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radiómetro crookes

radiómetro crookes

El radiómetro de Crookes (también conocido como molino de luz ) consiste en una bombilla de vidrio hermética que contiene un vacío parcial , con un conjunto de paletas que están montadas en un eje en su interior. Las paletas giran cuando se exponen a la luz, con una rotación más rápida para una luz más intensa, lo que proporciona una medición cuantitativa de la intensidad de la radiación electromagnética .

El motivo de la rotación fue motivo de mucho debate científico en los diez años posteriores 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 educación física como demostración de un motor térmico impulsado por energía luminosa.

Fue inventado en 1873 por el químico Sir William Crookes como subproducto de algunas investigaciones químicas. Durante un trabajo químico cuantitativo muy preciso, pesaba muestras en una cámara parcialmente evacuada para reducir el efecto de las corrientes de aire y observó que los pesajes 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.

Descripción general

Un radiómetro Crookes en acción

El radiómetro está hecho de un bulbo de vidrio del cual se ha eliminado gran parte del aire para formar un vacío parcial . Dentro de la bombilla, sobre un eje de baja fricción , hay un rotor con varias (normalmente cuatro) paletas verticales ligeras espaciadas equidistantemente alrededor del eje. Las paletas son pulidas o blancas por un lado y negras por el otro.

Cuando se exponen a la luz solar , la luz artificial o la radiación infrarroja (incluso el calor de una mano cercana puede ser suficiente), las paletas giran sin fuerza motriz aparente, los lados oscuros se alejan de la fuente de radiación y los lados claros avanzan.

Enfriar el exterior del radiómetro provoca rápidamente la rotación en la dirección opuesta. [5]

Observaciones de efectos

El efecto comienza a observarse a presiones de vacío parciales 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). En estos vacíos tan altos, el efecto de la presión de la radiación de fotones sobre las paletas se puede observar en aparatos muy sensibles (ver radiómetro de Nichols ), pero esto es insuficiente para provocar la rotación.

Origen del nombre

El prefijo "radio-" en el título proviene de la forma combinada del latín radio , rayo: aquí se refiere a radiación electromagnética . Un radiómetro Crookes, de acuerdo 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 (p. ej., un disco ranurado giratorio, que funciona como un simple estroboscopio ) sin interferir con la medición en sí.

Los radiómetros ahora se venden comúnmente en todo el mundo como adorno novedoso; No necesita pilas, solo luz para hacer girar las paletas. Vienen en varias formas, como la que se muestra en la imagen, y a menudo se utilizan en los museos de ciencia para ilustrar la "presión de radiación", un principio científico que en realidad no demuestran.

Explicación termodinámica

Un radiómetro Crookes en acción con la luz encendida y apagada. (Tenga en cuenta que la explicación dada en el título del clip no concuerda con la explicación moderna).

Movimiento con absorción

Cuando se dirige una fuente de energía radiante a un radiómetro 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 calienta más 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 caliente de la paleta está sujeto a una fuerza que la 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 del bulbo interno 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 algo de calor se conduce a través de la paleta 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 lamas están hechas de metal, entonces la pintura blanca o negra puede actuar como 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 exterior ayuda a alejar el calor del vidrio. [6]

La presión del aire dentro de la bombilla debe lograr un equilibrio entre demasiado baja y demasiado alta. Un fuerte vacío dentro de la bombilla 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 mediante la conducción de calor a través del material de la paleta. La alta presión interior 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 parásitas", y cualquier ligero movimiento de aire causado por la diferencia de temperatura es amortiguado por la presión más alta antes de que las corrientes puedan "envolverse" hacia el otro lado. [6]

Movimiento con radiación

Cuando el radiómetro se calienta en ausencia de una fuente de luz, gira hacia adelante (es decir, con los lados negros hacia atrás). Si las manos de una persona se colocan alrededor del vidrio sin tocarlo, las paletas girarán lentamente o no girarán en absoluto, pero si se toca el vidrio para calentarlo rápidamente, girarán más notablemente. El vidrio calentado directamente emite suficiente radiación infrarroja para hacer 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 visible y del infrarrojo cercano penetra más fácilmente a través del vidrio.

