Qu'est-ce que l'infrarouge?

Le rayonnement infrarouge (IR), ou lumière infrarouge, est un type d'énergie radiante invisible pour les yeux humains mais que nous pouvons ressentir sous forme de 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, un continuum de fréquences produites lorsque les atomes absorbent puis 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.

L'astronome britannique William Herschel a découvert la lumière infrarouge en 1800, selon la NASA. Dans 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 produisent à des fréquences supérieures à celles des micro-ondes et juste en dessous de celles de la lumière rouge visible, d'où le nom «infrarouge». Les ondes de rayonnement infrarouge sont plus longues que celles de la lumière visible, selon le California Institute of Technology (Caltech). Les fréquences infrarouges vont d'environ 300 gigahertz (GHz) à environ 400 térahertz (THz), et les longueurs d'onde sont estimées entre 1000 micromètres (µm) et 760 nanomètres (2,9921 pouces), bien que ces valeurs ne soient pas définitives, selon la NASA.

Semblable au spectre de la lumière visible, qui va du violet (la plus courte longueur d'onde de la lumière visible) au rouge (la plus longue longueur d'onde), le rayonnement infrarouge a sa propre gamme de longueurs d'onde. Les ondes «proche infrarouge» plus courtes, qui sont plus proches de la lumière visible sur le spectre électromagnétique, n'émettent aucune chaleur détectable et sont ce qui est déchargé d'une télécommande de téléviseur pour changer les canaux. Les ondes «infrarouges lointaines» plus longues, qui sont plus proches de la section micro-ondes du spectre électromagnétique, peuvent être ressenties comme une chaleur intense, telle que la chaleur du soleil ou du feu, selon la NASA.

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 infrarouge. 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, selon l'Université du Tennessee..

Usages ménagers

Les appareils ménagers tels que les lampes chauffantes et les grille-pain utilisent le rayonnement infrarouge pour transmettre la chaleur, tout comme les appareils de chauffage industriels tels que ceux utilisés pour le séchage et le séchage des matériaux. Les ampoules à incandescence ne convertissent qu'environ 10% de leur énergie électrique en énergie lumineuse visible, tandis que les 90% restants sont convertis en rayonnement infrarouge, selon l'Agence de protection de l'environnement..

Les lasers infrarouges peuvent être utilisés pour des communications point à point sur des distances de quelques centaines de mètres ou de mètres. Les télécommandes de télévision qui reposent sur le rayonnement infrarouge émettent des impulsions d'énergie infrarouge d'une diode électroluminescente (LED) vers un récepteur infrarouge du téléviseur, selon How Stuff Works. Le récepteur convertit les impulsions lumineuses en signaux électriques qui ordonnent à un microprocesseur d'exécuter la commande programmée.

Détection infrarouge

L'une des applications les plus utiles du spectre infrarouge est la détection et la détection. Tous les objets sur Terre émettent un rayonnement IR sous forme de chaleur. Cela peut être détecté par des capteurs électroniques, tels que ceux utilisés dans les lunettes de vision nocturne et les caméras infrarouges.

Un exemple simple d'un tel capteur est le bolomètre, qui consiste en un télescope avec une résistance sensible à la température, ou thermistance, en son point focal, selon l'Université de Californie à Berkeley (UCB). Si un corps chaud entre dans le champ de vision de cet instrument, la chaleur provoque un changement 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 alors 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 pour les 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 IR d'une substance montrera des creux et des pics caractéristiques lorsque les photons (particules de lumière) sont absorbés ou émis par les électrons dans les molécules lors de la transition des électrons entre les orbites ou les niveaux d'énergie. Ces informations spectroscopiques peuvent ensuite être utilisées pour identifier des substances et surveiller les réactions chimiques.

Selon Robert Mayanovic, professeur de physique à la Missouri State University, la spectroscopie infrarouge, comme la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), est très utile pour de nombreuses applications scientifiques. Il s'agit notamment de l'étude des systèmes moléculaires et des matériaux 2D, tels que le graphène.

Astronomie infrarouge

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 IR CCD 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 infrarouge est qu'elle permet de détecter des objets trop froids pour émettre de la lumière visible. Cela a conduit à la découverte d'objets jusque-là inconnus, notamment des comètes, des astéroïdes et des nuages ​​de poussière interstellaires vaporeux 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 la Missouri State University. Ces observations sont effectuées à l'aide de détecteurs CCD spécialisés qui sont sensibles aux photons IR.

Un autre avantage du rayonnement IR est que sa longueur d'onde plus longue signifie qu'il ne 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 infrarouges plus longues contournent simplement ces petites obstructions. En raison de cette propriété, l'IR peut être utilisé pour observer des objets dont la lumière est obscurcie par le gaz et la poussière. De tels objets incluent des étoiles nouvellement formées noyées dans des nébuleuses ou le centre de la galaxie terrestre.

Ressources supplémentaires:

• En savoir plus sur les ondes infrarouges de la NASA Science.
• En savoir plus sur l'infrarouge de l'Observatoire Gemini.
• Regardez cette vidéo décrivant la vision infrarouge, de National Geographic.

Cet article a été mis à jour le 27 février 2019 par la contributrice Traci Pedersen.