Radiometer
07 Mar, 2013
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PDFInfrared detector
PRESENTATION: A radiometer has four vanes, silvered on one side and blackened on the other. The vanes are mounted on a low friction pivot inside a glass sphere with a partial vacuum. The pressure above the warm black surfaces is higher as they absorb more infrared radiation. Molecules gain energy on them and so rotation is produced towards the silver surfaces.
- Radiometer Mystery, Wojciech Dindorf, Phys. Teach. 40, 504 (2002)
- The Radiometer and How It Does Not Work, Arthur E. Woodruff, Phys. Teach. 6, 358 (1968)
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En el siguiente enlace se muestra cómo hacer un radiómetro casero de forma sencilla. Así los alumnos pueden realizarlo en su casa.
El radiómetro es un instrumento para detectar y medir la intensidad de energía térmica radiante, en especial de rayos infrarrojos. Hai dos tipos de radiómetros: radiómetro solar, radiómetro de Crookes o molino de luz que permite transformar la energía solar directamente en energía mecánica; y el radiómetro de Nichols que es un aparato para medir la presión de radiación.
En el siguiente vídeo vemos la importancia del vacío en un radiómetro de Crookes.
Actualmente la radiometría se está utilizando en estudios en el campo de la fisiología vegetal y la agricultura, dirigidos al incremento de la productividad de diferentes cultivos. A través del análisis radiométricos in situ, se puede establecer el comportamiento espectral de los cultivos en cada una de sus etapas de desarrollo, pudiendo así minimizar los costes de producción y demás factores que inciden en la producción y desarrollo de los cultivos.
Con el mismo propósito, pero para estudios mayores, la radiometría también se utiliza junto con sistemas de teledetección, sistemas de información geográfica y datos de GPS.
El radiómetro que aparece en esta entrada fue inventado por Sir William Crookes en 1873, el descubridor del Talio. Lo diseñó tras comprobar que cuando pesaba sustancias en una balanza de vacío que el peso disminuía cuando recibía luz directa. Para comprobar este efecto diseño el radiómetro. La explicación que dio Crookes fue que la luz impulsaba las paletas, así lo creyó Maxwell también en un principio, ya que refutaba su teoría. Sin embargo después se demostró que esta explicación no era correcta, ya que las paletas se movían sólo si había un poco de gas en el interior y no en un vacío total. De hecho, de ser así la paletas se moverían en sentido contrario a como lo hace porque la parte blanca sería la que empujaría en vez de la negra. La presión de la luz existe pero es muy pequeña como para mover el radiómetro.
Aunque no existe un consenso del 100 % hoy en día, hay dos explicaciones que posiblemente se complementan. La primera explicación dice que en el lado oscuro al haber más calor las moléculas de gas rebotan con mayor fuerza ejerciendo mayor presión en ese lado. Años después Albert Einstein demostró que la presión se anula en la paleta excepto en el borde donde las diferencias de temperatura sí generan una diferencia de presión que permite hacer girar el molinillo. No obstante, la fuerza calculada por Einstein era muy pequeña para explicar la velocidad con la que gira el molinillo. La segunda explicación, teorizada por Osborne Reynolds y apoyada por Maxwell, dice que si una placa porosa está más caliente por un lado que por otro, las moléculas de gas fluirán del lado más frío al lado más caliente. Aunque las paletas del radiómetro no son porosas sus bordes funcionan como tal permitiendo que haya un flujo de moléculas circulando desde el lado más frío (blanco) al lado más caliente (negro) haciendo que el radiómetro gire en dirección hacia el lado más frío debido a la diferencia de presión.
Como ya ha comentado mi compañero Aimar la invención del radiómetro de Crookes ha traído más controversias científicas que aplicaciones directas, de hecho de este radiómetro en concreto la única aplicación directa son las velas solares. Las velas solares, son un sistema de propulsión para sondas y naves espaciales. Estas presentan fuentes consistentes en una gran superficie compuesta por una o varias láminas reflectantes muy ligeras, capaces de aprovechar la presión lumínica de la radiación solar para obtener impulso. Además de fotones de origen solar, también pueden aprovechar cualquier otro tipo de ondas electromagnéticas generadas por el hombre, tales como rayos láser o microondas , de manera que ésta no necesita transportar consigo ni motor ni combustible, aligerando considerablemente el peso de la nave, y pudiendo alcanzar así mayores velocidades
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Este molino de luz o radiómetro de Crookes, consiste en cuatro brazos que sostienen cada uno una placa en sus extremos, pintadas de blanco de un lado y de negro del otro. Los cuatro brazos que soportan las placas están suspendidos en una aguja y sostenidos por un eje de vidrio para disminuir en lo posible la fricción. Este molinito se encuentra dentro de una esfera de vidrio sellada y en la que se ha realizado un vacío parcial.Las placas rotan al ser expuestos a luz, siendo más rápido el giro cuanto más intensa es la luz incidente. Eso proporciona una medida cuantitativa de la intensidad de la radiación electromagnética.
