O que é o Blackbody?

15/4/2014 Corpo Negro com Arduino

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O que é um Corpo Negro?

Um dos capítulos mais intrigantes da Física é o destinado ao estudo do espectro de um corpo negro.

Foi através do estudo deste espectro que nasceu a mecânica quântica. O corpo negro apresenta um

espectro continuo e universal dependendo apenas da temperatura. É fácil compreender porque ele

apresenta um espectro continuo e universal, se considerarmos a definição que normalmente atribuímos a

“cor” de um corpo. Quando dizemos que um corpo é vermelho, estamos querendo dizer que este corpo

absorve toda a radiação incidente sobre ele exceto o vermelho. Um corpo é branco aquele que reflete

toda radiação incidente, assim um corpo negro absorve toda radiação incidente sobre ele. Ou seja, é um

absorvedor ideal ou ainda um emissor perfeito. Dizemos que o seu coeficiente de emissividade é igual a 1.

Um exemplo de corpo negro ideal é uma cavidade ou um buraco, na cavidade não há o que ser

refletido, tudo que incide na cavidade é absorvido. Uma analogia interessante que se pode fazer é a “toca”

portátil do coelho Pernalonga. Neste desenho animado, para aqueles que se recordam dele, o astuto

coelho quando se encontra em perigo lançava ao chão a abertura de sua toca e se abria um buraco através

do qual ele desaparecia!!

Fig.01:Toca do Pernalonga! Buraco ou cavidade é um corpo negro ideal

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Fig.01:Toca do Pernalonga! Buraco ou cavidade é um corpo negro ideal

Para se construir um corpo negro em laboratório, utiliza-se um forno com uma pequena cavidade. O

forno é então aquecido e para manter sua temperatura constante a radiação atravessa a cavidade onde

sensores são dispostos para a análise do seu espectro. A radiação fica confinada no interior do forno

sendo refletida pelas paredes, gerando ondas estacionarias.

Fig.02: Radiação confinada no interior do forno, sendo refletida pelas paredes, gerando ondas estacionarias. http://www.rc.unesp.br/igce/fisica/plank.htm

A fig.03 fornece alguns espectros observados para um corpo negro em diferentes temperaturas:

Fig.03: Espectros para um corpo negro em diferentes temperaturas http://fisica.fe.up.pt/fisica12/parte3.html

Lei de Stefn-Boltzmann e Lei de Wien

A partir da observação espectral duas leis empíricas foram evidenciadas:

1. Observa-se que a área total da curva que corresponde à intensidade total da radiação emitida, é

proporcional a T4. Esta é a Lei de Stefan-Boltzmann e mais precisamente temos que:

Intensidade total= sT4

s=5,67 x 10–8 W/m2K4

2. Observa-se que o ponto de intensidade máxima na curva desloca-se para comprimentos de ondas

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menores com o aumento de temperatura. Esta é a Lei de Wien,temos que;

lmaxT=2.898·10-3 m·K

Nas figuras a seguir mostramos três temperaturas diferentes para um corpo negro utilizando um

simulador disponível no link http://fisicamodernaexperimental.blogspot.com/2009/04/radiacao-do-corpo-negro-maisum.

html

Fig. 04: espectro de um corpo negro para temperatura igual a aproximadamente 10500K

http://jersey.uoregon.edu/vlab/PlankRadiationFormula/index.html

Fig.05. Espectro de um corpo negro para uma temperatura igual a cerca de 5500K (próxima a temperatura

do Sol) http://jersey.uoregon.edu/vlab/PlankRadiationFormula/index.html

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Fig.05. Espectro de um corpo negro para uma temperatura igual a cerca de 7700K

http://jersey.uoregon.edu/vlab/PlankRadiationFormula/index.html

Lâmpada de Filamento

Em geral podemos estudar a lei de Stefan-Boltzmann e a Lei de Wien a partir de uma lâmpada de

filamento. Um filamento pode ser utilizado por ser considerado como um corpo cinza. O texto retirado de

um artigo publicado na Revista Brasileira de Ensino de Física (Cavalcante &Haag, 2005) explica o que se

entende por um corpo cinza:

“Em geral os corpos reais não são perfeitos absorvedores da radiação, portanto a intensidade

espectral I(l,T) é dada por:

Onde o fator e(l,T) é chamado emissividade espectral (ou simplesmente emissividade) e ICN

corresponde a potência emitida pelo corpo negro, por unidade de área, por unidade de comprimento de

onda, em um intervalo de comprimento de onda dl em torno de l.

A emissividade espectral e(l,T), quase sempre é uma função do comprimento de onda e da

temperatura e tem valores no intervalo de 0 (para um refletor perfeito) a