวฟ ง.ใช้ในการฆ่าเชื้อโรคต่าง ๆ ได้ หรือทำความสะอาดเครื่องมือแพทย์ได้ 2.ข้อใดใช้สเปกตรัมคลื่ นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่าน \"อินฟาเรด\" ก.ตู้เย็น ข.ไมโครเวฟ ค.เครื่องซักผ้า ง.รีโมทคอนโทรล 3.รังสีอินฟราเรดถูกค้นพบในค.ศ.ใด ก.ค.ศ.1895 ข.ค.ศ.1967 ค.ค.ศ.1802 ง.ค.ศ. 1800 4.ข้อใดไม่ใช่ลักษณะเด่นของหลอดอินฟราเรด ก.ควบคุมการทำงานได้ง่าย ข.ใช้ในการไล่แมลง ค.เป็นการให้ความร้อนแบบแผ่ความรังสี ง.ให้ความปลอดภัยสูงเพราะไม่มีเปลวไฟ 5.คลื่ นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มนุษย์สามารถสัมผัสได้คือข้อใด ก.รังสีเอ็กซ์ ข.รังสีแกมมา ค.รังสีอัลตราไวโอเลต ง.รังสีอินฟราเรด

7 เฉลยแบบฝึกหัดท้ายบท 1.รังสีอินฟราเรดใช้ทำอะไร ก.ใช้ในการสื่ อสาร โทรคมนาคม เนื่ องจากคลื่ นวิทยุสามารถเดินทาง ผ่านชั้นบรรยากาศได้ดี ข.ใช้ในการจับภาพในที่มืด หรือใช้ถ่ายรูปในช่วงที่มีเมฆ หมอก นอกจาก นี้ยังถูกนำมาใช้กับรีโมทควบคุมโทรทัศน์ ค.ใช้เป็นสัญญาณเรดาห์ เนื่ องจากไมโครเวฟสามารถสะท้อนโลหะได้ดี นอกจากนี้ยังนำมาสร้างพลังงานความร้อนในเตาไมโครเวฟ ง.ใช้ในการฆ่าเชื้อโรคต่าง ๆ ได้ หรือทำความสะอาดเครื่องมือแพทย์ได้ 2.ข้อใดใช้สเปกตรัมคลื่ นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่าน \"อินฟาเรด\" ก.ตู้เย็น ข.ไมโครเวฟ ค.เครื่องซักผ้า ง.รีโมทคอนโทรล 3.รังสีอินฟราเรดถูกค้นพบในค.ศ.ใด ก.ค.ศ.1895 ข.ค.ศ.1967 ค.ค.ศ.1802 ง.ค.ศ. 1800 4.ข้อใดไม่ใช่ลักษณะเด่นของหลอดอินฟราเรด ก.ใช้ในการไล่แมลง ข.ควบคุมการทำงานได้ง่าย ค.เป็นการให้ความร้อนแบบแผ่ความรังสี ง.ให้ความปลอดภัยสูงเพราะไม่มีเปลวไฟ 5.คลื่ นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มนุษย์สามารถสัมผัสได้คือข้อใด ก.รังสีเอ็กซ์ ข.รังสีแกมมา ค.รังสีอัลตราไวโอเลต ง.รังสีอินฟราเรด