El radiómetro de Crookes (también conocido como molino de luz ) consiste en un bulbo de vidrio hermético que contiene un vacío parcial , con un conjunto de paletas que están montadas en un husillo en su interior. Las paletas giran cuando se exponen a la luz, con una rotación más rápida para una luz más intensa, proporcionando una medición cuantitativa de la intensidad de la radiación electromagnética .
La razón de la rotación fue motivo de mucho debate científico en los diez años siguientes a la invención del dispositivo, [1] [2] pero en 1879 se publicó la explicación actualmente aceptada para la rotación. [3] [4] Hoy en día el dispositivo se utiliza principalmente en la enseñanza de la física como demostración de un motor térmico alimentado por energía luminosa.
Fue inventada en 1873 por el químico Sir William Crookes como resultado de una investigación química. En el curso de un trabajo químico cuantitativo muy preciso, estaba pesando muestras en una cámara parcialmente evacuada para reducir el efecto de las corrientes de aire y notó que los pesos se alteraban cuando la luz del sol incidía sobre la balanza. Al investigar este efecto, creó el dispositivo que lleva su nombre.
Todavía se fabrica y se vende como ayuda educativa o por curiosidad.
El radiómetro está hecho de un bulbo de vidrio del que se ha extraído gran parte del aire para formar un vacío parcial . Dentro del bulbo, sobre un eje de baja fricción , hay un rotor con varias paletas livianas verticales (normalmente cuatro) espaciadas de manera uniforme alrededor del eje. Las paletas están pulidas o son blancas en un lado y negras en el otro.
Cuando se exponen a la luz solar , a la luz artificial o a la radiación infrarroja (incluso el calor de una mano cercana puede ser suficiente), las aspas giran sin fuerza motriz aparente, retirándose los lados oscuros de la fuente de radiación y avanzando los lados claros.
El enfriamiento rápido del exterior del radiómetro provoca una rotación en la dirección opuesta. [5]
El efecto comienza a observarse a presiones de vacío parcial de varios cientos de pascales (o varios torrs ), alcanza un pico alrededor de 1 pascal (0,0075 torrs) y desaparece cuando el vacío alcanza 1 × 10 −4 pascales (7,5 × 10 −7 torrs) (ver nota explicativa 1). A estos vacíos muy altos, el efecto de la presión de la radiación de fotones sobre los álabes se puede observar en aparatos muy sensibles (ver radiómetro de Nichols ), pero esto es insuficiente para provocar la rotación.
El prefijo "radio-" del título proviene de la forma combinada del latín radio , un rayo: aquí se refiere a la radiación electromagnética . Un radiómetro de Crookes, en consonancia con el sufijo "-metro" de su título, puede proporcionar una medición cuantitativa de la intensidad de la radiación electromagnética. Esto se puede hacer, por ejemplo, por medios visuales (por ejemplo, un disco ranurado giratorio, que funciona como un simple estroboscopio ) sin interferir con la medición en sí.
En la actualidad, los radiómetros se venden en todo el mundo como un adorno novedoso; no necesitan pilas, sino solo luz para hacer girar las aspas. Vienen en diversas formas, como la que se muestra en la imagen, y se utilizan a menudo en los museos de ciencias para ilustrar la "presión de radiación", un principio científico que, en realidad, no demuestran.
Cuando una fuente de energía radiante se dirige a un radiómetro de Crookes, el radiómetro se convierte en un motor térmico. [6] El funcionamiento de un motor térmico se basa en una diferencia de temperatura que se convierte en una salida mecánica. En este caso, el lado negro de la paleta se vuelve más caliente que el otro lado, ya que la energía radiante de una fuente de luz calienta el lado negro por absorción más rápido que el lado plateado o blanco. Las moléculas de aire internas se calientan cuando tocan el lado negro de la paleta. El lado más cálido de la paleta está sujeto a una fuerza que lo mueve hacia adelante.
