Fisica

CICLO II: FISICA MODERNA

DEPARTAMENTO DE FISICA ´ FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS ´ UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

Laboratorio 7 Radiaci´n t´rmica o e
7.1 Objetivos

1. Introducir experimentalmente el concepto de radiaci´n t´rmica. o e 2. Comprobar la Ley de Stefan-Boltzmann para altas temperaturas. 3. Verificar la ley del cuadrado inverso para la radiaci´n t´rmica. o e

7.2Preinforme

1. ¿ En qu´ consiste la radiaci´n t´rmica ?. e o e 2. ¿ A qu´ se le denomina radiaci´n de cuerpo negro ?. e o 3. ¿ Qu´ establece la ley de Stefan-Boltzmann?. e

7.3

Materiales

• Sensor de radiaci´n PASCO TD-8553. o • Cubo de radiaci´n t´rmica TD-8554A. o e • TD-8555 L´mpara de Stefan-Boltzman. a • volt´ ımetro, Amper´ ımetro, Ohmetro, Fuente de voltaje (12 VDC;3A). • Ventana devidrio, l´minas aislantes con recubrimiento de aluminio, l´mina a a de triplex peque˜a, l´mina de aluminio, cinta m´trica y algunos otros maten a e riales que puedan ensayarse como bloqueadores de la radiaci´n t´rmica. o e 51

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´ ´ LABORATORIO 7. RADIACION TERMICA

7.4

Fundamento Te´rico o

La radiaci´n t´rmica se encuentra en la regi´n infrarroja del espectro electroo e o magn´tico,el cual se extiende desde las se˜ales de radiofrecuencia hasta los rayos e n γ. Su fuente son los cuerpos calientes debido a oscilaciones de las mol´culas que e los conforman. La energ´ asociada a la radiaci´n t´rmica se puede medir utiıa o e lizando sensores tales como termopares los cuales responden al calor generado por alg´n tipo de superficie. Se dice que un cuerpo se encuentra en equilibriot´rmico u e cuando emite la misma cantidad de radiaci´n t´rmica que absorbe; desprendieno e dose de aqu´ que los buenos absorbentes de la radiaci´n son buenos emisores de ı, o la misma. A un absorbente o emisor ideal de la radiaci´n se le llama cuerpo negro. o La f´ ısica que se conoc´ hasta el a˜o 1900 hab´ logrado explicar ciertos aspectos ıa n ıa relacionados con la radiaci´n t´rmica. o e En 1879Josef Stefan habia observado que la intensidad de la radiaci´n es proporo cional a la cuarta potencia de la temperatura. A˜os mas tarde Ludwing Boltzmann n puso esta observaci´n sobre una s´lida base te´rica y hoy se conoce como la Ley o o o de Stefan-Boltzmann la cual establece que:

= σT 4 Donde

(7.1)

: es la radiaci´n t´rmica emitida por un objeto a una temperatura T . o e σ: es laconstante de Stefan-Boltzmann y es igual a (5, 670400 ± 0, 000040) × 10−8 W m−2 K −4 . T : es la temperatura del objeto en consideraci´n medida en kelvin. o Los trabajos de Stefan, Boltzmann y Wien, entre otros, sirvieron como base para que Lord Raileigh y Sir James Jeans, llegaran a una f´rmula desarrollada en o t´rminos de la f´ e ısica cl´sica para la radiaci´n de cuerpo negro, la cual estuvo a ode acuerdo con los resultados experimentales s´lo parcialmente. La discrepancia o fu´ resuelta poco tiempo despu´s por Max Planck en t´rminos de una nueva cone e e cepci´n de la energ´ asociada al campo electromagn´tico, lo que di´ origen a la o ıa e o f´ ısica cu´ntica. a En condiciones normales de laboratorio, un experimento para comprobar esta ley, debe considerar si la temperatura ambientedentro del laboratorio afecta o no los resultados. Si se consideran temperaturas del objeto T por encima de 1000 grados Kelvin, la cuarta potencia de la temperatura ambiente es despreciable comparada con la cuarta potencia de la temperatura del objeto. Pero si se consideran temperaturas menores a 370 grados Kelvin, deber´ incluirse dentro del procedimiento la a

´ 7.4. FUNDAMENTO TEORICO

53Figura 7.1: Sensor de Radiaci´n PASCO TD-8553 o medici´n de la temperatura ambiente la cual ya no podr´ ser despreciada. o a En este experimento se utiliza un sensor (Figura 7.1) que consiste en una peque˜a n termopila la cual produce una diferencia de potencial que es proporcional a la intensidad de la radiaci´n. La respuesta espectral de la termopila es esencialmente o plana en la regi´n...