“Hoxe tes un escintileo 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

As orixes do parpadeo poden ser a emisión de luz ou a reflexión da luz. Analicemos o brillo e o dun diamante da chama dunha vela que vemos a primeira ollada. Si introdúcese una vea acesa nunha habitación escura, a súa chama parpadea, é dicir, a chama emite luz. Na mesma habitación, ás escuras, si introdúcese un diamante, con todo, non se ve, non emite luz. Por tanto, cando vemos que o diamante parpadea, só vemos a luz que reflicte.

A propia luz é a onda, a onda electromagnética. En función da lonxitude de onda, existen diferentes tipos de ondas electromagnéticas: ondas de radio, microondas, infravermellos, luz visible, ultravioleta, raios X e raios{. Até 1800 pensouse que o Sol só emitía luz visible. Entón F. W. O científico e astrónomo Herschel analizou a luz proveniente do Sol cun termómetro de mercurio simple e descubriu os raios infravermellos, mediante un prisma que separou a luz en cores e analizou a temperatura de cada cor. Herschel sorprendeuse ao comprobar que a temperatura do termómetro aumentaba baixo os raios vermellos nunha zona sen cor. Estes raios foron chamados raios infravermellos. O Sol emite raios infravermellos, luz visible e raios ultravioleta.

O ollo humano só é sensible á luz visible, é dicir, a unha parte moi pequena do espectro electromagnético. Por tanto, en concreto, o diamante do exemplo anterior non emite luz visible na escuridade. Pero emite outro tipo de luz?

Todo corpo emite feixes de ondas electromagnéticas. O diamante emite raios electromagnéticos nesa habitación escura (pero non luz visible). As estrelas de Hollywood, os ollos dos namorados e calquera outra persoa. A intensidade da luz emitida polos corpos depende da temperatura dese corpo. En xeral, canto maior é a temperatura, menor é a lonxitude de onda emitida polas cousas. Os corpos a temperatura ambiente emiten ondas da parte infravermella do espectro, polo que o ollo humano non pode ver directamente esa luz. Por outra banda, si quéntanse os corpos, en ocasións, ponse a lume vivo, xa que a radiación que emiten faise visible. Debido á súa relación coa temperatura, este tipo de radiación denomínase radiación térmica. O ser humano utilizou esta propiedade sen coñecer as bases físicas paira diferentes aplicacións. Por exemplo, os artesáns do vidro quentan o vidro e saben si o vidro está ou non á temperatura adecuada paira ser elaborado en función da intensidade e cor da luz que emite. O mesmo poderiamos dicir dos ferreiros. Entre os animais hai serpes sensibles aos raios infravermellos, o que lles permite detectar presas en momentos de pouca ou sen luz. Se o ollo humano fose sensible á luz infravermella, veriámolo na escuridade que coñecemos.

Hai un tipo especial de corpo: corpo negro. É un obxecto teórico ou ideal que se caracteriza por ser un absorbente perfecto que permite o paso ao interior de toda a radiación que incide sobre a superficie, é dicir, non reflicte nada, ademais de absorber toda a radiación que pasa ao volume. Así, non transmite nada. Ademais, a termodinámica permite demostrar que o absorbente enerxético perfecto é tamén o emisor perfecto. O corpo negro emite máis radiación que calquera outro corpo á mesma temperatura. Ao tratarse dun obxecto teórico, pódense realizar aproximacións reais utilizando, por exemplo, una cavidade illada. Analízase a radiación procedente dun pequeno orificio dunha cámara illada. A radiación que entra por este orificio permanece nel, o sistema absórbeo e a luz emitida depende da temperatura da cavidade. Outro obxecto singular que pode considerarse como un corpo negro é a pel humana. A cortiza, que se atopa a 33ºC, emite principalmente raios infravermellos e, ademais, emite máis radiación de lonxitude de onda de 5-20 ?m que calquera outro corpo que se atope a esa temperatura, é dicir, a lonxitude de onda é practicamente o emisor perfecto neste rango. Por iso, nas cámaras de raios infravermellos que se utilizan paira a visión nocturna ou escura, as maiores intensidades de escintileos son os emitidos polas persoas, o que permite a súa correcta identificación.

A intensidade máxima de radiación emitida polo corpo negro está relacionada coa súa temperatura. Por tanto, a detección da radiación emitida polo corpo negro permite calcular directamente a temperatura corporal. Esta propiedade utilízase paira determinar a temperatura das estrelas ou a temperatura das persoas sen ter que tocar, por exemplo. Pero, é posible coñecer a temperatura dos corpos que non son corpos negros analizando a radiación que emiten? Si, vexamos como.

