Radiación térmica

Radiación Térmica
Objetivos de la Practica:
Estudiar la absorción de la radiación térmica para diferentes superficies.
| Analizar el comportamiento de la absorción de radiación frente a la variación de la distancia entre la fuente y
el punto de medida.
Nota Teórica:
Radiación Térmica
La naturaleza de la radiación a confundido a los científicos por siglos. Maxwell propuso que esta forma de
energía viaja como una vibración eléctrica y perturbación magnética a través del espacio en una dirección
perpendicular a dicha
En el diagrama, la oscilación eléctrica (rojo) y la oscilación magnética (azul) son perpendiculares (la eléctrica
en el plano xy y la magnética en el xz).Las ondas están viajando en dirección x. Una onda electromagnética
puede ser definida en términos de frecuencia de oscilación designada por la letra griega nu (v). La onda se
mueve en línea recta con velocidad constante (designada como c si este movimiento es a través del vacío); la
distancia entre picos sucesivos es la longitud de onda () y es igual a la velocidad entre la frecuencia.
El espectro electromagnético cubre una gran cantidad de longitudes de onda, desde ondas muy cortas hasta
muy largas.
La única región del espectro electromagnético la cual es sensible a nuestros ojos es el rango "visible"
identificado en el diagrama con los colores del arco iris.
El sol no es el único objeto que provee energía radiante; algunos objetos cuya temperatura es mayor que el 0
K puede emitir algo de energía radiante. El desafío de los científicos fue como esta energía radiante está
relacionada a la temperatura del objeto.
Si un objeto está colocado dentro de un recipiente cuyas paredes están a temperatura uniforme, se espera que
el objeto alcance el equilibrio térmico con las paredes del recipiente y el objeto pueda emitir energía radiante
semejante a las paredes del recipiente. Así un objeto absorbe e irradia la misma cantidad de energía. Ahora las
superficies negras absorben toda la radiación incidente sobre ellos y estos pueden irradiarla de la misma
manera si están en equilibrio térmico. La radiación en equilibrio térmico es llamada Radiación de cuerpo
negro.
La primera relación entre la temperatura y la energía radiante fue deducida por J. Stefan en 1884 y
teóricamente explicada por Boltzmann con la siguiente ecuación:
(1)
Donde la energía total es por unidad de área por segundo emitido por un cuerpo negro, T es la temperatura
absoluta y la constante Stefan−Boltzmann.
1
Se sabía que al calentar objetos densos a altas temperaturas, éstos emiten energía, y que la curva de intensidad
versus la longitud de onda siguen una curva como se ilustra aquí. Mientras más alta es la temperatura, la
longitud de onda es más corta en el tope de la curva.
Planck trabajó en buscar la manera de derivar esta curva de radiación térmica, partiendo de una teoría de
absorción y emisión de radiación de la materia. La teoría requería que la energía sea emitida o absorbida en
paquetes pequeños, o "cuantos" de energía. Éste fue un gran avance en la Física y guió a posteriores
desarrollos de la teoría cuántica para explicar todos los fenómenos electromagnéticos.
El espectro de la luz del Sol se asemeja mucho a una curva de radiación térmica. Si se aplica la teoría de
Planck para predecir la cantidad de radiación que podríamos recibir del Sol en la parte del radio espectro
(longitudes de onda de 10 a 100 cm de alcance), la radiación sería muy débil: demasiado débil para ser
detectada por cualquier receptor disponible en 1990. Esta predicción teórica, junto con el fracaso de los
experimentos para detectar al Sol, pueden haber disuadido intentos posteriores.
Procedimiento:
• Conecte ohmiómetro al cubo de radiación térmica y el voltímetro al sensor de radiación.
• Encienda el cubo de radiación térmica y coloque el controlen high mantenga su atención en la lectura de
ohmiómetro y cuando llegue a 40 k! lleve la perilla de control a 5.0.
• Cuando el cubo haya alcanzado el equilibrio térmico use el sensor para medir la radiación emitida por cada
una de las cuatro superficies del cubo, anote en la tabla1.
• Repita el paso c para otras potencias. Seleccione 6.5, 8 y high en la perilla. Espere a alcanzar el equilibrio
térmico. Mantenga el sensor aislado de la radiación del objeto caliente para prevenir el calentamiento de la
termopila y con él, alteraciones en las lecturas.
• Coloque el sensor a unos 5 cm de la superficie negra del cubo y anote la lectura. Interponga la placa de
vidrio entre el sensor y el cubo. Anote en la tabla 2.
• Quite la tapa al cubo de radiación y repita el paso con el bombillo descubierto en vez de la superficie negra
trate de que no permanezca mucho tiempo expuesta cada una de las placas.
• Repita los e y f con otros materiales.
• Use el sensor de radiación para examinar las magnitudes relativas de las radiaciones emitidas por varios
objetos en el laboratorio. Tabule sus observaciones. Haga las mediciones de manera que le ayuden a
responder las preguntas al final del experimento.
• Antes de continuar realice el punto n del experimento 4.
• Monte el equipo como en fije figura6, para ello el metro la mesa con ayuda de cinta engomada coloque
luego la lámpara, al extremo del metro de modo del que el filamento de la lámpara coincida con el extremo
del metro, ajuste la posición tanto de lámpara como del sensor de manera de modo que al deslizar el sensor
a lo largo del metro el eje de lámpara coincida con el eje del sensor
• .Mida el nivel de radiación ambiental promedio para ello deslice el sensor a lo largo del metro con la
lámpara apagada, mida y registre en la tabla 3.
• Encienda la fuente para iluminar la lámpara.
• Haga una lectura y anote en la tabla 4 para diferentes distancias.
• Mida la temperatura del ambiente en Kelvin y la resistencia del filamento de lámpara. La preescisión es
muy importante.
• Cloque el equipo como se muestra en la figura6. El voltímetro debe conectarse directamente a las
terminales de lámpara. El sensor debe estar a la misma altura que l filamento de lámpara.
• Encienda la fuente con un voltaje 1v y anote los valores del voltaje y la corriente en la tabla 5 así como la
radiación térmica Rad. indicada en el sensor.
• Repita el punto anterior variando el voltaje 1v en 1v a la vez hasta llegar hasta llegar a 12v.
• Calcule y anote en l tabla 5 el valor de la resistencia del filamento R para ello emplee la ley de ohm
expresada de la forma V=IR para cada voltaje empleado.
2
Trabajo previo:
El resultado fue encontrado con base en dos aspectos: 1) La ley clásica de equipartición de la energía, de
acuerdo a cual es la energía promedio por grado de libertad para un sistema dinámico en equilibrio. 2) El
cálculo del número de modos para la radiación electromagnética con frecuencia en un intervalo
infinitesimal confinado en la cavidad
En 1900, Max Planck mediante una ingeniosa interpolación entre la fórmula para altas frecuencias de Wien y
la de bajas frecuencias de Rayleigh−Jeans, encontró la fórmula
(2)
donde es una nueva constante denominada Constante de Planck, cuyo valor numérico es erg sec
Figueroa, R y Saenz, A. Manual de Laboratorio de Física General II. Universidad de Costa Rica. Costa Rica.
2003.
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