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Tecnicas de fisica experimental Volumen 2 J Strong

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ÍNDICE DEL TOMO II
VIII. PILAS TERMOELÉCTRICAS EN VACÍO Y MEDICIÓN DE LA
ENERGÍA RADIANTE 285
Construcción y evacuación de una pila termoeléctrica, 289. Alambres para las uniones térmicas, 290. Construcción de uniones, 292. Otros métodos para construir pilas termoeléc-tricas, 297. Empleo de pilas termoeléctricas sensibles, 300. Pilas termoeléctricas compensadas, 301. Aparatos auxiliares, 302. Relevadores, 303. Construcción de termouniones por evapo-ración y por proyección catódica, 305. Consideraciones sobre el diseño de una pila termoeléctrica, 309. Sensibilidad y ener¬gía mínima detectables, 312. Resumen sobre diseños de pilas termoeléctricas, 313.
IX. ÓPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMEN
TOS ÓPTICOS 316
Divisiones del espectro, 316. Fuentes luminosas, 316. Filtros para el ultravioleta, 335. Polarización del ultravioleta, 337. El infrarrojo, 338. Prismas, ventanas, lentes y espejos para el infrarrojo, 339. Reflexión de cristales. Rayos residuales, 340. Absorbentes especiales para el infrarrojo cercano, 343. Espectro visible, 345. El filtro de Christiansen, 345. Reflexión en meta-les, 348. Monocromadores, 349. Polarización, 355. Aplicacio¬nes de la luz polarizada en ingeniería, 358. Láminas de un cuarto de onda, media onda y onda completa, 359. Clivaje de la mica, 361. Calibres de mica, 361. Aumento de las lentes, 362. Otras propiedades de las lentes, 363. Propiedades de los espejos, 364. Propiedades de los prismas, 364.
X. CÉLULAS FOTOELÉCTRICAS Y AMPLIFICADORES 367
Introducción, 367. Comparación de límites de detección, 367. Tipo de células, 370. Características de las células del tipo de emisión, 370. Fabricación de células, 376. Células de vacío y células con gas, 376. Células fotovoltaicas, 378. Ampliación de corrientes fotoeléctricas, 380. Amplificadores de corriente con-tinua, 381. Detalles experimentales, 392. Otras válvulas de corriente de grilla pequeña, 394. Amplificadores de corriente continua y ganancia alta, 396. Amplificadores de corriente alterna, 397. Ruidos por fluctuaciones. en circuitos con vál¬vulas electrónicas, 401. Aplicaciones de las células fotoeléc¬tricas, 404. Observaciones generales sobre fotometría fotoeléc¬trica, 404. Espectrofotometría, 405. Densitómetros, 407. Amplficación de desviaciones pequeñas en un galvanómetro, 409. Thyratron, 410.
XI. LA FOTOGRAFÍA EN EL LABORATORIO 414
Comparación de la sensibilidad del ojo con la de la emulsión, 414. Curvas de Hurter y Driffield, 416. Ley de reciprocidad, 419. Poder resolvente, 421. Fuentes luminosas, 421. Filtros, 423. Enfoque, 424. Sensibilización, 426. Corrimiento de la gela¬tina, 428. Exposición, 429. Revelado, 432. Revelado con tiempo y temperatura, 434. Revelado en cubeta, 436. Desensibilización, 438. Fijado, 438. Lavado y secado, 439. Papel para imprimir y ampliar, 442. Intensiíicadores y reductores, 446. Algunas aplicaciones de la fotografía, 447. Fotometría fotográfica, 449.
