Radiômetros - o que são radiômetros; tipos de Radiômetros; Crooke; Nicholson;

1. RADIÔMETROS
Um radiômetro consiste num dispositivo utilizado para medir a energia das radiações e que
atualmente se compõe de um bolômetro ou um par termoelétrico (termopar). O primeiro,
denominado tubo de Crookes, criado pelo físico e químico inglês Sir William Crookes (1832-
1919), era constituído por uma ampola na qual se tinha estabelecido o vácuo e em cujo
interior se encontrava suspenso um molinete de quatro pás planas. As superfícies destas pás
eram pintadas de preto num dos lados e de branco no outro. Quando a radiação incide sobre
elas, a face negra aquece mais do que a branca, fazendo com que as moléculas de ar nela
refletidas comuniquem uma maior reação do que sobre a branca, o que provoca uma rotação.
TIPOS DE RADIÔMETROS
Radiômetro de Crookes
O Radiômetro de Crookes, também conhecido como 'light mill' ('moinho de luz',
numa tradução literal) ou 'solar engine' ('motor solar', numa tradução literal), consiste de um
vidro vedado contendo vácuo parcial. Dentro do vidro, há uma série de hélices que são
montadas em um eixo. As hélices rodam durante o período em que expostas à luz. A
explicação da rotação já foi amplamente debatida no meio científico.
Foi inventado em 1873 pelo químico Sir William Crookes como subproduto de outras
pesquisas na área de química . Durante um trabalho de química quantitativa, ele pesava
amostras numa câmara com vácuo parcial para reduzir os efeitos das correntes de ar, e de
igual maneira percebeu que os pesos eram alterados durante o período em que a luz solar
incidia na balança. Investigando este efeito, ele criou o dispositivo que levou seu nome. É
fabricado e de igual maneira vendido nos dias de hoje como um item curioso.
Radiômetro de Crookes

2. Princípio de funcionamento
O radiômetro é feito de um bulbo de vidro do qual é removido a maior parte do ar,
formando vácuo parcial. Dentro do bulbo, em um eixo de pouco atrito, está um rotor com
várias (normalmente quatro) levíssimas hélices de metal igualmente espaçadas ao redor do
eixo. As hélices são polidas ou brancas de um lado e de igual maneira pretas do outro.
Durante o período em que expostas à luz solar, luz artificial ou radiação infravermelha (até
mesmo o calor de uma mão igualmente nas proximidades pode ser o suficiente), as hélices
giram sem força motriz aparente, com os lados claros avançando para a fonte de radiação.
O resfriamento do radiômetro causa rotação em sentido contrário.
O efeito começa a ser perceptível em pressões de vácuo parcial da ordem de
poucos milímetros de mercúrio (torr), atinge um pico ao redor de 10-2 torr e de
igual maneira desaparece durante o período em que o vácuo atinge 10-6 torr. Nesses vácuos
extremos, o efeito da pressão de radiação do fóton igualmente nas hélices pode
ser percebido em aparelhos sensíveis, mas este efeito é insuficiente para causar rotação.
Apesar de possuir o elemento lingüístico "-metro" (radiômetro), um radiômetro não
pode ser utilizado, por si só, para obter nenhuma medida. Um instrumento que meça a sua
rotação pode, no entanto, ser obtido usando um disco girante, que funciona como um
estroboscópio simples. A luz de um estroboscópio óptico alteraria a medida.
Radiômetros de Crookes são vendidos usualmente ao redor do mundo como um
ornamento doméstico, sem necessidade de pilhas, funcionando apenas com luz, sendo que,
luz forte é capaz de fazê-lo girar rapidamente. Há várias formas de radiômetros e de igual
maneira também são freqüentemente vistos em museus científicos para ilustrar a energia da
luz e de igual maneira do calor.

