Em fenômenos do eletromagnetismo, as partículas eletrizadas em aceleração produzem ondas eletromagnéticas, uma espécie de energia que irradia. Essa radiação emitida pelos corpos em razão da agitação térmica de seus átomos denomina-se radiação térmica.
Quando um corpo encontra-se em equilíbrio térmico com um ambiente, ele tanto emite quanto absorve a mesma quantidade de energia a cada instante. Esse tipo de corpo, hipotético, foi idealizado como referência para uma situação de equilíbrio termodinâmico perfeito – algo inexistente na natureza. Esse corpo ideal – que absorve e emite energia sob a mesma taxa – é denominado um corpo negro. Daí surgiu o nome radiação do corpo negro.
Essa radiação emitida pelo corpo negro ideal não depende da direção, ou seja, é isotrópica e também é feita em todas as possíveis frequências. Grandes físicos dos séculos XIX e XX, entre eles Gustav Kirchoff, Max Plank e Albert Einstein, desenvolveram e utilizaram a ideia da radiação do corpo negro para explicar fenômenos planetários e astronômicos, e ao mesmo tempo partículas subatômicas e seu comportamento.
Para um corpo negro ideal, a intensidade I da radiação eletromagnética emitida por ele é dada por:
I = σ T4
Nessa equação, conhecida como lei de Stefan-Boltzmann, temos então:
- 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)
Segundo a equação, corpos que possuem maior temperatura emitem mais energia por área do que aqueles de menor temperatura. O Sol, assim como as demais estrelas, emite centenas de milhares de vezes mais energia do que a Terra e outros planetas. O corpo negro, por sua vez, possui refletividade nula (r = 0) e emissividade máxima (e = 1).
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, passando pelo amarelo, azulado e assim por diante. 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. Isso porque, apesar de vermos a estrela em determinada cor ou cores, a radiação que captamos visualmente é emitida e não refletida. Ela apresenta uma radiação que permite aos astrônomos deduzir sua temperatura com base nas emissões. A cor apresentada por uma estrela é decorrente da temperatura em sua superfície ou coroa.
Lâmpada de tungstênio
As lâmpadas de tungstênio, as de filamento, podem ser utilizadas em experimentos de corpo negro, por apresentar um comportamento ligeiramente próximo do ideal. Nelas é possível medir a temperatura por meio da análise da radiação emitida, com o uso de instrumentos chamados pirômetros ópticos.
Lei Wien
Quando um corpo negro está em equilíbrio a uma determinada temperatura T, ele emite radiação em diversos comprimentos de onda. A intensidade da radiação de cada um desses comprimentos de onda varia. Se tomamos o comprimento de onda com emissão mais intensa, e o multiplicarmos pela temperatura T, atingimos uma constante. Essa característica é conhecida como lei de Wien, que venceu o Prêmio Nobel de Física em 1911.
Na demonstração matemática da lei, 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, como consequência matemática da própria lei. As aplicações da Lei de Wien são diversas – passando obviamente pela medição da temperatura de estrelas distantes, mas também incluindo o diagnóstico de tumores malignos, por meio da medição da temperatura em pontos distintos do corpo humano.
Referências:
- CHESMAN, Carlos; ANDRÉ, Carlos; MACÊDO, Augusto. Física moderna experimental e aplicada. 1. ed. São Paulo: Livraria da Física, 2004
Por: Carlos Artur Matos