El radiómetro es un tubo de vidrio o cuarzo en el que se ha hecho un vacío parcial; dentro del tubo se encuentra un eje con cuatro paletas muy ligeras. Una cara de las paletas tiene un color negro, mientras que la otra es de metal pulimentado. Al recibir radiación externa el lado negro de una paleta absorbe más radiación que el lado pulimentado de la paleta opuesta, haciendo que la primera paleta se aleje de la fuente de radiación. Dicho efecto produce una rotación constante de las paletas, con una velocidad que depende de la intensidad de la energía radiante. En este vídeo se puede ver un ejemplo de un radiómetro.
Una posible aplicación del radiómetro se encuentra en el campo de la meteorología, ya que permite obtener una medida de la intensidad de la energía radiante, por ejemplo la solar.
A día de hoy aún no se ha establecido una teoría que explique el funcionamiento del radiómetro de Crookes. La teoría creada por su inventor postulaba que la luz ejercería fuerza al chocar contra una superficie y que esta luz rebotaría en las caras claras del radiómetro. Sin embargo, el radiómetro giraba en la dirección contraria (las partes oscuras son las que se alejan del calor) lo cual demostró que su teoría era errónea. A continuación dejo un enlace a un vídeo en el que se explica cómo fabricar un radiómetro casero.
Moi interesante este experimento-problema, e moi curiosa a historia do radiómetro. A luz e os seus efectos sempre sorprendendo…
O radiómetro resulta sorprendente, tanto pola súa sinxeleza constructiva coma pola interpretación do fenómeno.
A luz e os seus efectos…
William Crookes, inventor do radiómetro, foi un químico inglés, un dos principais científicos da Europa o século XIX no campo da física e da química. É mellor coñecida como o inventor do tubo de raios catódicos, polo descubrimento do elemento de talio, e por ser o primeiro en analizar o gas de helio no laboratorio. Tamén foi un dos investigadores máis importantes e destacados, e logo, a defensa do que hoxe é coñecido como o espiritualismo científico.
El radiómetro es un instrumento que sirve para medir la intensidad de energía térmica radiante. El que se muestra en el experimento es un radiómetro de Crookes, creado por este químico inglés en 1873. En el siguiente enlace se explica el funcionamiento de un radiómetro de Crookes.
El radiómetro de Crookes lo podemos diseñar nosotros mismo en el aula disponiendo de los materiales necesarios. El montaje es bastante sencillo y se muestra en el siguiente enlace. Quizás para alumnos de la ESO tenga un poco de dificultad, pero con alumnos de Bachillerato sería un buen experimento para llevar a cabo y mostrarles el funcionamiento estos aparatos.
El radiómetro de Crookes se inventó en 1873 y este consiste en cuatro brazos con aspas en sus extremos, cada placa tiene un lado pintado de blanco y otro de negro, a su vez cada brazo está sostenido por una aguja y todos ellos están sostenidos por un eje de vidrio para disminuir la fricción. Este molinillo estará dispuesto en el interior de una esfera de vidrio, la cual permanecerá sellada ya que se encuentra en un vacío parcial. Cuando este recibe una radiación luminosa se mueve siempre en un mismo sentido. Crookes ideó este artilugio a fin de saber si la luz, al chocar con la superficie ejercía alguna fuerza, por lo que pensó que la luz rebotaría en los lados más claros y el lado más oscuro la absorbería.
El radiómetro tiene múltiples aplicaciones y una de ellas esta ligada con el campo de la agricultura de precisión. El radiómetro mide la radiación que emite la vegetación y el suelo permitiendo determinar variables biofísicas y se utiliza para vigilar más de cerca la producción de los pastizales. Otra de sus futuras aplicaciones en este sector se encuentra en los drones que servirán para múltiples tareas que en estos momentos se hacen de manera muy imprecisa. Los agricultores podrán identificar rápidamente las áreas problemáticas y abordarlas con la precisión.