Si el vaso se enfría rápidamente en ausencia de una fuente de luz potente, poniendo hielo sobre el vaso o colocándolo en el congelador con la puerta casi cerrada, gira hacia atrás (es decir, los lados plateados se arrastran). Esto demuestra 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 ambiente inicialmente enfría los lados negros más rápido que los lados blancos. Al alcanzar el equilibrio, normalmente después de uno o dos minutos, cesa la rotación inversa. Esto contrasta con la luz solar, con la que se puede mantener la rotación hacia adelante durante todo el día.

Explicaciones de la fuerza sobre las paletas.

A lo largo de los años, ha habido muchos intentos de explicar cómo funciona un radiómetro de Crookes:

Teorías incorrectas

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 incluidos con el dispositivo. El primer experimento para probar esta teoría fue realizado por Arthur Schuster en 1876, quien observó que había una fuerza sobre el bulbo de vidrio del radiómetro de Crookes que iba en dirección opuesta a la rotación de las paletas. Esto demostró que la fuerza que hacía girar las paletas se generaba dentro del radiómetro. Si una ligera presión fuera la causa de la rotación, entonces cuanto mejor sea el vacío en la bombilla, 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 sólo funciona cuando hay gas a baja presión en el bulbo y las paletas permanecen inmóviles en un fuerte vacío. [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 reflejado depositarían más impulso que en el lado negro, donde los fotones son absorbidos. Esto es el resultado de la conservación del impulso : el impulso del fotón reflejado que sale del lado luminoso debe ser igualado por una reacción en la veleta que lo refleja. La presión real ejercida por la luz es demasiado pequeña para mover estas paletas, pero puede medirse con dispositivos como el radiómetro de Nichols . De hecho, es posible hacer que el radiómetro gire en la dirección opuesta calentándolo o colocándolo en un ambiente 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 en el lado oscuro estaba provocando que el material se desgasificara, lo que hacía girar el radiómetro. Esto fue posteriormente refutado efectivamente por los experimentos de Schuster [9] (1876) y Lebedev (1901) [8].

Teoría parcialmente correcta

Una explicación parcial es que las moléculas de gas que golpean el lado más cálido de la paleta captarán 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 en 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 rápidamente producen más fuerza, también hacen un mejor trabajo al impedir que otras moléculas alcancen la paleta, por lo que la fuerza neta sobre la paleta debería ser la misma. La mayor temperatura provoca una disminución de la densidad local que da como resultado 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]

Teoría actualmente aceptada

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 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 pasa 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 entre el lado más frío y el más caliente hace que la paleta se mueva. El lado más frío (blanco) avanza, 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 frío y caliente. [3]

El artículo de Reynolds no se publicó durante un tiempo porque fue arbitrado 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]

Molino de luz completamente negro

Para rotar, no es necesario recubrir un molino ligero con diferentes colores en cada paleta. En 2009, investigadores de la Universidad de Texas en Austin crearon un molino de luz monocolor que tiene cuatro paletas curvas; cada paleta forma una superficie convexa y cóncava. El molino de luz está recubierto uniformemente por nanocristales de oro, que son un potente absorbente de luz. Tras la exposición, 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 Monte Carlo de simulación directa de los investigadores . El movimiento del gas hace que el molino ligero gire con el lado cóncavo avanzando, 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 modelar materiales con distintas propiedades ópticas dentro de un espacio tridimensional muy estrecho. [13] [14]

Molino ligero de paletas horizontales

La fluencia térmica desde el lado caliente de una paleta hacia el lado frío se ha demostrado en un molino con paletas horizontales que tienen una superficie de dos tonos con una mitad negra y una mitad blanca. Este diseño se llama radiómetro de Hettner. Se encontró que la velocidad angular de este radiómetro estaba limitada por el comportamiento de la fuerza de arrastre debida 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]

Molino de luz a nanoescala

En 2010, investigadores de la Universidad de California en Berkeley lograron construir un molino de luz a nanoescala que funciona según un principio completamente diferente al radiómetro de Crookes. Se construyó un molino de luz de oro , de sólo 100 nanómetros de diámetro, que se iluminó con luz láser sintonizada. La posibilidad de hacer esto había sido sugerida por el físico de Princeton Richard Beth en 1936. El par fue enormemente potenciado por el acoplamiento resonante de la luz incidente a las ondas plasmónicas en la estructura de oro. [dieciséis]