XII. CALOR Y ALTA TEMPERATURA 453
Conducción de

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Tecnicas de fisica experimental Volumen 2 J Strong

  1. 1. ••.-~enoz111:)1111a~~-~-••1i•:1~• }ohn Strongi• y ~6oradores TI!CNICAS DllPI SI CA IIXPIERI M liNTAL Tomoll
  2. 2. MANUMIS DE EUDEBA 1 FISICA
  3. 3. Técnicas de física experimental JOHN STRONG en colaboración con H. VICTOR NEHER, ALBERT E. WHITFORD,C. HAWLEY CARTVRIGHT y ROGER HAYWARD Ilustrado por RooER HAYWARD Tomo 11EUDEBA EDITORIAL UNIVERSITARIA DE BUENOS AIRES
  4. 4. Título de la obra original:Procedures in Experimental PhysicsEnglewood Cliffs, Nueva Jersey, Prentíce Hall, Inc., 1938Traducida de la decimonovena reimpresi6n, 1956, porRAQUEL T. DE GoLDSCHVARTZ yJ. M. GoLDSCHVARTZLa revisi6n técnica estuvo a cargo del doctorMorsÉs SAMETBAND,profesor de la Universidad de Buenos Aires© 1965EDITORIAL UNIVERSITARIA DE BUENOS AIRES - Viamonte 640Fundada por la Universidad de Buenos AiresHecho el depósito de leyIMPRESO EN LA ARGENTIIU - PRINTED IN ARGENTINA
  5. 5. INDICE DEL TOMO 11 VIII. PILAS TERMOEL~CTRICAS EN V ACtO Y MEDICióN DE LA ENERGíA RADIANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Construcción y evacuación de una pila termoeléctrica, 289. Alambres para las uniones térmicas, 290. Construcción de uniones, 292. Otros métodos para construir pilas termoeléc- tricas, 297. Empleo de pilas termoeléctricas sensibles, 300. Pilas termoeléctricas compensadas, 301. Aparatos auxiliares, 302. Relevadores, 303. Construcción de termouniones por evapo- ración y por proyección catódica, 305. Consideraciones sobre el diseño de una pila termoeléctrica, 309. Sensibilidad y ener- gía mínima detectables, 312. Resumen sobre diseños de pilas termoeléctricas, 313. IX. óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMEN- TOS óPTICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Divisiones del espectro, 316. Fuentes luminosas, 316. Filtros para el ultravioleta, 335. Polarización del ultravioleta, 337. El infrarrojo, 338. Prismas, ventanas, lentes y espejos para el infrarrojo, 339. Reflexión de cristales. Rayos residuales, 340. Absorbentes especiales para el infrarrojo cercano, 343. Espectro visible, 345. El filtro de Christiansen, 345. Reflexión en meta- les, 348. Monocromadores, 349. Polarización, 355. Aplicacio- nes de la luz polarizada en ingeniería, 358. Láminas de un cuarto de onda, media onda y onda completa, 359. Clivaje de la mica, 361. Calibres de mica, 361. Aumento de las lentes, 362. Otras propiedades de las lentes, 363. Propiedades de los espejos, 364. Propiedades de los prismas, 364. X. ct.:LULAS FOTOEUCTRICAS Y AMPLIFICADORES 3fYT Introducción, 367. Comparación de límites de detección, 367. Tipo de células. 370. Características de las células del tipo de emisión, 370. Fabricación de células, 376. Células de vacío y células con gas, 376. Células fotovoltaicas, 378. Ampliación de corrientes fotoeléctricas, 380. Amplificadores de corriente con- tinua, 381. Detalles experimentales, 392. Otras válvulas de corriente de grilla pequeña, 394. Amplificadores de corriente continua y ganancia alta, 396. Amplificadores de corriente alterna, 397. Ruidos por fluctuaciones. en circuitos con vál- vulas electrónicas, 401. Aplicaciones de las células fotoeléc- tricas, 404. Observaciones generales sobre fotometría fotoeléc- trica, 404. Espectrofotometría, 405. Densitómetros, 407. Ampli- VII