Tal y como se mencionó en el comentario anterior, llevar a cabo diagnósticos de salud agrícola es y será posible gracias a drones que presentan integrados radiómetros. Aunque a día de hoy no está generalizada su utilización, existen zonas del mundo (entre ellas Estados Unidos y Colombia) en las que se ha probado este sistema y se ha visto que ayudará a aumentar la salud de los cultivos, mejorar el manejo de los campos, reducir costos y aumentar los rendimientos. Se puede leer más información acerca de este aspecto en el enlace.
Una curiosidad acerca de Sir William Crookes es que trabajó con el cristal y desarrolló unas lentes opacas a la radiación infrarroja y ultravioleta. En el siguiente enlace nos dan más detalles acerca de este hecho.
O radiometro é un instrumento inventado no ano 1975 polo inglés William Crokes. Sen embargo a súa teoría inicial era errónea, pois pensou que os fotóns actuaban a modo de “balas” proxectadas cara as aspas do radiómetro. E que era isto o que movía as aspas, sen embargo máis tarde comprobouse que isto non era así. Pois estas particulas non teñen a suficiente forza e de tela moverían as aspas no sentido contrario ao que o fan realmente. O que se demostra no estudo deste enlace, é que a temperatura é o motor que fai xirar as aspas. Posto que as moléculas móvense a unha maior velocidade media na parte negra que na blanca.
El juguete imprescindible de 1870, “Light Mill”, el radiómetro de Crookes. No me resulta una información extraña, puesto que es un fenómeno curioso el cual llama la atención y despierta la curiosidad. El siguiente vídeo presenta una simple y clara explicación de que es un radiómetro y las teorías existentes a lo largo de los años para explicar el movimiento de este. Gracias a la existencia de un vacío parcial en el interior del cristal, ocurre el efecto transpiración térmica, o bien influencia térmica. Los gases de su interior presentan una distribución uniforme. Al exponer el radiómetro a la luz solar, introducimos al sistema calor en forma de luz. El hecho que las paletas presentan un lado plateado (reflectantes de la luz/calor) y otro negro (absorbente de la luz/calor), genera que un lado de la pala este más caliente que el otro, y como todo en la naturaleza se busca el equilibrio. De esta forma, se envía el aire frío del lado plateado hacia el lado oscuro para enfriarlo generando una mayor cantidad de aire en el lado oscuro y aumentando la presión ahí. Por otro lado tenemos que a medida que el aire frío se mueve, las partículas de aire se mueven hacia el lado cálido. Las moléculas de aire más cálido presentan mayor energía y golpean con más fuerza el lado oscuro, generando el curioso giro. Para más información sobre la transpiración térmica visita esta página.
Al igual que se ha comentado anteriormente, el radiómetro que se muestra en el vídeo de esta entrada fue inventado en 1873 por el físico y químico inglés William Crookes. Como curiosidad podemos añadir que, este dispositivo que lleva su nombre, surgió durante sus estudios sobre el talio, en el transcurso de experimentos químicos que exigían medidas cuantitativas muy precisas. Crookes se encontraba pesando muestras en una cámara a vacío parcial con el objeto de reducir el efecto de las corrientes de aire. Entonces, notó que el valor de las pesadas se alteraba cuando la luz del sol incidía sobre la balanza. Por lo tanto, este dispositivo, que convierte la radiación de luz en movimiento rotatorio, surgió de forma casual como otros muchos inventos, y no fue hasta 1879 cuando se publicó la explicación actualmente aceptada de la rotación por Osborne Reynolds.
Este dispositivo resulta muy interesante para medir la intensidad de la energía térmica radiante. Sin embargo, estos radiómetros mecánicos que se empleaban para el estudio de la meteorología han sido reemplazados por dispositivos electrónicos de estado sólido que miden la energía radiante. Una aplicación actual es la detección remota que operan en las regiones verde, roja e infrarroja cercana del espectro, recogiendo la radiación emitida y reflejada por los objetos. La detección remota se utiliza, por ejemplo, para el estudio de las fisiología de las plantas, agricultura de precisión y ecología.
