Radiômetro Crookes

Medidor de Crookes

O radiômetro de Crookes (também conhecido como moinho de luz) consiste em um bulbo de vidro hermético contendo um vácuo parcial, com um conjunto de palhetas que são montadas em um eixo dentro. As palhetas giram quando expostas à luz, com rotação mais rápida para luz mais intensa, proporcionando uma medição quantitativa da intensidade da radiação eletromagnética.

O motivo da rotação foi motivo de muito debate científico nos dez anos seguintes à invenção do dispositivo, mas em 1879 a explicação atualmente aceita para a rotação foi publicada. Hoje, o dispositivo é usado principalmente no ensino de física como uma demonstração de um motor térmico movido a energia luminosa.

Foi inventado em 1873 pelo químico Sir William Crookes como subproduto de algumas pesquisas químicas. No decorrer de um trabalho químico quantitativo muito preciso, ele estava pesando amostras em uma câmara parcialmente evacuada para reduzir o efeito das correntes de ar e percebeu que as pesagens eram perturbadas quando a luz do sol incidia na balança. Investigando esse efeito, ele criou o dispositivo que leva seu nome.

Ainda é fabricado e vendido como um auxílio educacional ou por curiosidade.

Descrição geral

Um radiômetro Crookes em ação

O radiômetro é feito de um bulbo de vidro do qual grande parte do ar foi removido para formar um vácuo parcial. Dentro da lâmpada, em um fuso de baixo atrito, há um rotor com várias (geralmente quatro) palhetas leves verticais espaçadas igualmente em torno do eixo. As palhetas são polidas ou brancas de um lado e pretas do outro.

Quando expostas à luz solar, luz artificial ou radiação infravermelha (até mesmo o calor de uma mão próxima pode ser suficiente), as palhetas giram sem força motriz aparente, os lados escuros se afastando da fonte de radiação e os lados claros avançando.

O resfriamento do radiômetro causa rotação na direção oposta.

Observações de efeito

O efeito começa a ser observado em pressões parciais de vácuo de várias centenas de pascais (ou vários torrs), atinge um pico em torno de 1 pascal (0,0075 torrs) e desaparece quando o vácuo atinge 1×10⁻⁴ pascal (7.5×10⁻⁷ torrs) (veja a nota explicativa 1). Nesses vácuos muito altos, o efeito da pressão da radiação de fótons nas palhetas pode ser observado em aparelhos muito sensíveis (ver radiômetro de Nichols), mas isso é insuficiente para causar rotação.

Origem do nome

O prefixo "rádio-" no título se origina da forma combinada do latim radius, um raio: aqui se refere à radiação eletromagnética. Um radiômetro Crookes, consistente com o sufixo "-metro" em seu título, pode fornecer uma medida quantitativa da intensidade da radiação eletromagnética. Isso pode ser feito, por exemplo, por meios visuais (por exemplo, um disco ranhurado giratório, que funciona como um estroboscópio simples) sem interferir na medição em si.

Os radiômetros agora são comumente vendidos em todo o mundo como um ornamento inovador; não precisando de baterias, mas apenas luz para fazer as palhetas girarem. Eles vêm em várias formas, como o retratado, e são frequentemente usados em museus de ciência para ilustrar a "pressão de radiação" – um princípio científico que eles de fato não demonstram.

Explicação termodinâmica

Movimento com absorção de corpo negro

Quando uma fonte de energia radiante é direcionada a um radiômetro Crookes, o radiômetro se torna uma máquina térmica. A operação de um motor térmico é baseada em uma diferença de temperatura que é convertida em uma saída mecânica. Nesse caso, o lado preto da palheta fica mais quente que o outro lado, pois a energia radiante de uma fonte de luz aquece o lado preto pela absorção do corpo negro mais rapidamente do que o lado prateado ou branco. As moléculas de ar internas são aquecidas quando tocam o lado preto da palheta. O lado mais quente da palheta é submetido a uma força que o move para frente.

A temperatura interna aumenta à medida que as palhetas pretas transmitem calor às moléculas de ar, mas as moléculas são resfriadas novamente quando tocam a superfície de vidro da lâmpada, que está à temperatura ambiente. Essa perda de calor através do vidro mantém a temperatura interna do bulbo estável, resultando em uma diferença de temperatura entre os dois lados das palhetas. O lado branco ou prateado das palhetas é ligeiramente mais quente que a temperatura do ar interno, mas mais frio que o lado preto, pois parte do calor é conduzido através da palheta do lado preto. Os dois lados de cada palheta devem ser isolados termicamente até certo ponto para que o lado polido ou branco não atinja imediatamente a temperatura do lado preto. Se as palhetas forem de metal, a tinta preta ou branca pode ser o isolamento. O vidro fica muito mais próximo da temperatura ambiente do que a temperatura atingida pelo lado preto das palhetas. O ar externo ajuda a conduzir o calor para longe do vidro.

