فهم تقنية الأشعة تحت الحمراء وتطبيقاتها المتعددة
فهم تقنية الأشعة تحت الحمراء وتطبيقاتها المتعددة
 |
| فهم تقنية الأشعة تحت الحمراء وتطبيقاتها المتعددة |
الطّيف الكهرومغناطيسيّ
الطيف الكهرومغناطيسي هو مجموعة من الموجات والجزيئات الكهرومغناطيسية التي تنبعث بأطوال موجية وترددات مختلفة. يتم تقسيم هذا الطيف إلى سبعة مناطق مرتبة حسب انخفاض طول الموجة وزيادة الطاقة والتردد. ومن ضمن الأشعة الكهرومغناطيسية تشمل الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية وموجات الراديو وموجات الصغر المعروفة بأشعة الميكروويف.الأشعّة تحت الحمراء
الأشعة تحت الحمراء هي أشعة كهرومغناطيسية يتعذر على الإنسان الإحساس بها أو مشاهدتها؛ إذ لا تستطيع العين البشرية رؤية معظم الطيف الكهرومغناطيسي إلا الضوء المرئي، ومع ذلك يمكن للإنسان أن يشعر بحرارتها، فهي وسيلة لنقل الحرارة تشابه في ذلك النقل عن طريق الحمل أو التوصيل. طول موجة الأشعة تحت الحمراء أطول من طول موجة الضوء المرئي، حيث يتراوح بين 30 سم و 740 نانومتر، وبالتالي تأتي بعد الضوء المرئي مباشرة قبل الموجات الصغرى، وترددها يتراوح تقريبا بين الترددين 3 جيجاهيرتز و 400 تيراهيرتز.تنبعث الأشعة تحت الحمراء من أي جسم يكون لديه درجة حرارة (-268) درجة مئوية، وتنبعث أيضًا من الشمس؛ حيث تكون نصف الطاقة التي تنبعث من الشمس على شكل أشعة تحت حمراء. ومعظم الضوء المرئي الذي ينبعث من الشمس والذي يتم امتصاصه أو إعادة انعكاسه يكون على شكل أشعة تحت حمراء. وتنبعث أيضًا من المصابيح المتوهجة، حيث تتحول 10% من الطاقة الكهربائية إلى ضوء مرئي، وتتحول النسبة المتبقية والتي تبلغ 90% منها إلى أشعة تحت حمراء.
اكتشاف الأشعّة تحت الحمراء
حُدِّدَت الأشعة تحت الحمراء في عام 1800م، عندما قام عالم الفلك البريطاني ويليام هيرشل بتجربة لقياس الفروق في درجات الحرارة بين الألوان في الطيف المرئي. وضع أدوات قياس الحرارة على مسار الضوء لجميع ألوان الطيف المرئي، ولاحظ زيادة في درجة الحرارة عند التحول من اللون الأزرق إلى اللون الأحمر، وتبقّى درجات الحرارة مُرتفعة حتى بعد اللون الأحمر.تطبيقات عمليّة للأشعّة تحت الحمراء
تعتمد بعض الأجهزة والمعدات المستخدمة في المنازل على الاشعة تحت الحمراء لأغراض عملية، مثل محمصة الخبز التي تستخدم الاشعة تحت الحمراء لنقل الحرارة وتسخين الخبز، وكذلك بعض أنواع الأجهزة المضيئة. ومن أهم استخدامات الاشعة تحت الحمراء وأكثرها شهرة هو استخدامها في أجهزة التحكم عن بعد للتلفاز، حيث يتم الاتصال بين جهاز التحكم والتلفاز باستخدام الاشعة تحت الحمراء، وترسل البيانات الثنائية على شكل نبضات، ويستقبل اللاقط في التلفاز هذه النبضات ويحدد الأوامر التي يجب على المعالج في التلفاز تنفيذها، مثل تغيير القناة أو تعديل مستوى الصوت وغيرها. ويمكن استخدام الاشعة تحت الحمراء أيضًا في الاتصال اللاسلكي عن بعد بمسافة تصل إلى بضع مئات من الأمتار.واحدة من أهم فوائد الأشعة تحت الحمراء تكمن في قدرتها على كشف الأجسام واكتشافها. يبعث كل جسم على وجه الأرض أشعة تحت حمراء بشكل طبيعي، وتكون هذه الأشعة مصاحبة للحرارة. بالإمكان استخدام أنواع مختلفة من الحساسات الإلكترونية مثل البولومتر لاكتشاف هذه الأشعة. فمن خلال هذه الأساسية البولومتر، نجد النظارات الليلية وبعض آلات التصوير المصممة بناءً على هذا المبدأ. إذ يُعَدُّ البولومتر جهازًا حساسًا للأشعة تحت الحمراء، وهو مكون من تلسكوب وحساس حرارة (ثرمستور) يتواجد في داخله. عندما يتسبب دخول جسم في إطلاق حرارة في مجال رؤية هذا الجهاز، ستتسبب هذه الحرارة في تغيير الجهد الكهربائي للثرمستور، وبالتالي يتمكن الجهاز من الكشف عن الأجسام.