3. Explicação termodinâmica (movimento por fonte de radiação externa)
Para que qualquer máquina térmica funcione, deve haver uma diferença de
temperatura. Neste caso, o lado escuro da hélice é mais quente que o outro lado, uma vez que,
a energia radiante da fonte de luz aquece o lado negro por absorção do corpo negro mais
rapidamente que o lado metálico ou branco. As moléculas internas de ar são "aquecidas"
(apresentam um aumento de velocidade) durante o período em que tocam o lado escuro da
hélice.
A temperatura interna aumenta conforme o lado negro das hélices fornece calor para
as moléculas do vácuo parcial, mas elas são resfriadas novamente durante o período em que
atingem a superfície de vidro, que está à temperatura ambiente. A perda de calor através do
vidro mantém a temperatura interna controlada, de modo que, os dois lados da hélice podem
manter uma diferença de temperatura. O lado branco ou metálico das hélices é
levemente mais quente que o ar interno, mas mais frio que os lados negros
das hélices, pois uma parte de calor é conduzida através da hélice do lado negro. Os dois
lados de cada hélice devem permanecer termicamente isolados até certo grau para que o lado
metálico ou branco não atinja a temperatura do lado negro imediatamente. Se as hélices são
feitas de metal, a própria tinta branca ou negra pode servir como isolante. O vidro
permanece mais perto da temperatura ambiente que o lado negro das hélices. A
maior pressão externa de ar facilita a remoção do calor do vidro.
Um vácuo forte dentro do bulbo não causa movimento porque não há moléculas de ar
suficientes para causar correntes de ar que movimentam as hélices e de igual maneira
transferir o calor para o exterior antes que os dois lados de cada hélice atinjam o equilíbrio
térmico através de condução pelo material da hélice. Pressões interiores maiores não causam
movimento porque as diferenças de temperatura não são suficientes para mover a maior
concentração de ar. Há toneladas de resistência do ar para a ocorrência das correntes de ar. O
leve movimento do ar causado pela diferença de temperatura é bloqueado pela maior pressão
antes que o efeito se espalhe para o outro lado.

4. Movimento sem fonte externa de radiação
Quando o radiômetro é aquecido na ausência de uma fonte de luz, ele gira para
frente (ou seja, com o lado negro avançando). Você pode colocar suas mãos próximas,
porém sem tocar o vidro e de igual maneira ele também virará vagarosamente, ou quase nada,
mas, se você tocar o vidro para aquecê-lo mais rapidamente, ele girará mais
perceptivelmente. O vidro, aquecido diretamente, fornece radiação infravermelha o
suficiente para virar as hélices, mas, se as mãos não tocam o vidro, ele bloqueia boa parte
das radiações infravermelhas largas. As radiações infravermelhas curtas e de
igual maneira a luz visível penetram no vidro mais facilmente.
Se você resfriar o vidro rapidamente na ausência de uma fonte de luz forte colocando
gelo no vidro, ele gira para trás (ou seja, com o lado branco / metálico avançando). Isso
demonstra a radiação do corpo negro a partir também dos lados escuros das hélices, ao invés
da absorção do corpo negro. Ele gira para trás porque o lado negro emite mais calor
e de igual maneira se resfria mais rapidamente do que o outro lado.
A rotação dura apenas enquanto a temperatura do vidro cresce ou decresce rápido o
suficiente para superar o atrito no eixo e de igual maneira mais rapidamente que a condução
térmica através das hélices, que causa o equilíbrio térmico dos dois lados de cada hélice.
Explicações para a força igualmente nas hélices
Crookes sugeriu, incorretamente, que a força era devida à pressão de radiação da
luz. Essa teoria era originalmente apoiada por James Clerk Maxwell, que havia previsto essa
força. Essa explicação é vista freqüentemente em panfletos que acompanham o aparelho. O
primeiro experimento que derrubou essa teoria foi o de Arthut Schuster em 1876, que
observou que havia uma força no bulbo de vidro do radiômetro de Crookes a qual era na
direção contrária à de rotação das hélices. Isso mostrou que a força movendo as hélices era
gerada dentro do radiômetro. Se a pressão da luz era a causa da rotação, então, quanto melhor
o vácuo no bulbo, menor a resistência do ar ao movimento, e de igual maneira mais rápido as
hélices girariam. Em 1901, com uma bomba de vácuo melhor, Pyotr Lebedev mostrou que,
na verdade, o radiômetro só funciona durante o período em que há gás em baixa pressão no

