¿Qué es un Cuerpo Negro?
Un cuerpo negro es cualquier cuerpo inanimado que siempre absorbe toda la radiación que cae sobre él e irradia la misma cantidad de energía que recibe a una temperatura constante.
No hay una existencia real de cuerpo negro. Pero la aproximación lleva la idea a un perfecto cuerpo negro en la práctica. Según esta aproximación, el cuerpo negro es un recinto hueco aislado que contiene un pequeño agujero en una pared.
La energía incidente va dentro del cuerpo negro y se refleja una y otra vez contra la pared interior de ese cuerpo negro.
El cuerpo negro actúa como un perfecto absorbente. Si esta cavidad se calienta, toda la energía se emitirá a través de este agujero. A continuación se muestra una curva de radiación de cuerpo negro.
Teóricamente, la energía total irradiada de un cuerpo negro a una temperatura determinada es fija, pero durante la radiación del cuerpo negro, esta energía total no es de una sola longitud de onda. Más bien, la energía total irradiada de este cuerpo negro es de varias longitudes de onda que van desde el cero hasta el infinito. Desde la longitud de onda de 780 nm a 380 nm la energía radiada está dentro de la sensación visual. Aunque no podemos observar radiaciones con longitudes de onda menores de 370 nm, todavía podemos interactuar con estas radiaciones de otras maneras, por ejemplo, utilizando un El tubo de Klystron para producir energía de microondas, o una radio para enviar ondas de radio.
Aquí cabe señalar que la cantidad de energía de radiación por longitud de onda no es la misma para todas las longitudes de onda, sino que varía con la longitud de onda. Para cada temperatura, hay una longitud de onda particular para la cual la energía radiada por longitud de onda se convierte en máxima.
Esto significa que a una temperatura determinada; el pico de existencia de radiación espectral está en una longitud de onda determinada. Esta longitud de onda (longitud de onda para el pico de radiación de energía) depende de la temperatura de este cuerpo negro. Al disminuir la temperatura, el pico de la curva se desplaza hacia la derecha según la figura que se indica arriba. Esto implica que en el gráfico, el pico de cada curva aparece en una longitud de onda más corta a medida que la temperatura aumenta.
Como la radiación de energía se produce en todas las longitudes de onda, la curva se acerca mucho más al eje horizontal pero nunca toca el eje, incluso cuando la longitud de onda es infinitamente larga. El área delimitada por la curva a cualquier temperatura indica la energía total irradiada por el cuerpo negro a esa temperatura en particular. Si la temperatura varía, la cantidad total de energía irradiada también varía. Si conectamos el pico de todas las curvas, obtendremos una parábola como se muestra en la figura de arriba.
El gráfico de arriba muestra la salida espectral frente a la longitud de onda. La salida espectral significa la potencia por unidad de área por unidad de longitud de onda. Según la física de la radiación, la ley de Stefan-Boltzmann es aplicable aquí. Esta ley establece que la potencia total irradiada por unidad de superficie de un cuerpo negro a través de todas las longitudes de onda es directamente proporcional a la cuarta potencia de la temperatura del cuerpo negro.
Aquí, Me es la potencia radiada por unidad de área y T es la temperatura en Kelvin y también es la constante de Stefan-Boltzmann. Esta energía se emite desde este agujero del cuerpo negro.
Según la Ley de Tablas
¿Dónde, Pe es la potencia radiada por unidad de área en la dirección normal por unidad de ángulo sólido por unidad de frecuencia por este cuerpo negro a temperatura T.
h es la constante de Planck;
k es la constante de Boltzmann;
c es la velocidad de Luz en el vacío;
T es la temperatura absoluta del cuerpo.
es la frecuencia de la radiación electromagnética;
Siguiendo la teoría clásica, Wien demostró que en este pico de la longitud de onda la temperatura absoluta da un valor constante, a saber..,
La expresión anterior se denomina Ley de desplazamiento de Wiens. Esta Ley describe la hipérbola que pasa por los puntos máximos de las curvas mostradas en el gráfico anterior.
Practica Blackbody
Pero los cuerpos negros están cubriendo el rango de temperatura de alrededor de -20 a 3000 grados Celsius (253 K a 3273 K) en los casos prácticos. Y en consecuencia, las longitudes de onda máximas son de 885 nm a 11500 nm. 885 nm está en el rango visible mientras que 11500 nm es el rayo infrarrojo (IR). Las temperaturas de los cuerpos negros pueden determinarse en una fuente de calibración de cuerpos negros con punto de congelación.
Un cuerpo negro parece negro a temperatura ambiente. De nuevo, la mayor parte de la energía que irradia es en forma de un rayo infrarrojo. La radiación de un cuerpo negro de rayos infrarrojos no puede ser percibida por los ojos humanos ya que los ojos humanos nunca perciben el color a muy bajas intensidades de luz.
Así que un cuerpo negro que se ve en la oscuridad a la temperatura más baja visible, es decir, sólo débilmente, aparece gris. Cuando hacemos que el cuerpo negro esté un poco más caliente, aparece rojo apagado en consecuencia. De nuevo la temperatura de los cuerpos negros se incrementa. Además, se convierte en un blanco azulado brillante.
El diagrama de cromaticidad muestra la temperatura de color de un cuerpo negro.
Esta barra de color que se muestra a continuación, muestra la temperatura de color de un cuerpo negro.
