Practica 6: Leyes de la Radiación Térmica.

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Leyes de la radiación Térmica
Objetivo: El objetivo de la práctica es verificar experimentalmente las leyes de la radiación: Ley
de Stefan-Boltzmann y ley del inverso del cuadrado de la distancia.
Material: Banco de óptica. Horno con autotransformador para control de potencia y temperatura. Pinhole con refrigeración. Termopar Ni-NiCr. Pila de Moll. Microamperímetro.
Teoría: Cualquier cuerpo emite calor por radiación. La potencia radiada por unidad de superficie
depende, según la Ley de Stefan-Boltzmann, con la cuarta potencia de la Temperatura absoluta
del cuerpo. Un cuerpo negro es un sistema que no refleja ninguna radiación ambiente. Por tanto,
toda la energía que desprende un cuerpo negro es debida a la radiación del propio cuerpo. En el
laboratorio se utiliza como modelo de cuerpo negro el interior de un horno cuya temperatura se
puede variar a voluntad. La salida del horno se delimita con un pinhole que se mantiene frío por
circulación de agua. De esta manera, toda la radiación procede del interior del horno y no de las
paredes externas.
La segunda ley de la radiación es que la potencia recibida disminuye con el inverso del
cuadrado de la distancia a la fuente. Ello es, simplemente, consecuencia de que la superficie de
una esfera es 4πr².
Como elemento sensor se utiliza una Pila de Moll, que nos da una salida en µA proporcional a la potencia recibida por radiación. La intensidad eléctrica a la salida del sensor se mide
con un multímetro. Para la medida de la Temperatura del horno se utiliza un termopar de NiCrNi.
Procedimiento: La práctica comienza con el autotransformador que controla el horno apagado.
Se conecta el pinhole a la refrigeración y se enciende el termopar. Se coloca el sensor sobre el
banco de óptica, a unos 20-25 cm de la boca del horno y se apunta cuidadosamente. Se conecta el
multímetro a la salida del sens-or y se programa para que mida µA. Después de esperar unos minutos a que se estabilice el
sistema, se anota la primera
medida, que debe dar una in50
tensidad prácticamente nula:
{Voltios, Temperatura, µA}.
40
Una vez realizada la primera
medida, se da potencia al hor30
A)
no, colocando el autotransµ
I(
formador en 80V. Se espera a
20
que se estabilize el sistema y
se realiza una segunda medi10
da. A continuación se va aumentando la potencia, subien0
do el autotransformador en
0
5
10
15
20
25
30
pasos de unos 30V, se espera
4
-10
4
T x 10 (K )
a que se estabilice el sistema y se realizan sucesivas medidas, hasta obtener 5 o 6 puntos en total.
[ ATENCION: El sistema tarda mucho en estabilizarse: al menos 20 o 30 minutos. Es muy importante asegurarse que el sistema está en equilibrio antes de realizar las medidas.] Construyendo
un gráfico que represente la salida del sensor (proporcional a la potencia radiada) en el eje Y,
frente a la temperatura absoluta a la cuarta (T4) en el eje X; y realizando un ajuste lineal de estos
datos puede verificarse la Ley de Stefan-Boltzmann, como aparece en la Figura 1.
I (µ A)
Una vez verificada la Ley de Stefan-Boltzmann, se verifica la Ley del inverso del cuadrado de la distancia. Para ello, una vez estabilizado el horno a la temperatura más alta, se va variando la posición de la pila de Moll sobre el banco de óptica. Se anota la salida del sensor en µA
para cada posición sobre el banco.
Se construye una Tabla de valores
140
{distancia a la boca del horno,
120
µA}. Para ello será también necesario conocer la posición de la boca
100
del horno sobre el banco de óptica.
Construyendo un gráfico que repre80
sente la salida del sensor (propor60
cional a la potencia radiada) en el
eje Y, frente al inverso del cuadra40
do de la distancia al horno (d-2) en
20
el eje X; y realizando un ajuste lineal de estos datos puede verificar0
se la Ley de la distancia, tal y como
0
50
100
150
-2
4
-2
aparece en la Figura 2.
d x 10 (cm )
Resultados:
1) Tabla de valores: Voltaje, Temperatura e Intensidad. Tabla de valores: Distancia al horno,
Intensidad
2) Representación gráfica de Intensidad frente a la cuarta potencia de la Temperatura, con
ajuste lineal por mínimos cuadrados, para comprobar la ley de Stefan-Boltzmann. Representación gráfica de Intensidad frente al inverso del cuadrado de la distancia al horno, con ajuste
lineal por mínimos cuadrados, para comprobar la ley del inverso del cuadrado.
3) Comentarios.