·
Analizar
la forma en que se produce la radiación electromagnética infrarroja proveniente
de diversas superficies.
·
Identificar
la relación existente entre potencia y temperatura para una superficie que radia
térmicamente.
·
Identificar
la radiación emitida por un sistema denominado cuerpo
negro.
·
Sensor
de radiación
·
Voltímetro
·
Escudo
de radiación térmica
·
Cables
conectores
·
Cubo
de radiación térmica.
·
Ohmímetro
·
Lamina
de vidrio
2.
INTRODUCCIÓN
El infrarrojo corresponde a radiación electromagnética producida por transiciones electrónicas en átomos y moléculas. Se obtiene al calentar un cuerpo, por lo que la frecuencia de esta radiación aumenta al aumentar la temperatura. Un ejemplo común de un sistema que emita radiación térmica es la resistencia de una estufa eléctrica, con tres indicadores de temperatura: bajo-media-alto. En la temperatura baja la resistencia se calienta. En la temperatura media, mayor que la temperatura baja, la resistencia toma un color rojizo, por lo que se entiende se ha disipado más calor que en la temperatura baja ya que se produce emisión de luz visible. En la temperatura alta (mayor que la temperatura media y que la temperatura baja) la cantidad de calor disipada es aún mayor, la resistencia toma un color rojo amarillento, entonces se produce luz de una mayor frecuencia. En conclusión, al aumentar la corriente que pasa por lo resistencia aumenta la temperatura de la misma y la frecuencia de la luz emitida.
Fig.
1: Termografía. tomado de
science.nasa.gov/science-news-at-nasa/2009/19nov_sofia/
De
curvas típicas de radiación electromagnética térmica (espectros de radiancia
-energía radiada por unidad de tiempo y por unidad de área- versus frecuencia)
se obtiene la frecuencia a la que ocurre la máxima radiancia. Este valor aumenta
linealmente conforme aumenta la temperatura. La radiancia se estima como el área
bajo la curva para una curva determinada a una temperatura
fija.
De
otro lado, un objeto se ve blanco cuando refleja toda la luz que incide sobre él
y se verá negro cuando adsorba toda la luz. Entonces una superficie pigmentado
de color negro se comportara como un "cuerpo negro" cuando la radiación que
emita corresponda a la radiación de cuerpo negro. El segundo ejemplo más común
de sistema que radia como cuerpo negro es un reflector perfecto con un orificio
en una de sus paredes que permite el ingreso de la radiación, atrapada
posteriormente dentro del sistema. La luz después de ingresar a la cavidad
incide sobre las paredes y de forma aleatorio parte se adsorbe y parte se
refleja; la cavidad se calienta y emite radiación electromagnética. La cantidad
de energía
Emitida en forma de radiación es igual a la cantidad de energía suministrada al “calentar" el material. Así el sistema está en equilibrio térmico y la radiación emitida solo dependerá de la temperatura del material.
Fig. 2: Variación de la temperatura en una termografía, tomado de science.nasa.gov/science-news-at-nasa/2009/19nov_sofia/
La
expresión radiación se refiere a la emisión continua de energía de la superficie
de todos los cuerpos. Los portadores de esta energía son las ondas
electromagnéticas producidas por las vibraciones de las partículas
cargadas que forman parte de los átomos y moléculas de la
materia.
La
radiación electromagnética que se produce a causa del movimiento térmico de los
átomos y moléculas de la sustancia se denomina radiación térmica o de
temperatura. La radiación térmica se origina a costa de la energía interna del
cuerpo. Si el cuerpo no recibe energía del exterior se produce su
enfriamiento. Si el cuerpo que radia recibe de otros cuerpos que lo rodean
una cantidad de energía que es capaz de compensar exactamente la pérdida de
energía por su radiación, se dice, que el proceso de radiación se realiza
equilibradamente. El estado estacionario entre cuerpos que se encuentran
aislados y que solo pueden intercambiar energía entre si por medio de la
radiación y absorción se denomina radiación térmica de equilibrio. El cuerpo se
pone en estado de equilibrio térmico y se caracteriza por una temperatura
determinada.
El
espectro de la radiación térmica es continuo y contiene longitudes de onda que
pueden variar desde la longitud de onda de los rayos X hasta la longitud de onda
que se capta por los radios comunes. La distribución de energía en el espectro
de radiación térmica depende de la temperatura del cuerpo que la emite. A
temperaturas bajas (alrededor de 300°C) predomina la radiación infrarroja
de longitudes de onda entre 800 y 4000nm aproximadamente que es invisible para
el ojo humano. A temperaturas altas (más de 800°C) en el espectro
aparecen longitudes de onda más cortas (400 ÷ 800nm) que corresponden a
la parte visible y ultravioleta del espectro. A la temperatura de 800°C el cuerpo emite suficiente energía
y parece rojo. Y la de 3000°C la energía radiante contiene
bastantes ondas de longitud de onda más corta y el cuerpo parece
prácticamente blanco.
Para
la radiación térmica se cumplen las mismas leyes que para la luz visible, es
decir, la ley de la reflexión, refracción y de la propagación rectilínea en
medios homogéneos.
En
esta práctica de laboratorio se busca introducir al futuro ingeniero a los
experimentos relevantes que dieron origen al surgimiento de la física moderna,
manejando conceptos relacionados con la radiación térmica y de cuerpo negro,
encaminados a entender diversas aplicaciones técnicas y
tecnológicas.
1.
PROCEDIMIENTO