  6. 6. TÉCNICAS DE F"ÍSICA EXPERIMENTAL ficación de desviaciones pequeñas en un galvanómetro, 409. Thyratron, 410. XI. LA FOTOGRAFlA EN EL LABORATORIO 414 Comparación de la sensibilidad del ojo con la de la emulsión, 414. Curvas de Hurter y Driffield, 416. Ley de reciprocidad, 419. Poder resolvente, 421. Fuentes luminosas, 421. Filtros, 423. Enfoque, 424. Sensibilización, 426. Corrimiento de la gela- tina, 428. Exposición, 429. Revelado, 432. Revelado con tiempo y temperatura, 434. Revelado en cubeta, 436. Desensibilización, 438. Fijado, 438. Lavado y secado, 439. Papel para imprimir y ampliar, 442. Intensificadores y reductores, 446. Algunas aplicaciones de la fotografía, 447. Fotometría fotográfica, 449. XII. CALOR Y ALTA TEMPERATURA .. . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . 453 Conducción del calor. Estado estacionario, 453. Transmisión del calor por convección libre, 464. Transmisión del calor por radiación, 465. Métodos para obtener altas temperaturas, 469. Temperaturas fijas, 481. Dispositivos termostáticos, 482. Medi- ción de temperaturas, 486. XIII. NOTAS ACERCA DE MATERIALES DE INVESTIGACióN . . . . 489 Metales alcalinos, 489. Metales alcalinoférreos, 496. Mercurio, 497. Metales de la familia del platino, 498. Los metales refrac- tarios: tun¡• .>teno, molibdeno, tantalio, etc., 500. Aleaciones, 502. Madera, 505. Ceras y cementos, 509. Lubricación, 517. XIV. NOTAS SOBRE CONSTRUCCióN Y DISE:flO DE INSTRUMEN- TOS Y APARA TOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . !522 Corte de metales, 522. El torno, 524. Soldadura blanda, 529. Soldadura dura, 530. Soldadura por puntos, 532. XV. MOLDEO Y FUNDICióN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543 · El método de la cera perdida, 543. Modelos para el moldeo en arena, 549. Moldeo en sustancias calizas, 570.INDICE ALFABI!:TICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . • • 571VIII
  7. 7. PILAS TERMOELÉCTRICAS EN YACIO YMEDICióN DE LA ENERGiA RADIANTEPor C. HAWLEY CARTWRIGHT y JoHN STRONG Un instrumento radiométrico consiste en un receptor ennegrecido,calrntado por la fIwrg-ía radi<llltr qnr sr drsea mfdir-. El instrumentova provisto de un mrdio físico para medir el aumento de temperaturaen rl recrptor, producido por la energía radiante. En medicionesmuy dflicadas, fl dispositivo dfbe responder a un aumento de tem-peratnra ull ordPn !lP nttos millon(·Rimos de grado. Si lo comparamos con cualquiera de los otros métodos para medirla intensidad dr la luz, Pste instrumento radiométrico se caracterizapor la forma dirflta y simplt> rn que la respuesta depende de laintensidad dP la luz. La rrhwión rntre rstas dos magnitudes es lineal.Asimismo. Pl ÍIIstrumrnto ~f d istingur por tenrr la misma sensibilidadpara todas las longitudrs dr onda. Si querrmos mrdir la intemidad de la rnergía radiante para lon-gitndrs de onda m!nores dr 1 IL· los instrumentos radiométricos sonm(ls s<~m·o-;, JWto mrno-; ~ll;ibles, qnP los fotómetros fotoeléctrit•osy fotográficos. Por <OnsignientP, eon frecuencia se usan como instru-nwntos dr referencia, para la calibración de dichos fotómetros. Sin<mbargo, Pll l~pl:ctroscopia <lfl infrarrojo, el instrumento radiomé-trieo Ps <1 más :-wnsiblP dr lo-; rxist<>HtPs. Cuando este instrum<>nto da su respuesta total a un haz de luzque i11cide sobr< rl rfc<ptor, rl r6gimfn con que el receptor disipa(Hlor p¡., fl lllÍ<IIIO qtH ¡•) ¡·(.g·im!tt Pn qnP >:f absorbe rl calor del hazlnminoso. </>a· Como PI calor disipado por el receptor es proporcionalal aunH•nto <IP t<mp(•ratura producido, AT tenemos (1)donde L r<J>l<~<nta la pí·rdi!la dr calor por unidad de tiempo y por 285