Desde luego es un instrumento muy simple pero efectivo para medir la irradiación, aunque presenta ciertas limitaciones. Está pensado para fuentes de radiación continua, ya que la inercia del molinillo falsea las mediciones cuando hay variaciones bruscas de radiación. Es curioso que en un inicio hasta el propio inventor del instrumento pensaba que la rotación se producía por el impulso de los fotones sobre las caras, que, aunque no tienen masa, sí pueden generar momento lineal según la mecánica cuántica. Dicho efecto no vence la resistencia del aire encerrado ni la del rotor, aunque sí es posible teóricamente en un vacío perfecto y sin resistencia en el eje. La verdadera razón es la expansión del aire cercano a las caras negras a causa su calentamiento por convección, generando una diferencia de presiones entre las dos caras, lo que resulta en una fuerza hacia la cara con menos presión (cara plateada). Todas estas fuerzas generan un momento que vence la inercia, la resistencia del rotor y la resistencia del aire. Si en vez de un vacío parcial hubiera un vacío completo creo que no funcionaría.
Hoy en día disponemos de cantidad de instrumental técnico para medir las condiciones físicas de un sistema. Estos instrumentos nos dan mucha información con gran precisión. Aun así, resulta interesante poder utilizar instrumental básico en los que los principios físicos y su respuesta sean visualmente apreciables. De este modo, es mucho más sencillo comprender los fenómenos físicos de la naturaleza.
La radiación calienta principalmente las caras negras de las palas, ya que estas tienen una absortividad mayor que las plateadas. Esto provoca que el gas cercano a las superficies oscuras tengan mayor temperatura, lo que implica que las moléculas de esta zona tengan una mayor velocidad, y que al impactar contra las palas, ejercerá una fuerza que hace que las palas roten. Dejo más información sobre el radiómetro en este enlace.
Moi interesante o concepto do radiómetro e as aportacións realizadas en todos os comentarios previos. Pola miña banda, adxunto o seguinte enlace, que nos leva a un documento do IEEE realizado por John Witzel, un enxeñeiro mecatrónico senior, onde resalto suxerencias do autor a realizar tras a compra dun radiómetro: 1) Coloque o seu radiómetro frente a una chimenea ou dentro dun horno a 200°C, e observa o que ocurre ao cabo duns minutos. Por qué deixou de xirar? Agora sácao ou alónxao (ter coidado, que está quente). ¿Por qué empezou a xirar na outra dirección? 2) Pór o radiómetro no conxelador da súa cociña. Cara ónde xira ahora? ¿Por qué? De novo, ¿por qué detense despois duns minutos? 3) Coloque o seu radiómetro no alféizar dunha ventá ao sol ou apuntalo cunha linterna. ¿Por qué non deixa de xirar agora? (Suxerencia: pensar na temperatura dun filamento de tungsteno branco quente ou na superficie do Sol).
Crookes, además de desarrollar el radiómetro, también trabajó en la construcción de un artículo que ha mejorado notablemente la salud de nuestros ojos: las primeras gafas de sol con base científica ,tal y como se recoge en este artículo.
El calor influye significamente en la dinámica de las plantas, entre otras cosas, en su crecimiento, pero no solo el calor aéreo sino también el radicular. Por eso, cuando se quiere adelantar las producciones en climas frías, o en épocas del año frías, se cubre la superficie del suelo, donde se hacen los cultivos, con plásticos negros.
Para conseguir el vacío necesario, en su momento, Crookes empleó una bomba de Sprengel, que fue el primer aparato desarrollado para obtener alto vacío, explicado más extensamente en este enlace. Afortunadamente, en la actualidad tenemos mejores métodos para generar vacío que emplear materiales tóxicos como el mercurio.
Usando este principio, podrían realizarse una actividad en la que se creasen pequeños motores y se tratase de construir un pequeño vehículo. El experimento me ha parecido muy interesante.
Como se indica noutros comentarios, un radiómetro é un equipo usado para medir a intensidade da enerxía radiante, é usado na industria para cuantificar a luz ultravioleta (UV). Ademais de UV, a enerxía infrarroja é outro parámetro común no campo das medicións radiométricas. Todos os materiais emiten radiación infrarroja segundo as súas enerxías térmicas. Os termómetros infrarrojos utilizan o principio de medición de radiación infrarroja para determinar a temperatura do obxecto sen entrar en contacto con él. Por iso o radiómetro infrarrojo é coñecido como termómetro de radiación.
