UNA APROXIMACION EXPERIMENTAL PARA EL ESTUDIO DE LA RADIACIÓN TERMICA DE LOS SÓLIDOS

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1 UNA APROXIMACION EXPERIMENTAL PARA EL ESTUDIO DE LA RADIACIÓN TERMICA DE LOS SÓLIDOS Diana Reina, Frank Mendoza, Nelson Forero 1 Universidad Distrital Francisco José de Caldas RESUMEN Se ha diseñado y construido un modelo experimental para el estudio de la radiación térmica emitida por un sólido, como una aproximación al estudio de la radiación de cuerpo negro. El equipo en sus bloques consta de tres etapas. Una etapa de potencia que alimenta los diferentes componentes y que permite controlar la temperatura sobre el emisor, una etapa de análisis y detección (en la que se emplea una termopila convencional) y una etapa de sincronización y amplificación de la señal que permiten obtener la distribución espectral. En este trabajo, se presentan espectros obtenidos de emisores de grafito y tungsteno, acordes con los resultados obtenidos clásicamente. Con este dispositivo se brinda una herramienta didáctica para el estudio y comprensión de los principios fundamentales de la física moderna y la física cuántica, la termofísica y la física estadística, en los cursos de formación de licenciados en física de la Universidad Distrital. INTRODUCCIÓN La formulación primitiva de la mecánica cuántica aparece gracias a la interpretación del problema de la radiación de cuerpo negro. Estas leyes manifiestan la relación entre el espectro electromagnético y la temperatura de una superficie o cavidad radiante. En la enseñanza de la física los conceptos de radiación térmica y en particular los de radiación de cuerpo negro, sin desconocer los aspectos históricos y epistemológicos, son de gran importancia, puesto que son la base para el estudio de la física cuántica. Este trabajo hace énfasis al estudio de la radiación térmica de los sólidos, mediante un modelo experimental que se convierte en un instrumento didáctico en los procesos de enseñanza y en la formación de docentes. ASPECTOS TEÓRICOS Es sabido que un cuerpo sólido emite radiación electromagnética característica, dependiendo de la temperatura a la cual se encuentra. Esta radiación se denomina radiación térmica. Una interpretación hecha para este fenómeno, asume que cuando las cargas eléctricas cercanas a la superficie del sólido se aceleran, se comportan como antenas. Estas cargas cumplen una distribución de aceleraciones lo que permite que el cuerpo emita un espectro característico continuo de radiación. En forma ideal asumimos que un radiador es aquel que emite la máxima radiación posible a una temperatura dada, generando una distribución del poder de emisión en función de la longitud de onda. Se obtienen curvas para la energía radiante conocidas como curvas de espectrales [i], como las mostradas en la figura 1. La altura de la curva determina la cantidad de radiación emitida por unidad de tiempo y de área, de una 1 nforero@udistrital.edu.co 407

2 REVISTA COLOMBIANA DE FISICA, VOL. 33, No longitud de onda en particular y el área bajo la curva es la cantidad total de radicación emitida en todas las longitudes de onda [ii]. Puede verse en estas curvas, que la parte principal de radiación se emite dentro de una banda relativamente angosta a ambos lados de la longitud de onda, para la cual el poder de emisión es máximo. [iii] Densidad de energía (Jul/m 3 ) Longitud de onda (nm) Figura 1. Distribución espectral a diversas temperaturas ASPECTOS EXPERIMENTALES En la figura 2., se presenta un esquema simplificado del montaje experimental desarrollado y se resaltan las características esenciales de cada uno de sus componentes. Figura 2. Diagrama de bloques del Montaje Experimental. Fuentes de emisión. Se ha tomado como fuentes de emisión, filamentos de tungnsteno y grafito, en los cuales se controla su temperatura en forma indirecta, mediante el paso de una corriente eléctrica. 408

