UNIVERSIDAD CATOLICA BOLIVIANA "SAN PABLO" Facultad de Ciencias Exactas
Laboratorio de Física I– FIS 274 Semestre: I-2015
Distancia (1/x2)
Radiacion (mV)
LABORATORIOS DE FÍSICA II
LEY DEL INVERSO CUADRADO
RADIACION TERMICA
Daniela Manríquez Salcedo
Paralelo
/09/14
La practica realizada en el laboratorio tuvo buen resultado, realizamos el armado del equipo tal que se uso tres aparatos y una regla de 100 centimetros para poder obtener distancias, se pusoel sensor de rdiacion al cm 0 con ayuda de un soporte universalpara que el radiador pueda transmitir la energía a la mismaaltura de la fuente de calor que será el foco ( Stefan Bolterman) , ambos alineados a la regla, la fuente caliente va conectada al radiador y este ava conectado a un y vamos separándolos en ciertas distancias hasta llegar a 100.
1. OBJETIVO GENERAL
El objetivo es poder comprobar la ley del inverso cuadrado, que nos dice que la radiación es proporcional al inverso de la distancia al cuadrado.
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Observar como la radiación baja a medida que la distacia aumenta.
2. FUNDAMENTO TEORICO
Debemos ante nada considerar un concepto básico: una transferencia positiva de calor agrega energía a un sistema. Un trabajo positivo extrae energía de un sistema. Existen tres mecanismos diferentes por los cuales ocurre la transferencia de calor:
Conducción, en donde el calor pasa a través de la sustancia misma del cuerpo.
ii. Convección, en el cual el calor es transferido por el movimiento relativo de partes del cuerpo calentado, y
iii. Radiación, mecanismo por el que el calor se transfiere directamente entre partes distantes del cuerpo por radiación electromagnética.
La radiación consiste en la transmisión de calor en ausencia de materia. Por radiación nos llega la luz y el calor procedente del Sol, y es también la componente principal del calor que nos llega cuando nos calentamos junto a una hoguera o junto a una estufa eléctrica. La radiación está formada por ondas electromagnéticas diferentes, algunas de las cuáles son percibidas por el ojo y constituyen lo que llamamos luz visible, mientras que otras como las radiaciones infrarrojas y radiaciones ultravioletas no producen efectos sensoriales en el ojo humano. La radiación no es algo homogéneo sino que podemos considerarlo como la suma de muchas radiaciones diferentes. Eso se pone de manifiesto claramente al observar que hay luces de diferentes colores: todas son radiación, pero la luz que produce la sensación de un color es diferente de la luz que produce la sensación de otro color. Desde un punto de vista científico se diferencia la luz de cada color por un número, que llamamos longitud de onda. El número que corresponde a la longitud de onda del color rojo es mayor que el número que corresponde a la longitud de onda del color amarillo, y éste a su vez, mayor que el que corresponde al color violeta.
Lo que llamamos radiaciones térmicas se diferencian de las llamadas radiaciones luminosas en que las longitudes de onda son mucho mayores en el caso de la radiaciones térmicas.
La radiación emitida por un cuerpo en la unidad de tiempo depende de la cuarta potencia de la temperatura de ese cuerpo, expresada en kelvin, así como de la superficie del cuerpo y de la emisividad (e), cuyo valor puede oscilar entre 0 y 1, siendo un valor propio de cada cuerpo que tiene relación con su color. Las superficies muy negras. como el hollín, tienen e próxima a 1, mientras que las superficies brillantes tienen e próxima a cero y en consecuencia, emitirán menos radiación
La ley de la inversa del cuadrado, ley cuadrática inversa o ley del cuadrado inverso de la distancia, se refiere a algunos fenómenos físicos cuya intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al centro donde se originan. En particular, se refiere a fenómenos ondulatorios (sonido y luz), y en general a campos centrales en un espacio euclídeo tridimensional, a campos eléctricos y a radiación ionizante no particulada.
La intensidad del sonido proveniente de una fuente puntual, si no hay reflexiones oreverberaciones, obedece la ley del inverso del cuadrado,. Una gráfica muestra esta abrupta caída de intensidad.
Como uno de los campos que obedece la general ley del inverso del cuadrado, una fuente de radiación puntual, se puede caracterizar por la relación de abajo, ya sea hablando sobreRoentgens, rads, o rems. Todas las medidas de radiación disminuirán siguiendo la ley del inverso del cuadrado .
