“Avui tens un centelleig especial”

2018/11/15 Irene Urcelay Olabarria - Irakasle atxikia Fisika Aplikatua II Sailean/EHU | Raquel Fuente Dacal - Irakasle atxikia Matematika Aplikatua Sailean/EHU | Iñigo González de Arrieta Martínez - Doktoregaia Fisika Aplikatua II Sailean/EHU | Telmo Echániz Ariceta - Irakasle atxikia Matematika Aplikatua Sailean/EHU Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Els orígens del parpelleig poden ser l'emissió de llum o la reflexió de la llum. Analitzem la lluentor i el d'un diamant de la flama d'una espelma que veiem a simple vista. Si s'introdueix una espelma encesa en una habitació fosca, la seva flama parpelleja, és a dir, la flama emet llum. En la mateixa habitació, a les fosques, si s'introdueix un diamant, no obstant això, no es veu, no emet llum. Per tant, quan veiem que el diamant parpelleja, només veiem la llum que reflecteix.

La pròpia llum és l'ona, l'ona electromagnètica. En funció de la longitud d'ona, existeixen diferents tipus d'ones electromagnètiques: ones de ràdio, microones, infrarojos, llum visible, ultraviolada, raigs X i raigs{. Fins a 1800 es va pensar que el Sol només emetia llum visible. Llavors F. W. El científic i astrònom Herschel va analitzar la llum provinent del Sol amb un termòmetre de mercuri simple i va descobrir els raigs infrarojos, mitjançant un prisma que va separar la llum en colors i va analitzar la temperatura de cada color. Herschel es va sorprendre en comprovar que la temperatura del termòmetre augmentava sota els raigs vermells en una zona sense color. Aquests raigs van ser anomenats raigs infrarojos. El Sol emet raigs infrarojos, llum visible i raigs ultraviolats.

L'ull humà només és sensible a la llum visible, és a dir, a una part molt petita de l'espectre electromagnètic. Per tant, en concret, el diamant de l'exemple anterior no emet llum visible en la foscor. Però emet un altre tipus de llum?

Tot cos emet feixos d'ones electromagnètiques. El diamant emet raigs electromagnètics en aquesta habitació fosca (però no llum visible). Les estrelles de Hollywood, els ulls dels enamorats i qualsevol altra persona. La intensitat de la llum emesa pels cossos depèn de la temperatura d'aquest cos. En general, com més gran és la temperatura, menor és la longitud d'ona emesa per les coses. Els cossos a temperatura ambient emeten ones de la part infraroja de l'espectre, per la qual cosa l'ull humà no pot veure directament aquesta llum. D'altra banda, si s'escalfen els cossos, a vegades, es posen roent, ja que la radiació que emeten es fa visible. A causa de la seva relació amb la temperatura, aquest tipus de radiació es denomina radiació tèrmica. L'ésser humà ha utilitzat aquesta propietat sense conèixer les bases físiques per a diferents aplicacions. Per exemple, els artesans del vidre escalfen el vidre i saben si el vidre està o no a la temperatura adequada per a ser elaborat en funció de la intensitat i color de la llum que emet. El mateix podríem dir dels ferrers. Entre els animals hi ha serps sensibles als raigs infrarojos, la qual cosa els permet detectar preses en moments de poca o sense llum. Si l'ull humà fos sensible a la llum infraroja, el veuríem en la foscor que coneixem.

Hi ha un tipus especial de cos: cos negre. És un objecte teòric o ideal que es caracteritza per ser un absorbent perfecte que permet el pas a l'interior de tota la radiació que incideix sobre la superfície, és a dir, no reflecteix res, a més d'absorbir tota la radiació que passa al volum. Així, no transmet res. A més, la termodinàmica permet demostrar que l'absorbent energètic perfecte és també l'emissor perfecte. El cos negre emet més radiació que qualsevol altre cos a la mateixa temperatura. En tractar-se d'un objecte teòric, es poden realitzar aproximacions reals utilitzant, per exemple, una cavitat aïllada. S'analitza la radiació procedent d'un petit orifici d'una cambra aïllada. La radiació que entra per aquest orifici roman en ell, el sistema l'absorbeix i la llum emesa depèn de la temperatura de la cavitat. Un altre objecte singular que pot considerar-se com un cos negre és la pell humana. L'escorça, que es troba a 33 °C, emet principalment raigs infrarojos i, a més, emet més radiació de longitud d'ona de 5-20 ?m que qualsevol altre cos que es trobi a aquesta temperatura, és a dir, la longitud d'ona és pràcticament l'emissor perfecte en aquest rang. Per això, en les càmeres de raigs infrarojos que s'utilitzen per a la visió nocturna o fosca, les majors intensitats de centellejos són els emesos per les persones, la qual cosa permet la seva correcta identificació.

