Quali sono i principi che regolano il funzionamento di una termocamera? Scopriamolo insieme!
La telecamera a infrarossi è balzata agli onori delle cronache per il suo onnipresente ruolo di termometro, preposto a regolare gli accessi a uffici, scuole e centri commerciali. 

Il suo funzionamento si basa sull’emissione di radiazione elettromagnetica da parte di ogni oggetto e corpo esistente. Poiché  l’intervallo di frequenze emesse dipende dalla temperatura del corpo, con un rivelatore possiamo determinarne la temperatura. 

Le emissioni luminose sono infatti dovute all’agitazione termica degli atomi, più precisamente degli elettroni, a loro volta messi in moto dai nuclei atomici stessi. 

Il calore di un oggetto risiede nell’agitazione termica dei nuclei (che hanno massa circa 2000 volte superiore agli elettroni), ma sono gli elettroni che emettono radiazione elettromagnetica in virtù proprio della loro minore massa. Infatti l’emissione di onde e.m. dipende dalla quarta potenza dell’accelerazione cui sono soggetti gli elettroni***1.

Al crescere della temperatura T cresce la frequenza luminosa del picco di emissione della luce. E’ su questo principio che si basa il funzionamento delle vecchie lampadine a incandescenza. Questa formula è nota come legge di Wien, e viene di solito espressa in termini di lunghezza d’onda L (l’inverso della frequenza)

 

L=b/T (b è una costante) ***2

Figura 1: Foto a infrarossi (a falsi colori) di un collega. Notate le differenti temperature delle varie parti del corpo, la temperatura più bassa della tazza e degli angoli del muro. I contorni a toni di grigio sono realizzati con una seconda telecamera nel visibile
Ci si può convincere di questo fenomeno guardando i tizzoni di legno nel camino o oggetti resi incandescenti dalla fiamma di un fornello a gas: a temperature più basse il colore è rossastro mentre a temperature più alte si sposta verso il bianco perché si vanno ad aggiungere alla componente rossa quelle verdi e blu che – complessivamente – rendono biancastra la luce emessa dagli oggetti. È per questo che le stelle del cielo hanno colori diversi a seconda della temperatura della loro superficie.

 

Temperatura delle mani. Il punto caldo a 39.3 C è dovuto al calore del foglio prodotto per attrito con la gomma da cancellare

La temperatura di un portellone dell’aereo in volo non è costante ma scende anche sotto zero in prossimità’ della carlinga.

Quando il fuoco si spegne e le braci si raffreddano, le ceneri non emettono più luce visibile, ma – avvicinandoci – possiamo percepire con il nostro corpo il calore irradiato alle frequenze infrarosse. 

Anche il corpo umano, a una temperatura di 37°C (gradi Celsius), emana radiazione infrarossa, rivelabile da appositi sensori che operano intorno alla lunghezza d’onda di 15000 nm (la luce visibile è tra 380 e 700 nm). Ad esempio, gli allarmi volumetrici di movimento si basano su un singolo sensore infrarosso, come anche i termometri infrarossi. In questo caso il sensore è calibrato per misurare la quantità di radiazione infrarossa emessa a una specifica frequenza per risalire così alla temperatura dell’umano che abbiamo di fronte. Le termocamere sono costituire da una griglia di termometri disposti in maniera regolare per determinare la temperatura di ciascun pixel che osservano. I sensori possono essere raffreddati o non raffreddati. Quelli del primo tipo sono più precisi, ma meno gestibili fuori dal laboratorio e si basano su una misura bolometrica, ossia sull’aumento di temperatura che la radiazione e.m. produce quando colpisce il pixel, mentre quelli non raffreddati misurano di solito una variazione di voltaggio causata dai fotoni infrarossi. Il costo di queste termocamere è minore di quelle raffreddate, ma si aggira comunque intorno a qualche centinaia di euro. Alcune di esse si collegano al cellulare tramite la porta usb e sono costituite da una telecamera del visibile che determina i contorni degli oggetti che stiamo vedendo e una nell’infrarosso che ne determina la temperatura.

Date le circostanze è auspicabile che il costo delle telecamere infrarosse possa scendere in futuro per consentire a tutti di fare le proprie misure in maniera autonoma e di vedere il mondo di persona anche in questo interessantissimo intervallo di frequenze (e se avete foto interessanti nell’infrarosso mandatecele!)

 

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Il cielo sopra Roma, salendo in altezza la temperatura delle nuvole decresce.

Riscaldamento con pompa di calore: si noti la bassa temperatura negli angoli della stanza

Per chi volesse approfondire, a questo link un video in cui c’è un ulteriore spiegone su come funziona una termocamera.
NOTE

***1 È su questo fenomeno che si basa il principio di funzionamento di tutte le antenne di radio, tv, satellite e il magnetron del forno a microonde. È infatti molto semplice realizzare un circuito a corrente alternata che fa vibrare gli elettroni alla stessa frequenza dell’oscillazione della corrente, in modo che emettano un’onda e.m. di lunghezza d’onda comparabile a quella dell’antenna trasmittente. L’antenna ricevente funziona secondo il principio opposto. La radiazione elettromagnetica la colpisce e mette in moto gli elettroni del metallo producendo una minuscola, ma amplificabile – e pertanto utilizzabile! – corrente.

***2 la ripartizione e la distribuzione delle frequenze non è descrivibile con i concetti propri della fisica classica e fece impazzire (o quasi) molti fisici brillanti all’inizio del secolo scorso. La catastrofe dell’ultravioletto, come i futuri premi Nobel la chiamarono al tempo, è alla fase della formulazione quantistica dell’emissione della luce, descritta dalla legge di Planck.