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Was ist Infrarotstrahlung und wie entsteht diese?

Wärmebild einer Heizung - Beispiel für Infrarotstrahlung

Das Wärmebild einer Heizung ist ein anschauliches Beispiel für Infrarotstrahlung.

Das menschliche Auge ist wie ein Detektor, der das sichtbare Licht wahrnimmt. Dieses zählt zu den Strahlungen, die durch die Atmosphäre hindurchgelangen und aus diesem Grunde ihren Weg bis an die Erdoberfläche finden.

Allerdings gibt es auch Lichtarten, die für unser Auge nicht sichtbar sind. Eigentlich ist es uns sogar nur möglich, einen Bruchteil der Gesamtstrahlung zu erkennen. Hierbei sprechen wir vom elektromagnetischen Spektrum. Dieses besteht aus Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, ultraviolettem, sichtbarem und infrarotem Licht, ebenso wie Mikro- und Radiowellen.

Unterschiede der einzelnen Strahlungen

Diese Strahlungen unterscheiden sich im Grunde nur durch ihre Frequenz und Wellenlänge voneinander. Letzere steigt an – die Frequenz variiert dann von der Gammastrahlung bis zu den Radiowellen. Diese Arten der Strahlung erreichen im sogenannten Vakuum eine Geschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde. Diese entspricht der Geschwindigkeit des Lichts.

Abgesehen vom sichtbaren Licht erreichen uns die Ultraviolett- und die Infrarotstrahlung sowie die Radiowellen auf Lichtgeschwindigkeit, während sie vom Weltall aus auf die Erde treffen. Die meisten der gefährlichen bis tödlichen Strahlungen werden allerdings von unserer Atmosphäre abgeblockt.

Eigenschaften von Infrarotstrahlung

Übersicht über das elektromagnetische Spektrum

Übersicht über das elektromagnetische Spektrum (zur Vergrößerung bitte anklicken).

Die Infrarotstrahlung befindet sich im elektromagnetischen Spektrum zwischen dem sichtbaren Licht und den Mikrowellen. Die Aufteilung findet in drei Kategorien statt: das nahe, mittlere und ferne Infrarot. Das nahe Infrarot stellt den Spektrumsbereich dar, welcher sich nah beim sichtbaren Licht befindet. Das ferne Infrarot befindet sich nah am Frequenzbereich der Mikrowellen. Die beigefügte Grafik auf der rechten Seite verdeutlicht diese Position.

Die sogenannte Wärmestrahlung bezeichnet die Quelle der Infrarotstrahlung. Sie ist jene Strahlung, welche durch die Bewegung der Atome und Moleküle eines Objektes entsteht. Bei höheren Temperaturen bewegen sich diese schneller, und die Produktion der Infrarotstrahlen erhöht sich.

Alle Objekte, die Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunktes produzieren, strahlen im Infrarotbereich. Hierbei handelt es sich konkret um Temperaturen bis minus 273,15 Grad Celsius. Bei dieser extremen Temperatur wird die Molekül- und Atombewegung gestoppt. Eine niedrigere Temperatur ist nicht möglich. Auch Objekte, welche uns sehr kalt erscheinen – wie beispielsweise Eis – produzieren Strahlung im Infrarotbereich.

Sofern Objekte nicht ausreichend Hitze produzieren, um sichtbares Licht zu erzeugen, strahlen sie den größeren Teil ihrer Energie in Infrarot aus. Es kommt also zu einer Wärmeproduktion, die wir wahrnehmen aber nicht sehen können. Je größer diese Wärmeproduktion ist, umso mehr infrarote Strahlung wird ausgesendet. Aus diesem Grund wird die Infrarotstrahlung als Wärmestrahlung bezeichnet.

Position im elektromagnetischen Spektrum

Die Infrarotstrahlung gehört zur optischen Strahlung und befindet sich im elektromagnetischen Spektrum (siehe Grafik). Sie fließt immer in die Richtung von längeren Wärmewellen in sichtbares Licht. Der Bereich der Wellenlängen liegt zwischen 780 Nanometern bis 1 Millimeter. Die infrarote Strahlung wird weiterhin eingeteilt in kurzwellige IR-A-Strahlung, die einen Wellenlängenbereich von 780 bis 1.400 Nanometern aufweist, in die IR-B-Strahlung, die zwischen 1.400 und 3.000 Nanometern liegt, und in den langwelligen Strahlenbereich, die sogenannte IR-C-Strahlung. Diese liegt zwischen 3.000 Nanometern und 1 Millimeter.