3 Sistema de difracción. Para generar el espectro electromagnético se emplea una rejilla de difracción por transmisión de Rowland 35675, montada frente a la fuente de emisión de tal forma que incida la radiación con un ángulo de 28, correspondiendo este ángulo al primer orden de difracción y permitiendo ubicar óptimamente el detector respecto a la rejilla de difracción. Sistema de detección. La radiación térmica emitida se detecta mediante una termopila, cuya respuesta espectral esta esencialmente en la región del infrarrojo desde los 0.05 µm a los 40 µm y los rangos de voltaje producidos van desde los microvoltios hasta cerca de los 100 mv [iv]. Debido a que la magnitud de la señal de voltaje producida por la termopila es pequeña (micro voltios), es necesario amplificarla. Un amplificador de alta ganancia construido nos permite obtener una señal con una ganancia entre 10 3 y 10 5 veces la señal de entrada, para luego llevarla a un graficador. R1 C1 R2 R3 R4 C2 R4 R6 R5 C3 C4 R5 R 10 IC1 IC2 R7 IC3 R8 R9 C5 Figura 3. Diagrama electrónico del circuito de amplificación En la figura 3 se muestra un diagrama del circuito de amplificación el cual tiene tres etapas formando pulso y ganancia, conformados por los circuitos integrados (opamp) 1, 2 y 3. En el CI4 se encuentra un montaje no inversor con ganancia propia, el cual aumenta la señal proveniente de las anteriores etapas. En general, este amplificador emplea la técnica de retroalimentación. Además tiene unas características superiores de operación minimizando la impedancia de entrada y tratando de que esta sea en lo posible nula con ganancia constante en las frecuencias bajas y filtro de paso bajo o retardo de fase. Sistema de desplazamiento. A fin de poder barrer el espectro generado por la red de difracción, y luego de hacer los cálculos necesarios para posicionar óptimamente la termopila, se diseñó un sistema mecánico, controlado electrónicamente y basado en un servomotor, que permite mover la termopila a diferentes velocidades con muy bajo ruido electrónico y un mínimo en vibraciones a fin de no alterar la lectura de la señal. Este dispositivo permite tomar los espectros el numero de veces necesario y en rangos definidos del espectro. 409

4 REVISTA COLOMBIANA DE FISICA, VOL. 33, No RESULTADOS Y DISCUSIÓN El montaje experimental desarrollado nos ha permitido obtener espectros de emisión de diferentes fuentes. Se trataron en especial fuentes de grafito y tungsteno. Sin embargo, los filamentos diseñados de grafito se degradan rápidamente, produciendo inestabilidad en la señal obtenida. Por su lado, el tiempo de vida de los filamentos de tungsteno que es superior a las 1000h, lo que permite obtener una señal estable, optima para la toma de los espectros. La figura 4, muestra uno de los espectros obtenidos del filamento de tungsteno a una temperatura del orden de 1600 grados centígrados, temperatura estimada con base a la posición relativa del componente visible del espectro y el máximo correspondiente a la longitud de onda, el cual se encuentra en el infrarrojo. Las unidades en la señal obtenida, esto es, las correspondientes a la densidad de energía se han tomado en forma arbitraria, ya que la señal se desplaza por las diferentes etapas desde que es detectada y transferida a los amplificadores. Este calculo será el resultado de otro trabajo. Gráfica 4. Curva de distribución espectral de un filamento de tungsteno a una temperatura estimada en el orden de 1600ºK. Gráfica 5. Distribución espectral de energía para temperaturas estimadas en el orden de de 1100 y 1300 ºK, respectivamente. 410

5 CONCLUSIONES Como se puede observar, las curvas espectrales obtenidas se ajustan a las presentadas por diversos autores en la literatura correspondiente. El barrido del espectro se realizo desde la región ultravioleta hasta el infrarrojo cercano donde se observa que a menor temperatura la máxima emisión se va corriendo la señal hacia el infrarrojo. Hemos podido comprobar que el modelo experimental desarrollado satisface las necesidades básicas didácticas para la enseñanza de los conceptos de radiación térmica. REFERENCIAS [1] KREITH, Frank y MARK S. B. Principios de Transferencia de Calor. México: Sucesores S.A., p. [2] KUHN, Tomas. S. La teoría del cuerpo negro y la discontinuidad cuántica. Madrid: Alianza S.A., p. [3] EISBERG, Robert Marti. Física Moderna, México: Limusa p. DIEFENDERFER, A.J. Instrumentación Electrónica, Editorial Interamericana,