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A quoi sert l'infrarouge? Usages et Applications

Publié par Patrice Gaillard le

A quoi sert l'infrarouge? Usages et Applications

Le rayonnement infrarouge (IR), ou lumière infrarouge, est un type d'énergie radiante invisible à l'œil humain, mais que nous pouvons ressentir comme de la chaleur.

Tous les objets de l'univers émettent un certain niveau de rayonnement infrarouge, mais deux des sources les plus évidentes sont le soleil et le feu.

L'IR est un type de rayonnement électromagnétique, une continuité de fréquences produites lorsque les atomes absorbent et libèrent de l'énergie.

De la plus haute à la plus basse fréquence, le rayonnement électromagnétique comprend les rayons gamma, les rayons X, le rayonnement ultraviolet, la lumière visible, le rayonnement infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio.

Ensemble, ces types de rayonnement constituent le spectre électromagnétique.

D’après des sources provenant de la NASA, c’est l’astronome britannique William Herschel qui a découvert la lumière infrarouge en 1800.

Lors d'une expérience visant à mesurer la différence de température entre les couleurs du spectre visible, il a placé des thermomètres sur le trajet de la lumière dans chaque couleur du spectre visible.

Il a observé une augmentation de la température du bleu au rouge, et il a trouvé une mesure de température encore plus chaude juste au-delà de l'extrémité rouge du spectre visible.

Dans le spectre électromagnétique, les ondes infrarouges se situent à des fréquences supérieures à celles des micro-ondes et juste inférieures à celles de la lumière rouge visible, d'où le nom "infrarouge".

Les ondes du rayonnement infrarouge sont plus longues que celles de la lumière visible, selon le California Institute of Technology.

Les fréquences infrarouges vont d'environ 300 gigahertz (GHz) à environ 400 terahertz (THz), et les longueurs d'onde sont estimées entre 1 000 micromètres (µm) et 760 nanomètres (2,9921 pouces), bien que ces valeurs ne soient pas définitives.

Tout comme le spectre de la lumière visible, qui s'étend du violet (la plus courte longueur d'onde de la lumière visible) au rouge (la plus grande longueur d'onde), le rayonnement infrarouge possède sa propre gamme de longueurs d'onde.

Les ondes "proches de l'infrarouge" (environ 700nm), plus courtes et plus proches de la lumière visible sur le spectre électromagnétique, n'émettent pas de chaleur détectable et sont celles qui sont émises par la télécommande d'un téléviseur pour changer de chaîne.

Les ondes "infrarouges lointaines"(800 – 900 nm), plus longues et plus proches de la section des micro-ondes du spectre électromagnétique, peuvent être ressenties comme une chaleur intense, comme la chaleur du soleil ou du feu.

Le rayonnement infrarouge est l'une des trois façons dont la chaleur est transférée d'un endroit à un autre, les deux autres étant la convection et la conduction.

Tout ce qui a une température supérieure à environ 5 degrés Kelvin (moins 450 degrés Fahrenheit ou moins 268 degrés Celsius) émet un rayonnement IR.

Selon l'université du Tennessee, le soleil émet la moitié de son énergie totale sous forme d'IR, et une grande partie de la lumière visible de l'étoile est absorbée et réémise sous forme d'IR.

 

Les usages ménagers de l’infrarouge

grille pain fonctionnement infrarouge explications

 

Les appareils ménagers tels que les lampes chauffantes, les grills de fours utilisent le rayonnement infrarouge pour transmettre la chaleur, de la même manière que les appareils de chauffage industriels tels que ceux utilisés pour le séchage et le traitement des matériaux.

Selon l'Agence de protection de l'environnement, les ampoules à incandescence ne convertissent qu'environ 10 % de leur énergie électrique en énergie lumineuse visible, les 90 % restants étant convertis en rayonnement infrarouge.

Les lasers infrarouges peuvent être utilisés pour des communications point à point sur des distances de quelques centaines de mètres ou de quelques kilomètres.

Les télécommandes de télévision qui utilisent le rayonnement infrarouge envoient des impulsions d'énergie infrarouge d'une diode électroluminescente (DEL) à un récepteur infrarouge situé dans le téléviseur.

Le récepteur convertit les impulsions lumineuses en signaux électriques qui ordonnent à un microprocesseur d'exécuter la commande programmée.

 

La détection infrarouge

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L'une des applications les plus utiles du spectre infrarouge est la détection. Tous les objets sur Terre émettent un rayonnement IR sous forme de chaleur.

Cette chaleur peut être détectée par des capteurs électroniques, tels que ceux utilisés dans les lunettes de vision nocturne et les caméras infrarouges.

Un exemple simple de ce type de capteur est le bolomètre, qui consiste en un télescope avec une résistance sensible à la température, ou thermistance, à son point focal.

Si un corps chaud entre dans le champ de vision de cet instrument, la chaleur provoque une variation détectable de la tension aux bornes de la thermistance.