La fuente se describe por el símbolo general de "intensidad de la fuente" S, ya que hay muchas maneras de caracterizar una fuente de radiación -por gramos de un isótopo radiactivo, intensidad de la fuente de Curie, etc-. Para dicha descripción de fuente, si se determina la cantidad de radiación por unidad de superficie que llega a 1 metro de distancia, entonces, a 2 metros de distancia será una cuarta parte, etc.
LEY DE STEFAN BOLTZMANN Todos los objetos emiten energía radiante, cualquiera sea su temperatura, por ejemplo el Sol, la Tierra, la atmósfera, los Polos, las personas, etc. La energía radiada por el Sol a diario afecta nuestra existencia en diferentes formas. Esta influye en la temperatura promedio de la tierra, las corrientes oceánicas, la agricultura, el comportamiento de la lluvia, etc. Considerar la transferencia de radiación por una superficie de área A, que se encuentra a una temperatura T. La radiación que emite la superficie, se produce a partir de la energía térmica de la materia limitada por la superficie. La rapidez a la cual se libera energía se llama potencia de radiación H, su valor es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. Esto se conoce como la ley de Stefan (Joseph Stefan, austriaco, 1835-1893), que se escribe como: H = εσAT4 [6.12] donde σ = 5.67x10-8 W/(m2 K4 ) se llama constante de Stefan-Boltzmann (Ludwing Boltzmann, austriaco, 1844-1906) y ε es una propiedad radiactiva de la superficie llamada emisividad, sus valores varían en el rango 0 < ε < 1, es una medida de la eficiencia con que la superficie emite energía radiante, depende del material. Un cuerpo emite energía radiante con una rapidez dada por la ecuación 14.5, pero al mismo tiempo absorbe radiación; si esto no ocurriera, el cuerpo en algún momento irradiaría toda su energía y su temperatura llegaría al cero absoluto. La energía que un cuerpo absorbe proviene de sus alrededores, los cuales también emiten energía radiante. Si un cuerpo se encuentra a temperatura T y el ambiente a una temperatura To, la energía neta ganada o perdida por segundo como resultado de la radiación es: Hneta = εσA(T4 - To4 ) (6.13) Cuando el cuerpo está en equilibrio con los alrededores, irradia y absorbe la misma cantidad de energía, por lo tanto su temperatura permanece constante. Cuando el cuerpo está más caliente que el ambiente, irradia más energía de la que absorbe, y por lo tanto se enfría. Un absorbedor perfecto se llama cuerpo negro (no significa que sea de color negro), que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su superficie y su emisividad es igual a uno. No se conoce ningún objeto así, aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97% de la radiación incidente. El Sol, la Tierra, la nieve, etc. bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro. En teoría, un cuerpo negro sería también un emisor perfecto de radiación, y emitiría a cualquier temperatura la máxima cantidad de energía disponible. A una temperatura dada, emitiría una cantidad definida de energía en cada longitud de onda. En contraste, un cuerpo cuya emisividad sea igual a cero, no absorbe la energía incidente sobre el, sino que la refleja toda, es un reflector perfecto. Los cuerpos con emisividades entre 0 y 1 se llaman cuerpos grises, son los objetos reales. A raíz del fracaso de los intentos de calcular la radiación de un cuerpo negro ideal según la física clásica, se desarrollaron por primera vez los conceptos básicos de la teoría cuántica. Una buena aproximación de un cuerpo negro es el interior de un objeto hueco, como se muestra en la figura 6.8. La naturaleza de la radiación emitida por un cuerpo hueco a través de un pequeño agujero sólo depende de la temperatura de las paredes de la cavidad.
RADIACIÓN DE UN CUERPO NEGRO. La teoría que permite modelar la potencia emitida por un cuerpo a temperatura T, se relaciona estrechamente con la radiación de un cuerpo negro (B, body black). Un cuerpo negro es un emisor perfecto a temperatura T en cuya cavidad se alojan ondas estacionarias con diferente longitud de onda.
3. PROCEDIMIENTO
Empezamos con el armado del equipo, usaremos una regla de 100 cm. Para poder alinear los dos aparatos que vayamos a usar, usamos un radiador térmico el cual recibe la energía este radiador estará sujeto con un siporte universal, que va conectado a la fuente de energía constante. Nuestra fuente de calor será el foco y el soporte nos sirve para que el radiador pueda estar a la misma altura que el foco.
De esta manera comenzamos alejándolos ambos cada cm. Después cada 5 y asi sucesivamente hasta que lleguemos a 100 cm donde la distancia aumente y a medida que alejamos en cada centímetro asignado mediamos la radiación primero con el foco apagado y luego con el foco prendido.