La intensitat màxima de radiació emesa pel cos negre està relacionada amb la seva temperatura. Per tant, la detecció de la radiació emesa pel cos negre permet calcular directament la temperatura corporal. Aquesta propietat s'utilitza per a determinar la temperatura de les estrelles o la temperatura de les persones sense haver de tocar, per exemple. Però, és possible conèixer la temperatura dels cossos que no són cossos negres analitzant la radiació que emeten? Sí, vegem com.

Mitjançant la tècnica de radiometria s'analitza l'energia emesa pels cossos i transmesa per ones electromagnètiques. A l'hora de realitzar els mesuraments en el laboratori, el cos que volem estudiar es col·loca a la temperatura que ens convingui i es rep la radiació que emet. També es recull una sèrie d'ones electromagnètiques emeses per un cos negre en el mateix estat i s'utilitza com a referència. D'aquesta forma es calcula l'emissivitat dels cossos a una temperatura determinada,>. Una vegada coneguda l'emissivitat del cos a diferents temperatures, la relació entre la radiació i la temperatura corporal és directa, de manera que, analitzant la radiació emesa pel cos en totes les condicions, es pot conèixer ràpidament la temperatura a la qual es troba. Això és molt útil quan no és possible mesurar la temperatura d'un material utilitzant un termòmetre de contacte. Per exemple, en les màquines de tall és molt important el desgast, fricció i calor específica del material, entre altres, i aquestes magnituds depenen de la temperatura. Desgraciadament, quan la màquina està treballant, la temperatura no es pot mesurar per contacte, per la qual cosa analitzant la radiació emesa pel material i la seva emissivitat es pot conèixer en tot moment la temperatura real del material. Aquesta és la tècnica desenvolupada en els últims anys per a l'estudi de la temperatura corporal: la pirometría.

D'altra banda, el mesurament de l'emissivitat és molt important per a altres aplicacions científiques i tecnològiques com la reducció o augment de les transferències de calor, la detecció o no de cossos i l'emmagatzematge d'energia.

La calor es pot propagar de tres formes: per conducció, convecció i radiació. Conducció és la transferència de calor entre cossos en contacte. Quan dos cossos no entren en contacte, la transferència de calor pot produir-se per convecció, si entre tots dos cossos hi ha un fluid, el conductor de la calor. Quan no hi ha cap conductor per a la propagació de la calor, és a dir, en el buit, la radiació és l'única manera de produir-se la transferència de calor. Quan les dues primeres formes no són dominants, cal conèixer bé l'emissivitat del cos per a saber quines són les transferències de calor. Exemples d'això són els forns que treballen al buit o els materials que s'utilitzen per a aïllar en la construcció.

Els cossos situats entre la temperatura ambient i els 2.000 °C emeten principalment raigs infrarojos. Per això, mitjançant sensors tèrmics es poden detectar mitjançant sensors de raigs infrarojos. En conseqüència, si no es desitja que aquests cossos puguin detectar-se, han de construir-se o cobrir-se amb materials de baixa emissivitat. Per exemple, en les tremuges de motors de diversos avions s'utilitzen materials de baixa emissivitat per a evitar que els sensors infrarojos detectin els avions.

El contrari, és a dir, voler utilitzar materials d'alta emissivitat. Aquest és el cas dels escalfadors, ja que es vol que s'emeti la màxima radiació tèrmica a una temperatura determinada.

Hi ha materials selectius, és a dir, que emeten radiació d'una part de l'espectre i no radiació d'una altra part. Són molt interessants per al seu ús en panells solars. Els panells solars s'utilitzen per a obtenir energia elèctrica a través de la radiació procedent del sol. Aquesta radiació es refereix principalment a la llum visible de l'espectre, per la qual cosa els panells han d'absorbir aquesta radiació. Per això, han de tenir una gran emissivitat per a aquestes longituds d'ona especials. D'altra banda, els panells han d'emmagatzemar aquesta energia el major temps possible, la qual cosa implica una mínima emissió de radiació tèrmica, amb una emissivitat molt reduïda per als raigs infrarojos.

Després de veure tot això podem dir que tot parpelleja, que tots parpellegem. La veritat és que l'ull humà no pot veure tot l'espectre de la radiació, per la qual cosa no som conscients d'aquest fenomen. De fet, per a moltes aplicacions tecnològiques és fonamental distingir com és la radiació emesa pels cossos.

D'altra banda, l'escorça humana presenta característiques pràcticament negres en el tram de longitud d'ona de 5-20 ?m de la radiació que emet. En aquest temps tots (gairebé) brillem més que res, més que estrelles, més que diamants... Però tots igual. A Hollywood no brillen més. Hi ha un factor que augmenta l'emissivitat, la rugositat. Els materials rugosos emeten més radiació que els llisos. Per tant, a mesura que avança l'edat i la pell s'arruga, en lloc d'anar apagant-se, anem encenent, som més clars.