Termômetro Infravermelho

COMO FUNCIONA O TERMÔMETRO INFRAVERMELHO?

(Texto extraído e adaptado de: https://www.tricurioso.com/2020/05/22/como-funciona-o-termometro-infravermelho-com-forma-de-pistola/ e http://www.ct.ufpb.br/lat/contents/documentos/manuais/termometro-infravermelho-mt-350.pdf )

Nesses tempos de pandemia, caso você decida sair de casa para ir a um estabelecimento comercial, são grandes as chances de você ficar sob a mira de uma pistola. No entanto, ao contrário das outras armas, esta pistola não foi feita para matar ninguém. Estou falando do curioso termômetro infravermelho com forma de pistola que se tornou bastante comum em meio ao caos do novo coronavírus.

Essa pistola medidora de temperatura é um termômetro infravermelho que tem a capacidade de medir a temperatura de uma pessoa ou objeto a uma certa distância. Originalmente destinadas a medir a temperatura de objetos em movimento e em superfícies inacessíveis, esses termômetros chegaram aos hospitais nos últimos meses, tornando-se onipresentes por conta da sua eficácia em medir temperaturas a distância.

Essas pistolas estão sendo utilizadas nos aeroportos para rastrear passageiros, pelos lojistas para verificar os clientes que chegam, nos postos de saúde e em todas as outras áreas possíveis. Mas, afinal de contas, como essas armas funcionam? É essa a questão que vamos abordar nesta aula.

Assista ao vídeo abaixo:

Basicamente, qualquer termômetro infravermelho aproveita o fato de que todas as coisas (incluindo seres humanos), a uma temperatura acima de zero absoluto, emitem calor na forma de radiação térmica.

Vamos relembrar a última aula:

A qualquer temperatura acima do zero absoluto, os átomos estão em constante estado de movimento e possuem energia cinética. Desse modo, quanto mais alta a temperatura, mais energia cinética os átomos/moléculas possuem.

Quando os elétrons (cargas elétricas) nesses átomos se movem com a agitação térmica, é emitida energia na forma de radiação eletromagnética. Esse tipo de radiação eletromagnética, emitida apenas pela energia cinética e movimento das partículas na matéria, é classificada como radiação térmica.

A radiação térmica compreende mais de um único comprimento de onda ou seja, mais de uma frequencia). De fato, o tipo de radiação térmica emitida depende da temperatura da fonte. Como mencionado anteriormente, quanto mais alta a temperatura, mais rápidas as moléculas se movem e maior a quantidade de radiação emitida.

O espectro eletromagnético

Espectro eletromagnético é o intervalo de todas as frequências de ondas eletromagnéticas existentes. O espectro eletromagnético é, geralmente, apresentado em ordem crescente de frequências, começando pelas ondas de rádio (baixa frequencia), passando pela microondas, radiação infravermelha, radiação visível (luz visível), radiação ultravioleta, Raios-X até a radiação gama (alta frequencia), de maior frequência.

O que diferencia um tipo de radiação do outro, no espectro eletromagnético, é a frequencia da radiação.

Vamos falar mais sobre o espectro eletromagnético mais adiante.

Lei de Wien

A lei de Wien (ou lei do deslocamento de Wien) é a lei da física que relaciona o comprimento de onda, portanto relaciona também a frequencia onde se situa a máxima emissão de radiação térmica com a sua temperatura:

Onde:

λ é o Comprimento de onda

b é uma constante de proporcionalidade ... e

T é a temperatura do corpo em Kelvin.

Portanto quanto maior a temperatura de um corpo, menor o comprimento de onda que ele emite.

Como o comprimento de onda é inversamente proporcional à frequencia, concluímos que:

QUANTO MAIOR A TEMPERATURA DE UM CORPO, MAIOR A FREQUÊNCIA DA RADIAÇÃO QUE ELE EMITE

LEI DE STEFAN-BOLTZMAN

A Lei de Stefan-Boltzmann (mais conhecida como Lei de Stefan) estabelece que a energia total irradiada por unidade de área superficial de um corpo negro na unidade de tempo (radiação do corpo negro), P é diretamente proporcional à quarta potência da sua temperatura T:

Ou seja, quanto maior a temperatura, maior a potência irradiada. Em outras palavras, quanto maior a temperatura, mais energia o corpo irradia.

No gráfico acima vemos que um corpo a 900K de temperatura emite uma radiação numa frequencia menor e também emite uma menor quantidade de radiação (por unidade de área). Já um corpo com temperatura de 1500 K emite radiação numa frequencia maior e com mais intensidade.

Juntando a lei de Wien com a lei de Stefan-Boltzman temos:

Isso significa que a temperatura do corpo determina a frequencia da radiação emitida e também a intensidade da radiação emitida.