Les caméras de vision nocturne utilisent une version plus sophistiquée d'un bolomètre. Ces caméras contiennent généralement des puces d'imagerie à dispositif à couplage de charge (CCD) qui sont sensibles à la lumière infrarouge.

L'image formée par le CCD peut ensuite être reproduite en lumière visible.

Ces systèmes peuvent être suffisamment petits pour être utilisés dans des appareils portatifs ou des lunettes de vision nocturne portables.

Les caméras peuvent également être utilisées comme viseurs d'armes à feu, avec ou sans l'ajout d'un laser IR pour le ciblage.

La spectroscopie infrarouge mesure les émissions IR des matériaux à des longueurs d'onde spécifiques.

Le spectre infrarouge d'une substance présente des creux et des pics caractéristiques lorsque des photons (particules de lumière) sont absorbés ou émis par des électrons dans les molécules lors de la transition des électrons entre les orbites, ou niveaux d'énergie.

Ces informations spectroscopiques peuvent ensuite être utilisées pour identifier les substances et surveiller les réactions chimiques.

Selon Robert Mayanovic, professeur de physique à la Missouri State University, la spectroscopie infrarouge, telle que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), est très utile pour de nombreuses applications scientifiques.

Celles-ci comprennent l'étude des systèmes moléculaires et des matériaux 2D, comme le graphène.

 

Les thérapies infrarouge

sauna infrarouge utilisation ondes

 

Lorsque le rayonnement infrarouge frappe un tissu biologique, il fait vibrer les molécules, produisant de la chaleur et provoquant une augmentation de la température.

Les tissus humains étant en grande partie constitués d'eau, la capacité d'absorption de l'eau pour les différentes longueurs d'onde du rayonnement infrarouge incident joue un rôle clé dans la détermination de la profondeur de pénétration et des effets du rayonnement.

Le rayonnement infrarouge peut favoriser la circulation sanguine locale et réduire la tension musculaire.

Parmi les applications médicales et de soin traditionnelles du rayonnement infrarouge (masseurs avec fonction infrarouge, lampes de luminothérapie IR...) on peut citer le soulagement des douleurs et des tensions musculaires, ainsi que le traitement des maladies auto-immunes ou des troubles de la cicatrisation.

Cependant, la question de savoir s'il est judicieux de traiter une maladie ou un problème par la chaleur, ou si cela peut être nocif, doit toujours être évaluée par un médecin au cas par cas.

Les effets néfastes sont particulièrement probables si l'augmentation de la température et la durée d'exposition dépassent les limites critiques.

Une exposition excessive peut entraîner des dommages, voire des brûlures. De manière générale, la charge thermique peut entraîner des perturbations de l'équilibre thermique de l'ensemble de l'organisme.

Les yeux sont particulièrement sensibles aux effets thermiques. Des lunettes de protection appropriées peuvent protéger les yeux contre une exposition excessive au rayonnement infrarouge.

Le système d'alerte et de protection de l'organisme

Les récepteurs de chaleur et de douleur sont principalement situés dans la couche supérieure du derme, juste sous l'épiderme, et constituent le système d'alerte et de protection de l'organisme. Ils sont moins sensibles aux rayonnements IR-A qu'aux rayonnements IR-C et IR-B, qui agissent près de la surface et sur un plus petit volume.

Cela pourrait bien être l'intention thérapeutique dans les applications médicales qui sont conçues pour produire un réchauffement plus important des régions plus profondes.

Toutefois, ce facteur doit être pris en compte dans toute application du rayonnement infrarouge.

 

L'astronomie infrarouge

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Caltech décrit l'astronomie infrarouge comme "la détection et l'étude du rayonnement infrarouge (énergie thermique) émis par les objets de l'univers".

Les progrès des systèmes d'imagerie CCD IR ont permis une observation détaillée de la distribution des sources IR dans l'espace, révélant des structures complexes dans les nébuleuses, les galaxies et la structure à grande échelle de l'univers.

L'un des avantages de l'observation IR est qu'elle permet de détecter des objets trop froids pour émettre de la lumière visible.

Cela a permis de découvrir des objets jusqu'alors inconnus, notamment des comètes, des astéroïdes et des nuages de poussière interstellaire qui semblent être répandus dans toute la galaxie.

L'astronomie infrarouge est particulièrement utile pour observer les molécules froides de gaz et pour déterminer la composition chimique des particules de poussière dans le milieu interstellaire, a déclaré Robert Patterson, professeur d'astronomie à l'université d'État du Missouri.

Ces observations sont réalisées à l'aide de détecteurs CCD spécialisés qui sont sensibles aux photons IR.

Un autre avantage du rayonnement infrarouge est que sa longueur d'onde plus grande signifie qu'il ne se diffuse pas autant que la lumière visible, selon la NASA.

Alors que la lumière visible peut être absorbée ou réfléchie par des particules de gaz et de poussière, les ondes IR plus longues contournent simplement ces petites obstructions.

Grâce à cette propriété, les IR peuvent être utilisés pour observer des objets dont la lumière est obscurcie par des gaz et des particules.

 

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