Cuerpu negru

De Wikipedia
Saltar a navegación Saltar a la gueta
Comparanza ente la irradiación de la fotósfera solar (mariellu) y la curva teórica d'emisión d'un cuerpu negru (en gris) a 5777 K, la temperatura envalorada pa la fotósfera solar.

Un cuerpu negru ye un oxetu teóricu o ideal qu'absuerbe tola lluz y tola enerxía radiante qu'incide sobre él. Nada de la radiación incidente refléxase o pasa al traviés del cuerpu negru. A pesar del so nome, el cuerpu negru emite lluz y constitúi un sistema físicu idealizáu pal estudiu de la emisión de radiación electromagnético. El nome Cuerpu negru foi introducíu por Gustav Kirchhoff en 1862. La lluz emitida por un cuerpu negru denominar radiación de cuerpu negru.

Tou cuerpu emite enerxía en forma d'ondes electromagnétiques, siendo esta radiación, que s'emite inclusive nel vacíu, tantu más intensa cuando más elevada ye la temperatura del emisor. La enerxía radiante emitida por un cuerpu a temperatura ambiente ye escasa y correspuende a longitud d'onda cimeres a les de la lluz visible, (esto ye, de menor frecuencia, como les de la lluz infrarroxo, o de frecuencia entá menor). Al alzar la temperatura non yá aumenta la enerxía emitida sinón que lo fai a llargores d'onda más curties; a esto debe'l cambéu de color d'un cuerpu cuando se calecer. Los cuerpos nun emiten con igual intensidá a toles frecuencies o llargores d'onda, sinón que siguen la llei de Planck.

A igualdá de temperatura, la enerxía emitida depende tamién de la naturaleza de la superficie; asina, una superficie mate o negra tien un poder emisor mayor qu'una superficie brillosa. Asina, la enerxía emitida por un filamentu de carbón incandescente ye mayor que la d'un filamentu de platino a la mesma temperatura. La llei de Kirchhoff establez qu'un cuerpu que ye bon emisor d'enerxía ye tamién bon absorbente de dicha enerxía. Asina, los cuerpos de color negru son bonos absorbentes.

Modelos clásicu y cuánticu de cuerpu negru[editar | editar la fonte]

Los principios físicos de la mecánica clásica y la mecánica cuántica conducen a predicciones mutuamente escluyentes sobre los cuerpos negros o sistemes físicos que se-yos averen. Les evidencies de que'l modelu clásicu faía predicciones de la emisión a pequeños llargores d'onda n'abierta contradicción colo reparao llevaron a Planck a desenvolver un modelu heurísticu que foi'l xerme de la mecánica cuántica. La contradicción ente les predicciones clásiques y les resultaos empíriques a baxos llargores d'onda, conozse como catástrofe ultravioleta.

Llei de Planck (modelu cuánticu)[editar | editar la fonte]


onde ye la cantidá d'enerxía per unidá d'área, unidá de tiempu y unidá d'ángulu sólidu; ye una constante que se conoz como constante de Planck; ye la velocidá de la lluz; y ye la constante de Boltzmann.

Llámase poder emisivo d'un cuerpu a la cantidá d'enerxía radiante emitida pola unidá de superficie y tiempu:


El llargor d'onda na que se produz el máximu d'emisión vien dada pola llei de Wien; poro, a midida que la temperatura aumenta, el rellumu d'un cuerpu va sumando llargores d'onda, cada vez más pequeñes, y pasa del colloráu al blancu según va sumando les radiaciones dende'l mariellu hasta'l violeta. La potencia emitida por unidá d'área vien dada pola llei de Stefan-Boltzmann.

Llei de Rayleigh-Jeans (modelu clásicu)[editar | editar la fonte]

Antes de Planck, la Llei de Rayleigh-Jeans modelizaba el comportamientu del cuerpu negru utilizando'l modelu clásicu. D'esta forma, el modelu que define la radiación del cuerpu negru a un llargor d'onda concreta:


onde c ye la velocidá de la lluz, k ye la constante de Boltzmann y T ye la temperatura absoluta. Esta llei prediz una producción d'enerxía infinita a llargores d'onda bien pequeñes. Esta situación que nun s'acota esperimentalmente ye conocida como la catástrofe ultravioleta.