Ver también

Referencias

  1. ^ Worrall, J. (1982). "La presión de la luz: el extraño caso del vacilante 'experimento crucial'". Estudios de Historia y Filosofía de la Ciencia . 13 (2): 133–171. Bibcode :1982SHPSA..13..133W. doi :10.1016/0039-3681(82)90023-1.
  2. ^ El ingeniero eléctrico. Biggs y compañía. 1888. pág. 53.
  3. ^ abc Gibbs, Philip (1996). "¿Cómo funciona un molino ligero?". math.ucr.edu/home/baez/physics/index.html . Preguntas frecuentes sobre física de Usenet . Consultado el 8 de agosto de 2014 .
  4. ^ "Discusión sobre Light-Mills; The n-Category Cafe" . Consultado el 29 de abril de 2017 .
  5. ^ Ohio, Universidad de Akron. "el radiómetro que utiliza la investigación para enseñar conversiones de energía". La Universidad de Akron, Ohio . Consultado el 10 de octubre de 2021 .
  6. ^ abc Kraftmakher, Yaakov (29 de agosto de 2014). Experimentos y demostraciones en física (2 ed.). Singapur: World Scientific. pag. 179.ISBN 9789814434904.
  7. ^ Crookes, William (1 de enero de 1874). "Sobre la atracción y repulsión resultantes de la radiación". Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres . 164 : 501–527. doi : 10.1098/rstl.1874.0015 . S2CID  110306977..
  8. ^ ab Lebedew, Peter (1901). "Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes". Annalen der Physik . 311 (11): 433–458. Código bibliográfico : 1901AnP...311..433L. doi : 10.1002/andp.19013111102.
  9. ^ Pincel, SG; Everitt, CWF (1969). "Maxwell, Osborne Reynolds y el radiómetro". Estudios Históricos en las Ciencias Físicas . 1 : 105-125. doi :10.2307/27757296. JSTOR  27757296.
  10. ^ Calaprice, Alicia; et al. (27 de octubre de 2015). Una enciclopedia de Einstein . Prensa de la Universidad de Princeton. pag. 190.ISBN 978-0691141749.
  11. ^ Reynolds, Osborne (1 de enero de 1879). "Sobre determinadas propiedades dimensionales de la materia en estado gaseoso...". Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres . 170 : 727–845. doi :10.1098/rstl.1879.0078.; Parte 2.
  12. ^ Maxwell, J. Clerk (1 de enero de 1879). "Sobre las tensiones en los gases enrarecidos derivadas de las desigualdades de temperatura". Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres . 170 : 231–256. doi :10.1098/rstl.1879.0067.
  13. ^ Han, Li-Hsin; Shaomin Wu; J. Christopher Condit; Nate J. Kemp; Thomas E. Milner; Marc D. Feldman; Shaochen Chen (2010). "Micromotor impulsado por luz impulsado por calentamiento de fotones asimétrico asistido por geometría y posterior convección de gas". Letras de Física Aplicada . 96 (21): 213509(1–3). Código Bib : 2010ApPhL..96u3509H. doi : 10.1063/1.3431741. Archivado desde el original el 22 de julio de 2011.
  14. ^ Han, Li-Hsin; Shaomin Wu; J. Christopher Condit; Nate J. Kemp; Thomas E. Milner; Marc D. Feldman; Shaochen Chen (2011). "Micromotor de luz: diseño, fabricación y modelado matemático". Revista de sistemas microelectromecánicos . 20 (2): 487–496. doi :10.1109/JMEMS.2011.2105249. S2CID  11055498.
  15. ^ Wolfe, David; Larraza, Andrés (2016). "Un radiómetro de paletas horizontales: experimento, teoría y simulación". Física de Fluidos . 28 (3). Alejandro García: 037103. arXiv : 1512.02590 . Código bibliográfico : 2016PhFl...28c7103W. doi : 10.1063/1.4943543. S2CID  119235032.
  16. ^ Yarris, Lynn. "El molino ligero de tamaño nanométrico impulsa un disco de tamaño micro". Phys.org . Consultado el 6 de julio de 2010 .
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Patentes

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