Teniendo estos datos podemos formar una grafica y asi obtener una ecuación lineal y poder relacipnarla.
Fuente de calorFuente de calorReglaRegla
Fuente de calor
Fuente de calor
Regla
Regla
RadiadorRadiador
Radiador
Radiador
4.DATOS EXPERMENTALES
TABLA 1 TABLA EXPERIEMNTAL, DATOS EXPERIMENTALES.
X (cm)
Rad (mV)
1/X (cm2)
Ambient Radiation Level (mV)
Rad-Ambient (mV)
5
12,4
0,04000
0,2
12,2
6
9,4
0,02778
0,1
9,3
7
7,6
0,02041
0,1
7,5
8
6,6
0,01563
0,1
6,5
9
5,6
0,01235
0,1
5,5
10
4,6
0,01000
0,1
4,5
12
3,3
0,00694
0,1
3,2
14
2,5
0,00510
0,1
2,4
16
1,9
0,00391
0,1
1,8
18
1,5
0,00309
0,1
1,4
20
1,3
0,00250
0,1
1,2
25
1,2
0,00160
0,1
1,1
30
1,1
0,00111
0,1
1
35
1,1
0,00082
0,1
1
40
0,8
0,00063
0,1
0,7
45
0,6
0,00049
0,1
0,5
50
0,4
0,00040
0,1
0,3
60
0,3
0,00028
0,1
0,2
70
0,2
0,00020
0,1
0,1
80
0,1
0,00016
0,1
0
90
0
0,00012
0,2
-0,2
100
0
0,00010
0,5
-0,5
En la tabla podemos ver la radiación ambiente la radiación con el foco, en la primera columna vemos las distancias que van acendiendo hasta 100 en la segunda columna vemos la radiación con el foco, y en la tercera 1 sobre la distancia al cuadrado, y en la cuarta la radiación ambiente, en la ultima la rad. Con el foco encendido menos la del foco apagado.
5. ANALISIS DE DATOS
Para las seis resistencias hacemos los cálculos para obtener la temperatura en °C con la formula:
5 .2 Analogía matemática
y=Ax+B
5.3 Cálculos Preparatorios
TABLA 2. RESUMEN DE DATOS EXPERIMENTALES.
1/X (cm2) Rad-
Ambient
(mV)
0,04000
12,2
0,02778
9,3
0,02041
7,5
0,01563
6,5
0,01235
5,5
0,01000
4,5
0,00694
3,2
0,00510
2,4
0,00391
1,8
0,00309
1,4
0,00250
1,2
0,00160
1,1
0,00111
1
0,00082
1
0,00063
0,7
0,00049
0,5
0,00040
0,3
0,00028
0,2
0,00020
0,1
0,00016
0
0,00012
-0,2
0,00010
-0,5
En esta tabla podemos ver los datos resumidos, son los dos datos que ncesitamos para formar nuestra grafica, son datos que tambien podemos observarlos en la tabla 1.
GRAFICA EXPERIMENTAL
En la grafia podemos ver una línea de tendencia que se forma con los datos de la tabla 2, y con estos datos podemos tener una ecuación lineal para poder relacionarla con la formula del inverso cuadrado.
4.2.4 RESULTADOS DE REGRECION
Datos dados por la grafica experimental.
A± ΔA
B± ΔB
323,02±0,00049338
0,4583±0,0001141
Mediante el análisis de datos también pudimos obtener el error que existía en A y en B.
ΔA=
ΔB=
4.2.5 INTERPRETACION DE DATOS
Gracias a la grafica pudimos obtener una ecuación lineal .
La constante A re presenta solo una constante más que no nos ayuda a poder calcular nada ya que no forma parte de la ecuación
A= 323,02
La constante B representa la aceleración que se forma con los resultados experimentales y x es el tiempo que puede ser cualquiera. La grafica nos da una aceleración negativa pero la usamos con otro signo.
B= 0,45
La constante R representa el porcentaje de error que existe en la formula.
R=0.97
6. RECOMENDACIONES Y
CONCLUSIONES
Según la teoría y todos los datos que tuvimos y la pracica realizada pudimos cumplir con el obketivo planteado, se vio que a medida que la distancia aumentaba la radiación tambien aumentaba, y eso era lo que nos decía la ley del inverso cuadrado.
Y lo pudimos comprobar eln la practica y gracias a la grafca tambien pudimos ver mas claramente como acendian los puntos.
RECOMENDACIONES
Yo creo que deberíamos usar otro tipo de fuente de calor para ver si es que la intensidad de la luz de la fuente puede afectar en la radicación.
