Física

Radiação do Corpo Negro

No eletromagnetismo, as partículas eletrizadas em movimento acelerado produzem ondas eletromagnéticas, que são uma espécie de energia radiante. A radiação emitida por corpos devido à agitação térmica de seus átomos denomina-se radiação térmica.

Um corpo em equilíbrio térmico com o ambiente emite e absorve a mesma quantidade de energia a cada segundo. Assim, um bom emissor de energia radiante que esteja em equilíbrio térmico com o ambiente também é um bom absorvedor. Caso esse absorvedor seja ideal — 100% —, e esteja em equilíbrio térmico com o ambiente, diz-se que é um corpo negro. Daí surgiu o nome radiação do corpo negro.

Um corpo negro ideal absorve toda a radiação eletromagnética que incide nele, não refletindo nada. Se ele está em equilíbrio com o ambiente, a quantidade de energia emitida por segundo é absorvida na mesma proporção.

Essa radiação emitida pelo corpo negro ideal não depende da direção, ou seja, é isotrópica e também é feita em todas as possíveis frequências.

Para um corpo negro ideal, a intensidade I da radiação eletromagnética emitida por ele é dada por:

I = σ T4

Conhecida como lei de Stefan-Boltzmann.

Nessa equação:

  • I: intensidade da radiação emitida. Ela é dada pela potência P da radiação por unidade de área A: I = P/A (W/m2); já a potência P é dada pela energia por segundo, conforme definido em mecânica: P = E/∆t
  • σ: constante de Stefan-Boltzmann, cujo valor é σ = 5,67 · 10–8 W · m–2K–4
  • T: temperatura absoluta na escala Kelvin (K)

Desse modo, corpos com maior temperatura emitem mais energia total por unidade de área que aqueles com menor temperatura. O Sol, com temperatura de aproximadamente 6000 K em sua superfície, emite centenas de milhares de vezes mais energia que a Terra, com temperatura média de aproximadamente 288 K na superfície.

Corpos com temperatura superior ao zero absoluto (T > 0 K) emitem radiação em todos os comprimentos de onda produzida pelo movimento acelerado das cargas elétricas. Quando a temperatura é de aproximadamente 600 °C, o corpo começa a emitir radiação mais intensamente na frequência do vermelho e, à medida que a temperatura aumenta, a radiação vai passando para comprimentos de onda menores. É por isso que ao esquentar um pedaço de carvão ele começa a ficar avermelhado.

Exemplos de radiação do corpo negro

Estrela

Uma estrela, com boa aproximação, pode ser descrita matematicamente como um corpo negro ideal. Ela apresenta uma radiação que permite aos astrônomos deduzir sua temperatura com base na radiação emitida.

Mediante a análise do fenômeno da radiação dos corpos negros, compreende-se a variação de cores das estrelas, sabendo que esse fator é consequência direta das temperaturas na sua superfície.

A estrela é um exemplo de corpo negro.

Lâmpada de tungstênio

Utilizada em experimentos de corpo negro, por apresentar comportamento próximo ao ideal, a ponto de servir como padrão para utilização de instrumentos que medem temperatura a partir da análise da radiação emitida pelo corpo. Tais instrumentos são conhecidos como pirômetros ópticos.

A lâmpada de tungstênio é um exemplo de corpo negro.

Lei Wien

Quando um corpo negro está em equilíbrio a uma temperatura T, ele emite radiação em diversos comprimentos de onda, sendo que a intensidade da radiação de cada comprimento de onda é diferente. O comprimento de onda que é emitido mais intensamente pelo corpo multiplicado pela sua temperatura T é uma constante. Essa característica é conhecida como lei de Wien — laureada com o Prêmio Nobel de Física em 1911.

De acordo com essa lei, a radiação solar mais intensa concentra-se nas partes visíveis e infravermelhas próximas; a radiação emitida pela Terra e sua atmosfera estão basicamente restritas ao infravermelho.

O comprimento de onda para o qual a distribuição apresenta um máximo (λMAX) é inversamente proporcional à temperatura absoluta.

λMAX · T = 2,9 · 10–3 m · K (lei de Wien)

Quanto maior a temperatura absoluta do corpo radiante, menor o comprimento de onda da máxima radiação.

A lei de Wien pode ser utilizada para, por exemplo, medir temperatura das estrelas, medicina diagnóstica de tumores maligno mediante medição de temperaturas em diferentes regiões internas do corpo humano etc.

Referência

CHESMAN, Carlos; ANDRÉ, Carlos; MACÊDO, Augusto. Física moderna experimental e aplicada. 1. ed. São Paulo: Livraria da Física, 2004

Por: Wilson Teixeira Moutinho

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