  8. 8. PILAS TERMOELJ!:CTRICAS EN VACto Y MEDIC. DE LA ENERGtA RADIANTE;unidad de variación de temperatura. Entonces, L1 representa la pér-dida de calor, por radiación, del receptor; L 2 la pérdida por conduc-ción del aire, L 3 la pérdida por conducción por elementos en contactocon el receptor y L 4 cualquier otra forma de disipación del calor,como pérdida de calor por efecto Peltier en el caso de las pilas ter-moeléctricas. Evidentemente, es conveniente que las distinblls L seanpequeñas y, por eso, la energía debe concentrarse en un receptorpequeño a fin de reducir Lt. Además, el receptor se monta, por lol!tueral, en alto vacío para anular L~. La respuesta dPl in.~trumento está drterminada por la magnitudde .:1T y los distintos instrumentos radiométricos se caracterizan porht forma con que miden 6.T. Un pila termoeléctrica mide 6.T por mpdio dP una unión termo- t>lí-ctriea o de más, unidas al receptor 1 • Un microrradiómetro mide 6.T en la misma forma que una pilatermoeléctrica 2 • ~in embargo, las uniones térmicas y el receptor van unidos al sistema móvil de la bobina de un galvanómetro, suspendidade una fibra de cuarzo fina. !.Ja superioridad del microrradiómetrocon respecto a una pila termoeléctrica reside en que, como no setwcesitan conductores externos, disminuyen las pérdidas de energíadf la resistencia eléctrica. La combinación de pila termoeléctrica. ygalvanómetro da como resultado un instrumento poeo útil parainvestigación en espectrometría, pues, durante su funcionamiento debe «">ÍIJr protegido contra las vibraciones. El bolómPtro romistP en una delgada lámina de metal ennegre-eidiJ, con conexiones eléctricas 3 • Esta lámina constituye el receptor 1 BRACKETI, F. S., y McALISTER, E. D., Re-u. Sci. lnstr., 1, 191 (19~0). RJttCE"R, H. C., f VAN Cnn.RT, P. H., Zeits. f. Physilt, 66, 211) (19~0). CoBLENTZ, W. W., Bureau of Standards Bul/,, ll, 1~1 (1914). FIRESTONE, F. A., Rev. Sci. lnstr., l, 6!JO (19~0). JoHANSEN, E. S., Ann. d. Physik, 33. 517 (1910); Phys. Zeits., 14, 998 (1913). LEBEDEW, P., Ann d. Physik, 9, 209 (1902). MoLL, W. J. H., lnaug. Dissertatlon Utrecht (1907); Arch. Neerland, 1ll,lOO (1908). MoLL, W. }. H. y BuRGER, H. C., Zeíts. f. Physik, ~2. 575 (1925); Phil. Mag.,!JO, 618 a 6~1 (1925). PASC.HEN, E., Ann. d. Physilt, l!ll, 7l!6 (1910). Pf.TIJT, EDISON y NICHOLSON, SFrH, B., Astrophys., ] .• 56, ll27 (1922). PFUND, A. H., Phys Zeits • 1.1, "870 (1912). RunENS, H .. Zetts, f. lnstrumentenk, 18, 65 (1898). 2 Bov~. C. V, Roy Soc., P1oc., 42, 189 (1887); 44, 96 (1888); 47, 480 (1890); Roy ~or ., Phi l. Trans., 180 A. 169 (1889). ConiENTZ, W. W., Bureau of Standardf, Bull., 2, 479 (1906). lMCHEJ, F. Ann. d. lhy.<~k, 48, 272 (1893). -~ LM¡c,rn. S. P .. A m. Acad., P10c.. 16. M2 (1881); Annals of the Astrophysiml Obl., l, -15 (1904); 5, 75 (1905). LEJMBAcH, G., Ann. d. Physilt. S~, ~08 (1910).286