Die Sonne als größte Quelle für Infrarotstrahlung

Die Sonne ist die größte Quelle für Infrarotstrahlung

Die Sonne ist der größte Spender für Wärmestrahlung auf unserem Planeten.

Die Sonne stellt die größte natürlich Quelle der Infrarotstrahlung dar. Sie besitzt einen Anteil von 50 Prozent der Sonnenstrahlung, die wir auf der Erde wahrnehmen. Da die Erde von der Sonne erwärmt wird, gibt auch sie infrarote Strahlung ab. Alle Gase wie Kohlenstoffdioxid, Wasser, Methan, Ozon und Fluorchlorkohlenwasserstoff, die sich in der Erdatmosphäre befinden, absorbieren die Strahlung, was ihre Erwärmung verursacht.

Entdeckung von Infrarotstrahlung

Erstmals wurde die Infrarotstrahlung im Jahre 1800 vom deutschen Astronom William Herschel entdeckt. Dies gelang durch das Erwärmen einer schwarzen Fläche mit einem IR-Anteil der im Spektrum zerlegten Sonnenstrahlung. Die Erwärmung von verschiedenen Stoffen und Objekten wird auch heute noch als Nachweis infraroter Strahlung eingesetzt wie beispielsweise in der Verwendung von Nachtsichtgeräten.

Wenn Sie an der kompletten Geschichte über die Entdeckung der Infrarotstrahlung interessiert sind, dann empfehlen wir unseren Artikel speziell über dieses Thema.

Gesundheitliche Aspekte

Wie wir nun bereits wissen, produzieren alle warmen Objekte infrarote Strahlung. Dabei handelt es sich um Temperaturen, die sich über dem absoluten Nullpunkt von etwa minus 273 Grad Celsius befinden. Die Menge der Energie sowie die Verteilung der Wellenlängen der Strahlung sind abhängig von der Temperatur der Objekte. Je mehr Wärme ein Objekt ausstrahlt, umso mehr Energie aus infraroter Strahlung wird abgegeben. Die Wellenlänge wird dabei immer kürzer.

Infrarotstrahlung mit sehr geringer Intensität empfinden wir Menschen als angenehm. Bei höherer Intensität kommt es jedoch zu negativen Auswirkungen auf unsere Gesundheit wie beispielsweise Schäden an der Netzhaut oder Verbrennungen der Haut. Unser Körper verfügt jedoch über natürliche Schutzmechanismen, die in begrenzter Weise Schmerz- und Wärmerezeptoren aktivieren, um uns vor schädlichen Auswirkungen zu bewahren.

Grundlage für Infrarot-Thermometer

Geräte zur Messung von Temperaturen gibt es unter anderem in Form von sogenannten Infrarot-Thermometern, die kontaktlos verwendet werden können. Somit ist eine Temperaturmessung von Körpern jeder Art über die infrarote Strahlung ohne Berührung möglich.

Alle Infrarot-Thermometer verfügen zur besseren Orientierung über einen Pilotstrahl. Solche Messgeräte messen nur die Temperatur der sichtbaren Oberfläche eines Körpers. Sie durchdringen also beispielsweise keine Glasscheiben. Auch die Temperatur im Inneren eines Steaks kann auf diese Weise nicht gemessen werden – die Außentemperatur jedoch schon.

Einige Modelle verfügen über K-Werte, die fest vorgegeben sind. Es gibt aber auch solche, bei denen der K-Wert abhängig vom Werkstoff eingestellt werden kann. Unter dem K-Wert versteht man übrigens den Wärmedurchgangskoeffizienten. Bei glänzenden Metallen oder anderweitig polierten Oberflächen, können die Infrarot-Thermometer nur den zu erwartenden Trend der Temperaturen ermitteln.

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