A pressão do ar dentro da lâmpada precisa encontrar um equilíbrio entre muito baixa e muito alta. Um vácuo forte dentro do bulbo não permite movimento, porque não há moléculas de ar suficientes para causar as correntes de ar que impulsionam as palhetas e transferem calor para o exterior antes que ambos os lados de cada palheta atinjam o equilíbrio térmico por condução de calor através do material da palheta. A alta pressão interna inibe o movimento porque as diferenças de temperatura não são suficientes para empurrar as palhetas através da maior concentração de ar: há muita resistência do ar para "correntes parasitas" ocorrer, e qualquer leve movimento do ar causado pela diferença de temperatura é amortecido pela pressão mais alta antes que as correntes possam "envolver" para o outro lado.

Movimento com radiação de corpo negro

Quando o radiômetro é aquecido na ausência de uma fonte de luz, ele gira na direção frontal (ou seja, os lados pretos se arrastando). Se as mãos de uma pessoa forem colocadas ao redor do vidro sem tocá-lo, as palhetas girarão lentamente ou não girarão, mas se o vidro for tocado para aquecê-lo rapidamente, elas girarão mais perceptivelmente. O vidro aquecido diretamente emite radiação infravermelha suficiente para girar as palhetas, mas o vidro bloqueia grande parte da radiação infravermelha distante de uma fonte de calor que não está em contato com ele. No entanto, o infravermelho próximo e a luz visível penetram mais facilmente no vidro.

Se o copo for resfriado rapidamente na ausência de uma fonte de luz forte, colocando gelo no copo ou colocando-o no freezer com a porta quase fechada, ele vira para trás (ou seja, o rastro dos lados prateados). Isso demonstra a radiação de corpo negro dos lados negros das palhetas, em vez da absorção de corpo negro. A roda gira para trás porque a troca líquida de calor entre os lados pretos e o ambiente esfria inicialmente os lados pretos mais rapidamente do que os lados brancos. Ao atingir o equilíbrio, normalmente após um ou dois minutos, a rotação reversa cessa. Isso contrasta com a luz do sol, com a qual a rotação para frente pode ser mantida o dia todo.

Explicações para a força nas palhetas

Ao longo dos anos, houve muitas tentativas de explicar como funciona um radiômetro de Crookes:

Teorias incorretas

Crookes sugeriu incorretamente que a força se devia à pressão da luz. Esta teoria foi originalmente apoiada por James Clerk Maxwell, que previu esta força. Essa explicação ainda é frequentemente vista nos folhetos que acompanham o dispositivo. O primeiro experimento para testar essa teoria foi feito por Arthur Schuster em 1876, que observou que havia uma força no bulbo de vidro do radiômetro de Crookes que era na direção oposta à rotação das palhetas. Isso mostrou que a força girando as palhetas foi gerada dentro do radiômetro. Se uma leve pressão fosse a causa da rotação, então quanto melhor o vácuo no bulbo, menor a resistência do ar ao movimento e mais rápido as palhetas deveriam girar. Em 1901, com uma bomba de vácuo melhor, Pyotr Lebedev mostrou que, de fato, o radiômetro só funciona quando há gás de baixa pressão no bulbo e as palhetas ficam imóveis no vácuo forte. Finalmente, se a pressão da luz fosse a força motriz, o radiômetro giraria na direção oposta, pois os fótons do lado brilhante refletido depositariam mais momento do que do lado preto, onde os fótons são absorvidos. Isso resulta da conservação do momento – o momento do fóton refletido saindo do lado da luz deve ser correspondido por uma reação na palheta que o refletiu. A pressão real exercida pela luz é muito pequena para mover essas palhetas, mas pode ser medida com dispositivos como o radiômetro de Nichols. De fato, é possível fazer o radiômetro girar na direção oposta, aquecendo-o ou colocando-o em um ambiente frio (como um freezer) na ausência de luz, quando os lados negros ficam mais frios que os brancos devido ao corpo negro. radiação.

Outra teoria incorreta era que o calor no lado escuro estava causando a liberação de gases do material, o que empurrou o radiômetro. Mais tarde, isso foi efetivamente refutado pelos experimentos de Schuster (1876) e Lebedev (1901).