كاميرا الرؤية الليلية تعتبر تطويرًا متقدمًا للبولومتر، حيث تحتوي على جهاز اقتران الشحنة، وهو عبارة عن رقاقة حساسة للأشعة تحت الحمراء تحوّل الصورة الملتقطة إلى صورة مرئية. يمكن تصنيع هذه الأنظمة بحجم صغير بما يمكن استخدامها في الأجهزة المحمولة، أو نظارات الرؤية الليلية، أو على فوهة البندقية لتحديد الهدف وتسهيل الإصابة. يمكن إضافة ليزر أشعة تحت الحمراء لتوجيه الكاميرا.
يلجأ العديد من العلماء إلى استخدام الأشعة تحت الحمراء في مختلف المجالات. فمنهم علماء الفلك الذين يستخدمونها في دراسة المجرات الموجودة على بُعد سنوات ضوئية عن الأرض. ويعتمد عليها علماء الآثار في جهاز كشف الآثار لدراسة الآثار القديمة والحفاظ على الأعمال الفنية والتاريخية الثمينة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدامها لكشف التفاصيل التي لا يمكن للعين البشرية رؤيتها في القطع الأثرية القديمة واللوحات. أما في مجال الصناعة، فإن الأشعة تحت الحمراء تستخدم لاختبار ومُراقبة الأنظمة الميكانيكية.
سلبيّات الأشعّة تحت الحمراء
تعمل أجهزة التحكم عن بعد التي تستخدم الأشعة تحت الحمراء لمدة لا تقل عن 25 سنة، ولكن هناك بعض العيوب المرتبطة بطبیعة الأشعة تحت الحمراء ذاتها. يتم تقدير مدى هذه الأجهزة بحوالي 10 أمتار، وتتطلب أن يتم توجيه الجهاز بخط مستقيم ومباشر نحو الاستقبال، وهذا يعني أن إشارة الأشعة تحت الحمراء لن تستطيع المرور خلال الجدران أو حول الزوايا.واحدة من المشاكل المتعلقة بالأشعة تحت الحمراء هي مشكلة التداخل. نظرًا للتوسع الواسع في استخدامها ، فإن الأشعة تحت الحمراء منتشرة بشكل كبير. فهي موجودة في أشعة الشمس وتنبعث من جسم الإنسان والمصابيح الفلورية. ويعتبر ذلك دليلاً على انتشارها في حياة الإنسان اليومية. ولتجنب التداخل بين أجهزة التحكم عن بُعد ومصادر أخرى للأشعة تحت الحمراء مثل تلك المذكورة سابقًا ، يتم معايرة جهاز استقبال هذه الأشعة في التلفزيون ليستجيب لطول موجي محدد فقط وهو عادة ما يكون 980 نانومتر. تُصفى الأطوال الموجية الأخرى من خلال نفس جهاز الاستقبال.
بالرغم من محاولة ضبط أجهزة الاستقبال، لا يزال الشمس قادرة على التداخل مع إشارة جهاز التحكم، بسبب احتوائها على نفس الطول الموجي الذي تم برمجة جهاز الاستقبال للاستجابة له. ولحل هذه المشكلة، يتم برمجة جهاز التحكم عن بُعد بترددات غير موجودة في أشعة الشمس. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة ليست مثالية، إلا أنها تكفي لتقليل التداخل بشكل كبير.