La temperatura interna aumenta a medida que las paletas negras imparten calor a las moléculas de aire, pero las moléculas se enfrían nuevamente cuando tocan la superficie de vidrio de la bombilla, que está a temperatura ambiente. Esta pérdida de calor a través del vidrio mantiene estable la temperatura interna de la bombilla, con el resultado de que los dos lados de las paletas desarrollan una diferencia de temperatura. El lado blanco o plateado de las paletas es ligeramente más cálido que la temperatura del aire interno, pero más frío que el lado negro, ya que parte del calor se conduce a través de las paletas desde el lado negro. Los dos lados de cada paleta deben estar aislados térmicamente hasta cierto punto para que el lado pulido o blanco no alcance inmediatamente la temperatura del lado negro. Si las paletas están hechas de metal, entonces la pintura negra o blanca puede ser el aislamiento. El vidrio se mantiene mucho más cerca de la temperatura ambiente que la temperatura alcanzada por el lado negro de las paletas. El aire externo ayuda a conducir el calor lejos del vidrio. [6]
La presión del aire dentro del bulbo debe alcanzar un equilibrio entre demasiado baja y demasiado alta. Un fuerte vacío dentro del bulbo no permite el movimiento, porque no hay suficientes moléculas de aire para provocar las corrientes de aire que impulsan las paletas y transfieren calor al exterior antes de que ambos lados de cada paleta alcancen el equilibrio térmico por conducción de calor a través del material de las paletas. La alta presión interna inhibe el movimiento porque las diferencias de temperatura no son suficientes para empujar las paletas a través de la mayor concentración de aire: hay demasiada resistencia del aire para que se produzcan "corrientes de Foucault", y cualquier ligero movimiento de aire causado por la diferencia de temperatura se ve amortiguado por la mayor presión antes de que las corrientes puedan "enrollarse" hacia el otro lado. [6]
Cuando el radiómetro se calienta en ausencia de una fuente de luz, gira en dirección hacia adelante (es decir, los lados negros se desplazan hacia atrás). Si se colocan las manos de una persona alrededor del vidrio sin tocarlo, las paletas girarán lentamente o no girarán en absoluto, pero si se toca el vidrio para calentarlo rápidamente, girarán de forma más notable. El vidrio calentado directamente emite suficiente radiación infrarroja para girar las paletas, pero el vidrio bloquea gran parte de la radiación infrarroja lejana de una fuente de calor que no está en contacto con él. Sin embargo, la luz infrarroja cercana y la luz visible penetran más fácilmente en el vidrio.
Si el vidrio se enfría rápidamente en ausencia de una fuente de luz intensa, colocándole hielo encima o colocándolo en el congelador con la puerta casi cerrada, gira hacia atrás (es decir, los lados plateados se desplazan). Esto demuestra que hay radiación de los lados negros de las paletas en lugar de absorción. La rueda gira hacia atrás porque el intercambio neto de calor entre los lados negros y el entorno enfría inicialmente los lados negros más rápido que los lados blancos. Al alcanzar el equilibrio, normalmente después de un minuto o dos, cesa la rotación inversa. Esto contrasta con la luz solar, con la que la rotación hacia adelante se puede mantener todo el día.
A lo largo de los años, ha habido muchos intentos de explicar cómo funciona un radiómetro de Crookes:
Crookes sugirió incorrectamente que la fuerza se debía a la presión de la luz . [7] Esta teoría fue apoyada originalmente por James Clerk Maxwell , quien había predicho esta fuerza. Esta explicación todavía se ve a menudo en los folletos empaquetados con el dispositivo. El primer experimento para probar esta teoría fue realizado por Arthur Schuster en 1876, quien observó que había una fuerza en el bulbo de vidrio del radiómetro de Crookes que estaba en la dirección opuesta a la rotación de las paletas. Esto demostró que la fuerza que giraba las paletas se generaba dentro del radiómetro. Si la presión de la luz fuera la causa de la rotación, entonces cuanto mejor sea el vacío en el bulbo, menor será la resistencia del aire al movimiento y más rápido deberían girar las paletas. En 1901, con una mejor bomba de vacío, Pyotr Lebedev demostró que, de hecho, el radiómetro solo funciona cuando hay gas a baja presión en el bulbo y las paletas permanecen inmóviles en un vacío duro. [8] Finalmente, si la presión de la luz fuera la fuerza motriz, el radiómetro giraría en la dirección opuesta, ya que los fotones en el lado brillante que se refleja depositarían más momento que en el lado negro, donde los fotones son absorbidos. Esto es resultado de la conservación del momento : el momento del fotón reflejado que sale por el lado luminoso debe coincidir con una reacción en la paleta que lo reflejó. La presión real ejercida por la luz es demasiado pequeña para mover estas paletas, pero se puede medir con dispositivos como el radiómetro Nichols . De hecho, es posible hacer que el radiómetro gire en la dirección opuesta calentándolo o colocándolo en un entorno frío (como un congelador) en ausencia de luz, cuando los lados negros se vuelven más fríos que los blancos debido a la radiación térmica.
Otra teoría incorrecta era que el calor del lado oscuro estaba provocando la desgasificación del material, lo que hacía que el radiómetro girara. Esta teoría fue refutada posteriormente con eficacia por los experimentos de Schuster [9] (1876) y de Lebedev (1901) [8] .