  9. 9. PILAS TERMOEUCTRICAS EN VACtO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTE de las radiaciones. Se conecta a una rama de un puente de Wheats- tonl, equilibrado. La variación de la resistencia t>léctrica de la lámina,medida por un galvanómetro sensible, es una medida de liT. Un radiómetro es un sistema formado por un receptor y un espejo,montados en una caja parcialmente evacuada. El sistema se suspendede una fibra de cuarzo fina. La parte posterior del receptor estátérmicamente aislada de la anterior de manera que, cuando un hazluminoso cae sobre el receptor, se calienta más esta parte que laposterior 4 • El radiómetro es más sensible a una presión de gas de 0,06 mmde mercurio, aproximadamente. Las moléculas del gas que chocan con el lado del receptor calentado por las radiaciones se alejan conuna velocidad mayor que las que chocan con el lado opuesto, másfrío; y, por eso, se ejerce un retroceso. Esto produce una desviacióndel sistema, hasta que la cupla producida por la torsión de la fibra.de cuarzo equilibra la cupla de retroceso. La desviación del sistema,indicada por el espejo, es una medida de la diferencia de temperatura,AT, entre la superficil anterior y posterior del receptor. Todo aquel que esté interesado en radiómetros encontrará en lasnotas al pie de página la literatura más importante acerca del tema.Una de las características del radiómetro es su sensibilidad constante.La reproducción de la desviación se debe, en parte, a que la suspen-sión es de cuarzo, pero, principalmente, al hecho de que la presiónnecesaria ( 0,06 mm de mercurio) se mantiene con facilidad y enforma permanente en un sistema cerrado. El radiómetro se hautilizado con éxito en los microfotómetros. La aplieaciQn del radió-metro a los mierofotómetros no exige mayor adaptabilidad. Cuando se requiere el máximo de sensibilidad para mediciones muydelicada.!, surge el problema de la elección del tipo de radiómetro mássensible y, además, qué diseño resulta más sensible. Existen resultados contradictorio~ acerca de las sensibilidadesfinales obtenibles con los diferlntes tipos de instrumentos radiomé-tricos. La pila termoeléctrica es casi tan sensible como cualquier otroinstrumento de ese tipo y, aunque estos últimos puedan ser algomás sensibles que aquéllas, g-eneralmente presentan más difieul-~ades en su construcción y manejo 5 . Por tanto, omitiremos aquí 4 ABBOT, C. G., Astrophyis. ]., 69, 293 (1929). CoBLENZ, W. W., Rureau of Standardr Rull., 4, 391 (1908); 9, 1? (1913). CRooKEs, SIR WILLIAM, Roy. Soc., Phi!. Tram., ll, 166, 32:> (ll76). SANDVIK, 0., 1 O. S. A., 12, 355 (1926). HEITNER, G., Zeit~. f. Phys1k, 27, 12 (1924). NrCHo~. E. F., Phys. Rev., 4. 297 (1897). SM!rH, S., Nat. Acad. Sci., Proc., 16, 37!! (1930). TEAR, J. D., Phys. Rev, 23, 641 (1924). 5 CARTWRIGTH, C. H., Physics, 1, 211 (1931). KLUMB, HANS, :leit;. f. techn. Physik, 17, 279 (1936). 287
  10. 10. PILAS TERMOELÉCTRICAS EN VACíO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTElos detalles constructivos de otros aparatos radioinétricos que nosean pilas termoelrctrit•as. IJas pilas termoeléctricas se t>mplean soportes j¡z alambre de cobre v~ntdna de pa * 21¡ ra~ma. d~ dlto pun· to d~ fusión 1m m d~ e-;- pesor .~ tuPo de porcelana diZ S mm con cuatro ae-u;¡eros, lit;nado ~lano las parte<D m.:ti· en un lado para 1 ea.; ext~tioree i ptZrmitir la cvo.<:!uá.- están cromadas c~ón diZ 1a. cámara ele la tcrmocupta o S ~cala e11 cm sello con / a~Zmento Apie:7on ·w· al i:lsterna de va.c{o Fig. l.mucho en espectroscopia del infrarrojo, posiblemente más quetodos los otros tipos de instrumentos radiométricos en conjunto.288
