Radiación Térmica del Cuerpo Negro

La energía electromagnética que emite un cuerpo debido a su temperatura se llama radiación térmica. Esta radiación varía con la temperatura y con la composición del cuerpo. Sin embargo, hay un conjunto de cuerpos cuya radiación térmica solo depende de su temperatura, y se les llama cuerpos negros. Su radiación tiene estas características:

1. La potencia P emitida a la temperatura T por una superficie S cumple la ley de Stefan-Boltzmann.
2. La longitud de onda para la que se produce mayor emisión de energía es inversamente proporcional a la temperatura, según la ley del desplazamiento de Wien.

Hipótesis de Planck

Max Planck formuló en 1900 las siguientes teorías como punto de inicio para intentar explicar la radiación del cuerpo negro:

• Los átomos que emiten la radiación se comportan como osciladores armónicos.
• Cada oscilador absorbe o emite energía de la radiación en una cantidad proporcional a su frecuencia de oscilación: E_o = hf.
• La energía total absorbida por cada oscilador atómico solo puede tener un número entero n de porciones de energía E_o: E = nE_o / E = nhf. Los paquetes de energía hf se llaman cuantos; la energía de los osciladores está cuantizada y n es un número cuántico.

Efecto Fotoeléctrico

Heinrich Hertz descubrió que, al someter a la acción de la luz determinadas superficies metálicas, estas superficies desprendían electrones. Este fenómeno se denominó efecto fotoeléctrico.

Medidas del Efecto Fotoeléctrico

Los electrones emitidos al iluminar el cátodo originan una corriente de intensidad I al chocar con el ánodo. El trabajo W para arrancar el electrón del metal depende de su energía de enlace con este. La energía más pequeña se llama función trabajo del metal o trabajo de extracción W_o = h f_u.

• Si el ánodo es positivo, atraerá a los electrones.
• Si el ánodo es negativo, los electrones serán repelidos y solo llegarán a él aquellos que tengan una energía cinética inicial suficiente para romper el potencial de repulsión.

Teoría Cuántica de Einstein

Según Einstein, toda la energía emitida por una fuente radiante está cuantizada en paquetes llamados fotones. Para explicar el efecto fotoeléctrico, Einstein supuso que:

• La cantidad de energía de cada fotón se relaciona con su frecuencia mediante la expresión E = hf.
• Un fotón es absorbido completamente por un fotoelectrón. La energía cinética del fotoelectrón es E_c = hf – W.
• El electrón que está enlazado más débil escapa con energía cinética máxima, que está determinada en la ecuación fotoeléctrica: E_cmax = hf – W_o.

Einstein da respuesta a las cosas que no tienen explicación bajo el punto de vista de la física clásica:

• Como la mínima energía necesaria para arrancar un electrón es W_o, cuando E_cmax = 0, el fotón tiene que aportar como mínimo una energía hf = W_o. Si la frecuencia de la radiación es inferior a f_u, ningún fotoelectrón puede extraerse.
• Al duplicar la intensidad de la luz, se duplica el número de fotones y la intensidad de corriente.
• Debido a que la energía necesaria para extraer un electrón viene en paquetes concentrados, no tiene sentido un tiempo de retraso.

Efecto Compton

Compton hizo incidir un haz de rayos X de longitud de onda sobre una lámina de grafito y vio que la radiación dispersada tenía dos longitudes de onda: una igual a la normal y otra mayor. Compton consideró la radiación electromagnética como un conjunto de partículas relativistas, los fotones, cada una de ellas con masa en reposo nula (m_o = 0), con energía E = hf y con un momento lineal p:

p = E/c = hf/c = h/λ

Flujo Magnético

El flujo magnético a través de una superficie es una medida del número de líneas de inducción que atraviesan dicha superficie.

Cálculo del Flujo Magnético

1. Campo Uniforme y Superficie Plana:

Definimos el vector S como un vector perpendicular a la superficie S y de módulo igual al valor de esta superficie. Φ = BScosα.