Una explicación parcial es que las moléculas de gas que chocan contra el lado más cálido de la paleta absorberán parte del calor y rebotarán en la paleta con mayor velocidad. Darle a la molécula este impulso adicional significa efectivamente que se ejerce una presión mínima sobre la paleta. El desequilibrio de este efecto entre el lado negro más cálido y el lado plateado más frío significa que la presión neta sobre la paleta es equivalente a un empujón sobre el lado negro y, como resultado, las paletas giran con el lado negro detrás. El problema con esta idea es que, si bien las moléculas que se mueven más rápido producen más fuerza, también hacen un mejor trabajo al impedir que otras moléculas lleguen a la paleta, por lo que la fuerza neta sobre la paleta debería ser la misma. La mayor temperatura causa una disminución en la densidad local que resulta en la misma fuerza en ambos lados. Años después de que se descartara esta explicación, Albert Einstein demostró que las dos presiones no se cancelan exactamente en los bordes de las paletas debido a la diferencia de temperatura allí. La fuerza predicha por Einstein sería suficiente para mover las paletas, pero no lo suficientemente rápido. [10]
La teoría actualmente aceptada fue formulada por Osborne Reynolds , quien teorizó que la transpiración térmica era la causa del movimiento. [11] Reynolds descubrió que si una placa porosa se mantiene más caliente en un lado que en el otro, las interacciones entre las moléculas de gas y las placas son tales que el gas fluirá desde el lado más frío al más caliente. Las paletas de un radiómetro de Crookes típico no son porosas, pero el espacio más allá de sus bordes se comporta como los poros de la placa de Reynolds. A medida que el gas se mueve del lado más frío al más caliente, la presión en el lado más caliente aumenta. Cuando la placa está fija, la presión en el lado más caliente aumenta hasta que la relación de presiones entre los lados es igual a la raíz cuadrada de la relación de temperaturas absolutas. Debido a que las placas de un radiómetro no están fijas, la diferencia de presión del lado más frío al más caliente hace que la paleta se mueva. El lado más frío (blanco) se mueve hacia adelante, empujado por la presión más alta detrás de él. Desde un punto de vista molecular, la paleta se mueve debido a la fuerza tangencial del gas enrarecido que choca de manera diferente con los bordes de la paleta entre los lados caliente y frío. [3]
El artículo de Reynolds no se publicó durante un tiempo porque fue evaluado por Maxwell, quien luego publicó un artículo propio, que contenía una crítica de las matemáticas en el artículo inédito de Reynolds. [12] Maxwell murió ese año y la Royal Society se negó a publicar la crítica de Reynolds a la refutación de Maxwell al artículo inédito de Reynolds, ya que se consideró que este sería un argumento inapropiado cuando una de las personas involucradas ya había muerto. [3]
Para que un molino de luz gire, no es necesario recubrir cada paleta con colores diferentes. En 2009, investigadores de la Universidad de Texas, Austin, crearon un molino de luz monocolor que tiene cuatro paletas curvas; cada paleta forma una superficie convexa y otra cóncava. El molino de luz está recubierto uniformemente por nanocristales de oro, que son un fuerte absorbente de luz. Al exponerse, debido al efecto geométrico, el lado convexo de la paleta recibe más energía fotónica que el lado cóncavo y, posteriormente, las moléculas de gas reciben más calor del lado convexo que del lado cóncavo. En condiciones de vacío aproximado, este efecto de calentamiento asimétrico genera un movimiento neto de gas a través de cada paleta, desde el lado cóncavo al lado convexo, como lo muestra el modelo de Monte Carlo de simulación directa de los investigadores . El movimiento del gas hace que el molino de luz gire con el lado cóncavo moviéndose hacia adelante, debido a la tercera ley de Newton . Este diseño monocolor promueve la fabricación de molinos de luz a escala micrométrica o nanométrica , ya que es difícil diseñar materiales con propiedades ópticas distintas dentro de un espacio tridimensional muy estrecho. [13] [14]
La fluencia térmica desde el lado caliente de un álabe al lado frío se ha demostrado en un molino con álabes horizontales que tienen una superficie de dos tonos con una mitad negra y otra blanca. Este diseño se llama radiómetro de Hettner. Se descubrió que la velocidad angular de este radiómetro estaba limitada por el comportamiento de la fuerza de arrastre debido al gas en el recipiente más que por el comportamiento de la fuerza de fluencia térmica. Este diseño no experimenta el efecto Einstein porque las caras son paralelas al gradiente de temperatura. [15]
En 2010, investigadores de la Universidad de California en Berkeley lograron construir un molino de luz a escala nanométrica que funciona con un principio completamente diferente al del radiómetro de Crookes. Se construyó un molino de luz de oro , de solo 100 nanómetros de diámetro, e iluminado con luz láser que había sido ajustada. La posibilidad de hacer esto había sido sugerida por el físico de Princeton Richard Beth en 1936. El par motor se mejoró en gran medida mediante el acoplamiento resonante de la luz incidente a las ondas plasmónicas en la estructura del oro. [16]
El efecto radiométrico no se ha utilizado mucho en aplicaciones prácticas. Marcel Bétrisey fabricó en 2001 dos relojes diferentes (Le Chronolithe y Conti) alimentados por luz. Sus péndulos tenían lámparas de bulbo ubicadas fuera de la cúpula de vidrio y apuntando hacia 4 paletas de mica. Un péndulo de un metro da un segundo, dos lámparas colocadas a cada lado se encienden alternativamente, “empujando” así el péndulo de 4 kilos cada vez. Como había vacío en el interior, su precisión era del orden de 2 segundos por mes.