5. bulbo, e de igual maneira as hélices permanecem sem movimento em vácuos melhores.
Finalmente, se a pressão da luz fosse a força motriz, o radiômetro giraria no sentido contrário,
já que os fótons refletidos no lado claro depositariam mais momento que no lado escuro, onde
os fótons são absorvidos. A verdadeira pressão exercida pela luz, apesar de existente (e pode
ser medida com aparelhos como o radiômetro de Nichols ), é pequena para mover as hélices.
Outra teoria incorreta era que o calor no lado escuro causava a emissão
de gases do material, o que gerava o movimento. Esta teoria foi derrubada
tanto pelos experimentos de Schuster e também pelos de Lebedev.
Uma explicação parcial é que as moléculas de gás que atingem o lado mais quente
da hélice vão absorver parte do calor, ou seja, vão sair da hélice com um acréscimo de
velocidade. Esse acréscimo de velocidade significa um acréscimo de pressão exercida
sobre a hélice. O resultado desse efeito entre o lado escuro, mais quente, e de igual
maneira o lado claro, mais frio, é uma pressão equivalente a um empurrão no lado
escuro e, como resultado, as hélices giram, com o lado escuro avançando. O
problema com essa idéia é que as moléculas que se movem mais rapidamente
produzem mais força, mas também são mais eficazes em diminuir a velocidade
de outras moléculas e de igual maneira impedir que elas atinjam as hélices;
logo, a força deveria ser a mesma - a temperatura maior causa um decréscimo
na densidade local que resulta na mesma força dos dois lados. Anos depois
que essa explicação tinha sido descartada, Albert Einstein mostrou que
as duas pressões não se cancelam exatamente nas extremidade igualmente nas hélices
por causa da diferença de temperatura. A força predita por Einstein seria
suficiente para mover as hélices, mas não rápido o suficiente.
A última peça do quebra-cabeças, transpiração térmica, foi teorizada por Osborne
Reynolds, mas publicada apenas por James Clerk Maxwell no seu último artigo antes de sua
morte em 1879. Reynolds descobriu que, se um prato poroso é mantido mais quente de
um lado que do outro, as interações entre as moléculas de gás e de igual
maneira o prato são tais que o gás fluirá através dos poros do lado mais frio para o
lado mais quente. As hélices de um radiômetro de Crookes típico não são porosas, mas
o espaço entre suas extremidades age como os poros do prato de Reynolds. Em média, as
moléculas movem-se do lado frio para o lado quente durante o período em que a razão da

6. pressão é menor que a raiz quadrada da razão da temperatura absoluta. A diferença de
pressão causa o movimento da hélice com o lado frio (branco) para frente.
Ambas as explicações, de Einstein e de igual maneira de Reynolds, parecem causar
o movimento do radiômetro de Crookes, apesar de não estar claro qual das duas é
predominante.
Radiômetro de Nichols
O radiômetro de Nichols é um aparelho usado por Nichols e Hull em 1901 para medir
a pressão da radiação. Ele consiste em um par de pequenos espelhos prateados suspensos de
maneira que a parte superior balance por uma fina fibra de quartzo dentro de um interior na
qual a pressão do ar poderia ser regulada. A parte superior na qual a fibra estava anexada
poderia ser girada pela lado de fora por um imã. Um raio de luz era direcionado primeiro em
um espelho e então para o outro, e a deflexão oposta observada com espelho e escala.
Virando o sistema de espelhos a fim de receber luz no lado não prateado, a influencia do ar
no interior poderia ser determinada. Esta influencia foi encontrada para ser um mínimo, e
para ter um valor quase negligenciável, para uma pressão de ar em torno de 16mm de
mercúrio. A energia radiante do raio incidente foi deduzida de seu efeito de aquecimento
sobre um pequeno disco de prateado escurecido, o qual era tido para ser mais confiável que o
bolômetro quando usado pela primeira vez. Com esse aparelho os experimentadores foram
capazes de obter uma junção entre radiação computada e observada entre 0.6 de 1%.
Radiômetro UV Hazard
Mede a radiação UV – perigosa à saúde humana
É um sistema radiométrico portátil que mede todos os tipos de lâmpadas UVA,
UVB e UVC, visando detectar vazamento ao ambiente que possa gerar risco à saúde
humana. O radiômetro "UV Hazard" é um instrumento manual que além de medições de
campo de radiação UV, mede também os seguintes raios considerados, internacionalmente
como prejudiciais à saúde: "blue-light" e infravermelho.

7. É auto-programável e possui um detector de ofuscamento solar e um filtro de filme
fino que precisamente combina o espectro da ação do UVA, UVB e UVC.
Rejeitando totalmente a radiação fora da faixa de < 1 parte em 10,000, o radiômetro
"UV Hazard" IL1430 fornece leituras instantâneas em mj/cm2 até J/cm2 ou em m w/cm2 até
mw/cm2 em um mostruário LCD (conforme figura abaixo – radiômetro UV Hazard) e pode
integrar doses a cada comprimento de onda para obter a dose média/hora e o total de
doses/dia.
Radiômetro UV Hazard
Os radiômetros operam essencialmente segundo a lei de Stefan-Boltzmann. São os
sistemas mais simples, neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um
detector do tipo termopilha ou do tipo semicondutor nos mais modernos, onde gera um sinal
elétrico no caso da termopilha ou altera o sinal elétrico no caso do semicondutor.
Como não possuem mecanismo de varredura próprio, o deslocamento do campo de
visão instantâneo é realizado pela movimentação do instrumento como um todo. Os
radiômetros são em geral portáteis, mas podem ser empregados também no controle de
processos a partir de montagens mecânicas fixas ou móveis.