Aproximamientos físicos a un cuerpu negru[editar | editar la fonte]

El cuerpu negru ye un oxetu teóricu o ideal, pero puede averase de delles formes ente elles un cuévanu aislláu y otros sistemes daqué más complexos.

Cuévanu aislláu[editar | editar la fonte]

Ye posible estudiar oxetos nel llaboratoriu con comportamientu bien cercanu al del cuerpu negru. Pa ello estúdiase la radiación proveniente d'un furacu pequeñu nuna cámara aisllada. La cámara absuerbe bien poca enerxía del esterior, una y bones ésta solo puede incidir pol amenorgáu furacu. Sicasí, el cuévanu irradia enerxía como un cuerpu negru. La lluz emitida depende de la temperatura del interior del cuévanu, produciendo'l espectro d'emisión d'un cuerpu negru. El sistema funciona de la siguiente manera:

La lluz qu'entra pol furu incide sobre la paré más alloñada, onde parte d'ella ye absorbida y otra reflexada nun ángulu aleatoriu y vuelve incidir sobre otra parte de la paré. Nella, parte de la lluz vuelve ser absorbida y otra parte reflexada, y en cada reflexón una parte de la lluz ye absorbida poles parés del cuévanu. Dempués de munches reflexones, tola enerxía incidente foi absorbida.

Aleaciones y nanotubos[editar | editar la fonte]

Según el Llibru Guinness de los Récores, la sustanza que menos reflexa la lluz (n'otres pallabres, la sustanza más negro) ye una aleación de fósforu y níquel, con fórmula química NiP. Esta sustanza foi producida, en principiu, por investigadores indios y estauxunidenses en 1980, pero perfeccionada (fabricada más escura) por Anritsu (Xapón) en 1990. Esta sustanza reflexo tan solo el 0,16 % de la lluz visible; esto ye, 25 vegaes menos que la pintura negra convencional.

Nel añu 2008 foi publicáu na revista científica Nanoletters un artículu con resultaos esperimentales alrodiu de un material creáu con nanotubos de carbonu que ye'l más absorbente creáu pol home, con una reflectancia de 0,045 %, cuasi tres veces menos que la marca llograda por Anritsu.[1]

Cuerpos reales y aproximamientu de cuerpu gris[editar | editar la fonte]

Los oxetos reales nunca se porten como cuerpos negros ideales. Nel so llugar, la radiación emitida a una frecuencia dada ye una fracción de la emisión ideal. La emisividad d'un material especifica cuál ye la fracción de radiación de cuerpu negru que ye capaz d'emitir el cuerpu real. La emisividad depende de la llargor d'onda de la radiación, la temperatura de la superficie, acabáu de la superficie (pulida, ferruñosa, llimpia, puerca, nueva, intemperizada, etc.) y ángulu d'emisión.

En dellos casos resulta conveniente suponer qu'esiste un valor de emisividad constante pa toes los llargores d'onda, siempres menor que 1 (que ye la emisividad d'un cuerpu negru). Esti aproximamientu denominar aproximamientu de cuerpu gris. La Llei de Kirchhoff indica que n'equilibriu termodinámicu, la emisividad ye igual a l'absortividad, de manera que esti oxetu, que nun ye capaz d'absorber tola radiación incidente, tamién emite menos enerxía qu'un cuerpu negru ideal.

Aplicaciones astronómiques[editar | editar la fonte]

En astronomía, la emisión de les estrelles averar a la d'un cuerpu negru. La temperatura acomuñada conozse como Temperatura Efectivo, una propiedá fundamental pa caracterizar la emisión estelar.

La radiación cósmico de fondu de microondes proveniente del Big Bang pórtase cuasi como un cuerpu negru. Les pequeñes variaciones detectaes nesta emisión son llamaes anisotropias y son bien importantes pa conocer les diferencies de masa qu'esistía nel orixe del universu.

La radiación de Hawking ye la radiación de cuerpu negru emitida por furacos negros.

La emisión de gas, polvu cósmico y discos protoplanetarios tamién s'acomuñar con cuerpos negros, principalmente na rexón infrarroxo y milimétrico del espectru electromagnéticu. Son importantes ferramientes pa buscar sistemes planetarios.

Ver tamién[editar | editar la fonte]

Referencies[editar | editar la fonte]

Bibliografía[editar | editar la fonte]

die Fraunhofer'schen Linien». Monatsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin. 
Astrophysics]. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-82759-2.





Cuerpo negro