Mediante a técnica de radiometría analízase a enerxía emitida polos corpos e transmitida por ondas electromagnéticas. Á hora de realizar as medicións no laboratorio, o corpo que queremos estudar colócase á temperatura que nos conveña e recíbese a radiación que emite. Tamén se recolle una serie de ondas electromagnéticas emitidas por un corpo negro no mesmo estado e utilízase como referencia. Desta forma calcúlase a emisividad dos corpos a unha temperatura determinada,>. Una vez coñecida a emisividad do corpo a diferentes temperaturas, a relación entre a radiación e a temperatura corporal é directa, de maneira que, analizando a radiación emitida polo corpo en todas as condicións, pódese coñecer rapidamente a temperatura á que se atopa. Isto é moi útil cando non é posible medir a temperatura dun material utilizando un termómetro de contacto. Por exemplo, nas máquinas de corte é moi importante o desgaste, fricción e calor específica do material, entre outras, e estas magnitudes dependen da temperatura. Desgraciadamente, cando a máquina está a traballar, a temperatura non se pode medir por contacto, polo que analizando a radiación emitida polo material e o seu emisividad pódese coñecer en todo momento a temperatura real do material. Esta é a técnica desenvolvida nos últimos anos paira o estudo da temperatura corporal: a pirometría.

Por outra banda, a medición da emisividad é moi importante paira outras aplicacións científicas e tecnolóxicas como a redución ou aumento das transferencias de calor, a detección ou non de corpos e o almacenamento de enerxía.

A calor pódese propagar de tres formas: por condución, convección e radiación. Condución é a transferencia de calor entre corpos en contacto. Cando dous corpos non entran en contacto, a transferencia de calor pode producirse por convección, si entre ambos os corpos hai un fluído, o condutor da calor. Cando non hai ningún condutor paira a propagación da calor, é dicir, no baleiro, a radiación é a única forma de producirse a transferencia de calor. Cando as dúas primeiras formas non son dominantes, hai que coñecer ben a emisividad do corpo paira saber cales son as transferencias de calor. Exemplos diso son os fornos que traballan ao baleiro ou os materiais que se utilizan paira illar na construción.

Os corpos situados entre a temperatura ambiente e os 2.000 ºC emiten principalmente raios infravermellos. Por iso, mediante sensores térmicos pódense detectar mediante sensores de raios infravermellos. En consecuencia, se non se desexa que estes corpos poidan detectarse, deben construírse ou cubrirse con materiais de baixa emisividad. Por exemplo, nas tolvas de motores de varios avións utilízanse materiais de baixa emisividad paira evitar que os sensores infravermellos detecten os avións.

O contrario, é dicir, querer utilizar materiais de alta emisividad. Este é o caso dos quentadores, xa que se quere que se emita a máxima radiación térmica a unha temperatura determinada.

Hai materiais selectivos, é dicir, que emiten radiación dunha parte do espectro e non radiación doutra parte. Son moi interesantes paira o seu uso en paneis solares. Os paneis solares utilízanse paira obter enerxía eléctrica a través da radiación procedente do sol. Esta radiación refírese principalmente á luz visible do espectro, polo que os paneis deben absorber dita radiación. Por iso, deben ter una gran emisividad paira estas lonxitudes de onda especiais. Por outra banda, os paneis deben almacenar esta enerxía o maior tempo posible, o que implica una mínima emisión de radiación térmica, cunha emisividad moi reducida paira os raios infravermellos.

Despois de ver todo isto podemos dicir que todo parpadea, que todos parpadeamos. O certo é que o ollo humano non pode ver todo o espectro da radiación, polo que non somos conscientes deste fenómeno. De feito, paira moitas aplicacións tecnolóxicas é fundamental distinguir como é a radiación emitida polos corpos.

Por outra banda, a cortiza humana presenta características practicamente negras no tramo de lonxitude de onda de 5-20 ?m da radiación que emite. Nese tempo todos (case) brillamos máis que nada, máis que estrelas, máis que diamantes... Pero todos igual. En Hollywood non brillan máis. Hai un factor que aumenta a emisividad, a rugosidad. Os materiais rugosos emiten máis radiación que os lisos. Por tanto, a medida que avanza a idade e a pel engúrrase, en lugar de ir apagándose, imos acendendo, somos máis claros.