Teoria parcialmente correta

Uma explicação parcial é que as moléculas de gás que atingem o lado mais quente da palheta absorvem parte do calor, ricocheteando na palheta com maior velocidade. Dar à molécula esse impulso extra efetivamente significa que uma pressão mínima é exercida na palheta. O desequilíbrio desse efeito entre o lado preto mais quente e o lado prateado mais frio significa que a pressão líquida na palheta é equivalente a um empurrão no lado preto e, como resultado, as palhetas giram com o lado preto arrastando. O problema com essa ideia é que, embora as moléculas em movimento mais rápido produzam mais força, elas também fazem um trabalho melhor para impedir que outras moléculas alcancem a palheta, de modo que a força resultante na palheta deve ser a mesma. A maior temperatura causa uma diminuição na densidade local que resulta na mesma força em ambos os lados. Anos depois que essa explicação foi descartada, Albert Einstein mostrou que as duas pressões não se anulam exatamente nas bordas das palhetas por causa da diferença de temperatura ali. A força prevista por Einstein seria suficiente para mover as palhetas, mas não rápido o suficiente.

Teoria atualmente aceita

A teoria atualmente aceita foi formulada por Osborne Reynolds, que teorizou que a transpiração térmica era a causa do movimento. Reynolds descobriu que, se uma placa porosa é mantida mais quente de um lado do que do outro, as interações entre as moléculas de gás e as placas são tais que o gás fluirá do lado mais quente para o lado mais frio. As palhetas de um típico radiômetro de Crookes não são porosas, mas o espaço além de suas bordas se comporta como os poros na placa de Reynolds. Em média, as moléculas de gás se movem do lado quente para o lado frio sempre que a razão de pressão é menor que a raiz quadrada da razão de temperatura (absoluta). A diferença de pressão faz com que a palheta se mova, lado frio (branco) para frente devido à força tangencial do movimento do gás rarefeito que se desloca da borda mais quente para a borda mais fria.

O artigo de Reynolds não foi publicado por um tempo porque foi avaliado por Maxwell, que então publicou um artigo de sua autoria, que continha uma crítica da matemática no artigo não publicado de Reynolds. Maxwell morreu naquele ano e a Royal Society recusou-se a publicar a crítica de Reynolds à refutação de Maxwell ao artigo não publicado de Reynolds, pois considerou-se que este seria um argumento inapropriado quando uma das pessoas envolvidas já havia morrido.

Moinho de luz totalmente preto

Para girar, um moinho leve não precisa ser revestido com cores diferentes em cada palheta. Em 2009, pesquisadores da Universidade do Texas, em Austin, criaram um moinho leve monocolor com quatro palhetas curvas; cada palheta forma uma superfície convexa e uma côncava. O moinho de luz é uniformemente revestido por nanocristais de ouro, que são um forte absorvedor de luz. Após a exposição, devido ao efeito geométrico, o lado convexo da palheta recebe mais energia de fótons do que o lado côncavo e, posteriormente, as moléculas de gás recebem mais calor do lado convexo do que do lado côncavo. No vácuo bruto, esse efeito de aquecimento assimétrico gera um movimento líquido de gás em cada palheta, do lado côncavo para o lado convexo, conforme mostrado pelos pesquisadores. simulação direta Modelagem de Monte Carlo. O movimento do gás faz com que o moinho de luz gire com o lado côncavo se movendo para frente, devido à terceira lei de Newton. Este design monocolor promove a fabricação de moinhos de luz em escala micrométrica ou nanométrica, pois é difícil padronizar materiais de propriedades ópticas distintas dentro de um espaço tridimensional muito estreito.

Moinho leve de palhetas horizontais

A fluência térmica do lado quente de uma palheta para o lado frio foi demonstrada em um moinho com palhetas horizontais que têm uma superfície de dois tons com uma metade preta e uma metade branca. Este projeto é chamado de radiômetro Hettner. Verificou-se que a velocidade angular deste radiômetro é mais limitada pelo comportamento da força de arrasto devido ao gás no recipiente do que pelo comportamento da força de fluência térmica. Este projeto não experimenta o efeito Einstein porque as faces são paralelas ao gradiente de temperatura.

Moinho leve em nanoescala

Em 2010, pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley, conseguiram construir um moinho de luz em nanoescala que funciona com um princípio totalmente diferente do radiômetro de Crookes. Um moinho de luz de ouro, com apenas 100 nanômetros de diâmetro, foi construído e iluminado por luz laser que havia sido sintonizada. A possibilidade de fazer isso foi sugerida pelo físico Richard Beth, de Princeton, em 1936. O torque foi grandemente aumentado pelo acoplamento ressonante da luz incidente às ondas plasmônicas na estrutura de ouro.