Radiómetro de crookes

Radiometro Crookes

El radiómetro de Crookes (también conocido como molino de luz) consta de un bulbo de vidrio hermético que contiene un vacío parcial, con un conjunto de paletas que están montadas en un husillo en el interior. Las paletas giran cuando se exponen a la luz, con una rotación más rápida para una luz más intensa, proporcionando una medida cuantitativa de la intensidad de la radiación electromagnética.

La razón de la rotación fue motivo de mucho debate científico en los diez años posteriores a la invención del dispositivo, pero en 1879 se publicó la explicación actualmente aceptada para la rotación. Hoy en día, el dispositivo se utiliza principalmente en la educación física como una demostración de un motor térmico que funciona con energía luminosa.

Fue inventado en 1873 por el químico Sir William Crookes como subproducto de una investigación química. En el curso de un trabajo químico cuantitativo muy preciso, estaba pesando muestras en una cámara parcialmente vacía para reducir el efecto de las corrientes de aire, y notó que los pesajes se alteraban cuando la luz del sol brillaba sobre la balanza. Investigando este efecto, creó el dispositivo que lleva su nombre.

Todavía se fabrica y vende como ayuda educativa o por curiosidad.

Descripción general

Un radiometro croata en acción

El radiómetro está hecho de una bombilla de vidrio de la que se ha eliminado gran parte del aire para formar un vacío parcial. Dentro de la bombilla, en un husillo de baja fricción, hay un rotor con varias (generalmente cuatro) paletas livianas verticales espaciadas por igual alrededor del eje. Las paletas son pulidas o blancas por un lado y negras por el otro.

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

Enfriar el radiómetro provoca la rotación en la dirección opuesta.

Observaciones de efectos

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 explicaciones nota 1). En estos vacíos muy altos, el efecto de la presión de radiación de fotones en las paletas se puede observar en aparatos muy sensibles (ver radiómetro de Nichols), pero esto es insuficiente para causar la rotación.

Origen del nombre

El prefijo "radio-" en el título se origina de la forma combinada del latín radius, un rayo: aquí se refiere a la radiación electromagnética. Un radiómetro de Crookes, consistente con el sufijo "-metro" en su título, puede proporcionar una medida 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 estroboscopio simple) sin interferir con la medición en sí.

Los radiómetros ahora se venden comúnmente en todo el mundo como un adorno novedoso; no necesita baterías, sino solo luz para que las paletas giren. Vienen en varias formas, como la que se muestra en la imagen, y se usan a menudo en los museos de ciencia para ilustrar la "presión de radiación" – un principio científico que de hecho no demuestran.

Explicación termodinámica

Movimiento con absorción de cuerpo negro

Cuando una fuente de energía radiante se dirige a un radiómetro de Crookes, el radiómetro se convierte en un motor térmico. El funcionamiento de una máquina térmica se basa en una diferencia de temperatura que se convierte en una salida mecánica. En este caso, el lado negro de la veleta se calienta más que el otro lado, ya que la energía radiante de una fuente de luz calienta el lado negro por absorción de cuerpo negro 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 del bulbo, 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 transmite a través de la paleta desde el lado negro. Los dos lados de cada paleta deben estar térmicamente aislados 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 permanece mucho más cerca de la temperatura ambiente que la temperatura alcanzada por el lado negro de las paletas. El aire externo ayuda a alejar el calor del vidrio.

La presión de aire dentro de la bombilla debe lograr 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 generar 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 las "corrientes de Foucault" ocurrir, 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" al otro lado.

Movimiento con radiación de cuerpo negro

Cuando el radiómetro se calienta en ausencia de una fuente de luz, gira hacia adelante (es decir, los lados negros se arrastran). 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 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 ella. Sin embargo, la luz visible e infrarroja cercana penetran más fácilmente en el vidrio.

Si el vaso se enfría rápidamente en ausencia de una fuente de luz potente, colocando hielo sobre el vaso o colocándolo en el congelador con la puerta casi cerrada, gira hacia atrás (es decir, el rastro de los pejerreyes). Esto demuestra la radiación de cuerpo negro de los lados negros de las paletas en lugar de la absorción de cuerpo negro. 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, generalmente 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 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. Esta teoría fue apoyada originalmente por James Clerk Maxwell, quien había predicho esta fuerza. Esta explicación todavía se ve a menudo en los folletos que vienen 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 mostró que la fuerza que giraba las paletas se generaba dentro del radiómetro. Si una ligera presión 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 intenso. Finalmente, si la presión de la luz fuera la fuerza motriz, el radiómetro giraría en la dirección opuesta, ya que los fotones reflejados en el lado brillante depositarían más impulso que en el lado negro, donde los fotones son absorbidos. Esto se debe a la conservación del momento: el momento del fotón reflejado que sale por el lado de la luz debe coincidir con una reacción en la veleta 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 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 al cuerpo negro. radiación.

Otra teoría incorrecta era que el calor en el lado oscuro estaba causando que el material se desgasificara, lo que empujaba al radiómetro. Esto fue posteriormente refutado de manera efectiva tanto por los experimentos de Schuster (1876) como por los de Lebedev (1901).

Teoría parcialmente correcta

Una explicación parcial es que las moléculas de gas que golpean el lado más cálido de la veleta recogerán parte del calor y rebotarán en la veleta con mayor velocidad. Darle a la molécula este impulso extra significa que se ejerce una mínima presión sobre la veleta. 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 empuje 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 rápido producen más fuerza, también evitan que otras moléculas lleguen a 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 anulan 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.

Teoría actualmente aceptada

La teoría actualmente aceptada fue formulada por Osborne Reynolds, quien teorizó que la transpiración térmica era la causa del movimiento. 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 caliente al más frío. Las paletas de un radiómetro de Crookes típico no son porosas, pero el espacio que pasa por sus bordes se comporta como los poros en la placa de Reynolds. En promedio, las moléculas de gas se mueven desde el lado caliente hacia el lado frío siempre que la relación de presión sea menor que la raíz cuadrada de la relación de temperatura (absoluta). La diferencia de presión hace que la paleta se mueva, con el lado frío (blanco) hacia adelante debido a la fuerza tangencial del movimiento del gas enrarecido que se mueve desde el borde más caliente al borde más frío.

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. 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 habia muerto.

Molino de luz completamente negro

Para rotar, un molino liviano no tiene que estar recubierto con diferentes colores en cada paleta. 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 una cóncava. El molino de luz está recubierto uniformemente por nanocristales de oro, que son un fuerte 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 vacío aproximado, este efecto de calentamiento asimétrico genera un movimiento de gas neto a través de cada paleta, desde el lado cóncavo al lado convexo, como lo muestran los investigadores. simulación directa modelado Monte Carlo. El movimiento del gas hace que el molino ligero 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 modelar materiales con distintas propiedades ópticas dentro de un espacio tridimensional muy estrecho.

Molino ligero de paletas horizontales

La fluencia térmica desde el lado caliente de una paleta hasta 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 más limitada por el comportamiento de la fuerza de arrastre debida al gas en el recipiente que por el comportamiento de la fuerza de fluencia térmica. Este diseño no experimenta el efecto de Einstein porque las caras son paralelas al gradiente de temperatura.

Molino de luz a nanoescala

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