O que isso tem a ver com o termômetro infravermelho?

Ao aplicarmos a lei de Wien para o corpo humano que tem temperatura na ordem de 310 K (trezentos e dez Kelvin --> 36 C + 273) veremos que ele emite radiação na faixa de frequencia do INFRAVERMELHO.

A radiação emitida por um corpo em temperaturas inferiores a cerca de 600 graus Celsius não é visível. A maior parte delas está numa frequencia muito menor que as frequencias da luz visíveis (estudaremos isso com mauis profundidade quando estudarmos o ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO). A partir de 600 graus C o corpo começa a irradiar numa coloração vermelho-escura. Conforme a temperatura vai aumentando essa coloração vai se modificando.

Cada objeto emite energia infravermelha de acordo com sua temperatura. Medindo a quantidade desta energia radiante, é possível determinar a temperatura do objeto o qual queremos medir a temperatura.

A radiação infravermelha tem a propriedade de que passar facilmente através do ar, enquanto é facilmente absorvido pela matéria sólida.

A radiação infravermelha que foi emitida a partir do objeto atravessa o ar entre o objeto e o termômetro e é focada num sensor de radiação infravermelha, dentro do termômetro, através de um sistema óptico (lentes). Como todos os objetos emitem energia infravermelha e a quantidade de energia emitida é proporcional à temperatura do objeto esta pistola mede na verdade a quantidade de radiação infravermelha que este objeto esta emitindo e converte isso automaticamente para uma temperatura (pois a proporção entre a emissão de infravermelho e a temperatura é conhecida).

RESUMINDO:

O termômetro infravermelho na forma de pistola (ou qualquer outra forma) capta a radiação infravermelha que é emitida pelo objeto o qual se deseja medir a temperatura, mede a intensidade desta radiação e converte isso em um valor de temperatura.

E aquele laser que estas pistolas emitem, pra que serve?

Este laser que vemos sendo emitido por estas pistolas não tem nenhuma utilidade na medição da temperatura. Serve apenas para sabermos exatamente pra onde a pistola está apontando.

OUTRAS APLICAÇÕES TECNOLÓGICAS (MESMO PRINCÍPIO):

• SENSORES DE MOVIMENTO/PRESENÇA

Alguma vez vocês já entraram no banheiro de um restaurante e a luz se acendeu automaticamente, sem a necessidade de um interruptor? Ou então a porta se abriu automaticamente? Muito provavelmente foi empregado um sensor de movimento / presença do tipo PIR – Passive Infrared / Infravermelho Passivo.

Um sensor de movimento PIR é, basicamente, uma câmera infravermelha que detecta a radiação IR que é irradiada por objetos que penetram em seu campo de visão. Lembre-se que o corpo humano emite radiação térmica na faixa de frequencia do infravermelho.

No geral, esse tipo de sensor capta radiação infravermelha (radiação térmica) que equivale aproximadamente à temperatura corporal de animais de sangue quente em geral, como os seres humanos.

• PIRÔMETROS

Basicamente, estes termômetros , detectam a quantidade de radiação infravermelha que um objeto está emitindo (inclusive nosso corpo) e, através de uma fórmula matemática converte essa quantidade de radiação em uma temperatura. É assim que são medidas as temperaturas de fornos muito quentes, e até mesmo de estrelas!

• EQUIPAMENTOS DE VISÃO NOTURNA

Estes equipamentos convertem a radiação térmica (infravermelha) em luz visível, fazendo com que o observador enxergue no escuro. O princípio de funcionamento de uma câmera em infravermelho é semelhante ao de uma câmera comum. A luz entra e é concentrada sobre uma placa revestida de algum metal semicondutor. Cada ponto da placa corresponde a um pixel (abreviação de picture element, elemento mínimo que compõe uma imagem) no visor ou na tela do computador.

O sinal elétrico de cada um desses pontos é processado e convertido em uma imagem monocromática (uma única cor, geralmente verde ou cinza) – as cores podem ser acrescentadas depois, de acordo com a intensidade do sinal recebido.

Este tipo de equipamento foi usado já durante a II Guerra Mundial.

REFERENCIAS:

https://blogdoenem.com.br/transmissao-de-calor-fisica-enem/

https://www.sofisica.com.br/conteudos/fisicamoderna/FisicaQuantica/corpo_negro.php

https://alunosonline.uol.com.br/fisica/irradiacao-termica-no-cotidiano.html

http://www.bosontreinamentos.com.br/eletronica/como-funciona-um-sensor-de-movimento-pir-passive-infrared/

https://super.abril.com.br/mundo-estranho/como-funciona-a-visao-em-infravermelho/

https://brasilescola.uol.com.br/fisica/espectro-eletromagnetico.htm