2. Campo Variable y Superficie Cualquiera:

Se divide S en pequeños elementos de manera que cada uno pueda considerarse como una superficie plana y el campo magnético uniforme. Se define el vector superficie dS perpendicular a la superficie y de módulo dS. Φ = ∫B x dS.

Ley de Lenz

De las experiencias de Faraday se deduce que la inducción de corriente eléctrica es debida a la variación de flujo magnético a través del circuito. La regla que determina el sentido de la corriente inducida fue establecida por Lenz en 1834 y se conoce como ley de Lenz: el sentido de la corriente inducida es tal que se opone a la causa que la produce. Al acercar el polo norte de un imán a una espira, se incrementa el flujo a través de la espira. Según la ley de Lenz, el sentido de la corriente inducida en la espira se opone a este incremento.

Ley de Faraday

Un campo magnético variable induce una corriente eléctrica en un circuito. Esto es conocido como inducción electromagnética, que es formulada por la ley matemática de Faraday. Al experimentar, vemos que la fuerza electromotriz inducida es proporcional a la variación de flujo magnético ∆Φ e inversamente proporcional al tiempo usado en la variación ∆t. Por lo tanto, se deduce que la fuerza electromotriz vale:

ε = -(∆Φ/∆t).

El signo negativo en la fórmula nos dice que la fuerza electromotriz se opone a la variación del flujo magnético (ley de Lenz). Para un intervalo de tiempo infinitesimal, la fuerza electromotriz instantánea viene dada por la ley de Faraday:

ε = -(dΦ/dt).

Se puede calcular la intensidad de corriente inducida en un circuito si conocemos la resistencia eléctrica y la fuerza electromotriz inducida. Se aplica la Ley de Ohm:

I = ε/R.

Aplicaciones de la Inducción Electromagnética

Gracias a la inducción electromagnética, una cantidad grande de trabajo mecánico puede transformarse de forma económica en energía eléctrica.

Generadores Eléctricos:

La energía eléctrica es fundamental en nuestras vidas. Para producirla, usamos generadores eléctricos (es cualquier dispositivo que transforma una determinada forma de energía en energía eléctrica). Si produce una corriente eléctrica continua, se llama dinamo y si es alterna, alternador.

Alternador

Consiste en una espira plana que se hace girar mecánicamente a una velocidad angular ω constante en un campo magnético uniforme B creado por imanes permanentes.

Dinamo

Es una espira plana que se hace girar entre los polos de un imán, de modo que la variación del flujo magnético que atraviesa la espira genera una corriente inducida. Los extremos de la espira están conectados a dos semianillos apoyados sobre dos escobillas; a cada media vuelta de la espira, los semianillos cambian de escobilla y la corriente en el circuito externo circula siempre en el mismo sentido.

Motor Eléctrico

Un receptor eléctrico es cualquier dispositivo que transforma energía eléctrica en otras formas de energía. Si transforma la energía eléctrica en trabajo mecánico, se llama motor eléctrico (es una espira plana por la que circula una corriente eléctrica situada entre polos de un imán. El campo magnético del imán ejerce fuerzas sobre la espira y la hacen girar, generando así trabajo mecánico).

Producción de Energía Eléctrica

Ventajas de la Energía Eléctrica:

1. Es fácil de convertir en otras formas de energía.
2. Tenemos acceso inmediato a la energía eléctrica en nuestras casas.
3. Puede ser transportada con eficacia y seguridad a largas distancias.
4. No contamina ni produce residuos.

Centrales Eléctricas

• Hidroelectricas: turbinas movidas por el agua que cae desde un desnivel.
• Térmicas: turbinas movidas por vapor. El calor se obtiene de la combustión de materiales fósiles.
• Nucleares: turbinas movidas por vapor. El calor se obtiene de fisión nuclear.
• Eólicas: turbinas accionadas por aspas de un molino que mueve el viento.
• Solares: se obtiene mediante células fotovoltaicas que generan electricidad al ser iluminadas por el sol.
• Geotérmicas: se mueven con el vapor generado por el calentamiento de una caldera con calor procedente del interior de la tierra.