Otro instrumento capaz de detectar radiación infrarroja es la cámara termográfica, cuyo funcionamiento se explica en este enlace de la empresa Fluke. Estas cámaras contienen un sistema óptico que enfoca la energía infrarroja que emiten los cuerpos (aquellos cuya Tª está por encima de 0 K) en un sensor, que produce una señal electrónica que posteriormente se procesa para dar lugar a una imagen en una pantalla. Esta imagen representa la Tª de dichos cuerpos, que se relaciona con la radiación infrarroja que emiten (ley de Stefan-Boltzmann). La cámara termográfica es un recurso didáctico que puede ayudar a mejorar la compresión de fenómenos relacionados con la materia, la temperatura y la energía térmica (efecto Joule, cambios de estado, transferencias de energía térmica, efecto invernadero…). Al final, ambos dispositivos son herramientas que tratan de transformar lo no visible (energía infrarroja) en algo visible (movimiento de las placas del radiómetro o imagen térmica). Y esta transformación es esencial en Educación, puesto que como acertadamente dice el refrán popular, “Una imagen vale más que mil palabras…”
O experimento pode aportar moito dada a súa sinxeleza. Resulta moi interesante observar de forma visible fenómenos que como a radiación térmica, son impercetibles para o ollo humano. Sería interesante, utlizar un tacómetro para comparar a enerxía transmitida por distintas fontes de radiación, como as expostas nos vídeos.
La aplicación del radiometro a gran escala se aplica a la astronomía. En la cual los radiometros captan las ondas radiomagneticas de los planetas y junto con los espectros de luz captados podemos saber por ejemplo que porcentaje de agua tiene ese planeta.
Acabo de conocer el radiómetro y para que se utiliza, algo tan cotidiano en el día a día. Experimento interesante para explicar al alumnado y para realizar en una clase.
El radiómetro me parece un dispositivo educativo muy acertado para ilustrar conceptos de transferencia de energía de la luz a movimiento. Versiones más avanzadas, como los piranómetros, se utilizan en meteorología para medir la radiación solar incidente en la superficie de la Tierra. En la investigación científica, los radiómetros pueden emplearse en experimentos específicos para cuantificar la intensidad de la radiación electromagnética en diferentes longitudes de onda. Aunque no son tan comunes en la vida cotidiana, su principio de funcionamiento contribuye a comprender aspectos de la física de la luz.
El experimento del radiómetro no es de mis preferidos ya que, bajo mi punto de vista, no es algo que te deja impactado a nivel visual, pero lo que está claro es que un concepto que a menudo es tan difícil de visualizar para el alumnado, como la física de la luz, queda perfectamente ilustrado con este experimento y es mucho más fácil comenzar la explicación teórica si se realiza después de este experimento.
Esta práctica en el aula es muy adecuada para poder entender y explicar el concepto de la transmisión de la energía infrarroja, ya que es un concepto teórico difícil de mostrar. Los ejemplos cotidianos podrían mostrar al alumnado la gran relevancia en el entorno, así que podríamos destacar la sensación de calor cuando te acercas a una estufa, el control remoto de la televisión, las cámaras termográficas o incluso el uso de sensores infrarrojos en algunos electrodomésticos.
Como se mencionó en comentarios anteriores el radiómetro puede usarse para medir la radiación que emite la vegetación. En este caso incluyo un artículo científico acerca de una práctica de radiometría, para alumnos de bachillerato, que tiene como objetivo obtener diferentes firmas espectrales para la vegetación en distintas condiciones, de manera sencilla y asequible, a la vez que se le presentan los fundamentos de las técnicas de teledetección y sus aplicaciones en el campo de las Ciencias Naturales. Lo que podría ayudar a la comprensión del concepto radiómetro por parte del alumnado.
El radiómetro es un dispositivo ingenioso que convierte la energía de la radiación en movimiento. Sus cuatro palas, con un lado negro que absorbe más radiación y otro plateado que la refleja, están suspendidas en un entorno de vacío parcial dentro de una esfera de cristal. La radiación infrarroja calienta las superficies negras, aumentando la presión de las moléculas que interactúan con ellas. Este desequilibrio energético genera un impulso que hace girar las palas hacia las superficies plateadas. Este sencillo pero fascinante mecanismo ilustra cómo la energía térmica puede transformarse en energía cinética, siendo una herramienta educativa y científica muy interesante.