  11. 11. PILAS TERMOEU:CTRICAS EN VACtO Y ME~IC DE LA ENERGíA RADIANTE Construcción y evacuación de una. 1lila termoeléctrica. Descri-biremos a continuación una pila trrm,t:wlÍetrira en va<Ío, del tiporrprPsentado en la fig. 1 6 • Eo.;ta pila tPrmoelé<·tri<·a ( i<•nr dos u nione<; Y dos rPceptores in-drprndiPnte-.;. Ti<llP tambi(·n enatro rOndnctorr, Pxtprnos, de ma-nera quP la" unioll<~ pH<dfn n"ar>-P por SPfl<~rado o ronretarseen srriP o en oposieión. ConPctándolas en oposición, la pila termo-PlÍ>ctrica se ha<·e compensadora. Los receptare¡.; son rectangularesy -.;e colocan uno a rontinuación del otro, disposi~ión ésta queresulta adecuada para lo" estudios espectr?sc~picos. Naturalmente,es posible alterar la forma de los receptores y otra<; caracterís-ticas rlPl instrumPnto, <•uando hay que llenar coJ•dici01Hs esppciales. I.~a vPntaua de <·uarzo rri..,talino que lleva PI instrumento va pe- Y e ce pt-oves ~ Fig. 2.gada con ermPnto ApiPzÓn "W". También se utiliza dicho cemen-to para soldar las uniones. El cemeJitO Apiezón "W es fácil deaplicar y tiene una tensión de vapor extremadamente baja, cua-lidad muy valiosa cuando se quirre ¡Jiantener el alto vacío. Tina varilla dP porcl!ana dP 4,5 mm dP diámetro, con cuatroorificioN, sostiene los alambres de cobrP relativamente gruesossobn• los cuales van montadas las uaionPs térmicas. Las prolonga-cionPs de los alambres de cobre e~tÍJl aseguradas eon mica, como::,r V< <11 la fig. 1, o eon cemento atando, fig. 2, a fin de que novibren. A fstos alambrP~> de cobre Jll~~ gruesos van soldados cuatro<•ouductorPs dP eobrr, flrxiblPs y aislados, como se Vf en la fig. 1,qu( se aseguran a la fnvoltura con cemento. J,a fig. 3 prrs<nta otro mPtodo para mant<n<r en la pila termo- r. .gradcu·mm la u>lltnbtaión del pwJt~>T fire~tone de P.1.ul "t•rith.de la l mvei">Jdad de Michigan 289
  12. 12. PILAS TERMOELt:CTRICAS EN VACíO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTEeléctrica un alto vacío, mejor que 1o-• mm de mercurio. El tubode Pyrex que vemos aquí se llena con carbón activado y se loevacua y calienta durante varias horas para desgasificarlo, antesde cerrar la llave que aísla el sistema de las bombas. Al principiose mantendrá durante pocas horas un vacío mejor que lo-4 mm demercurio. Sin embargo, cada vez que se vuelve a evacuar la pilatermoelél trica, el vacío dura más tiempo, de manera que. despuésde cinco evacuaciones, si el sistema es hermético, se mantendrá laevacuación un mes o más. El vacío se prut>ha midit>ndo la sensl-bilidad de la pila termoeléctrica en condiciont>s normales, comola de exponerla a una lámpara de 60 vatios situada a 25 cm ymedir la respues:a de la unión con un ~alvanómetro de poca sensi-bilidad. El vacío que St obtiene en una pila termoel~ctrica no debeprobarse con una bobina de Tesla o ehispas, puesto que las fuerza~electr.astáticas pueden destruir las uniones. ---...,. termocuplas cal"t>Ón absoYbente 1 ¡ sello co11 ~emento Ap1ez6n "w• Alambres para las uniones térmicas. !no dt> los alambrt>s ter-moel~ctricos es de bi),muto puro; el otro PS una aleaeión dP bis-muto y 3 7r de estaño. Se ha eleg-ido esta combinación para formarlas termouniones después de considerar los (oefieieute.;; de Wíe-demann-Franz y la potPncia termóeléetrica de las diwrsas eombi-nacionps posibles, incluso la de metales como el telurio v la~ otrasaleaciones de bismuto 7. LARl.IRIOII (_ H. /.11/1. f. 11.IIH. lJ!!. lí:l (iIH) . . 111"1 ti lh111<. 1~6:,6 (1933).
  13. 13. PILAS TERMOELl:CTRICAS EN V ACtO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTE La resistencia de cada alambre termoeléctrico debe ser, -por lomenos, de 10 ohmios y el alambre no ha de tener má~ de 3 mm delargo. Un alambre de bismuto de 3 mm de longitud, con unaresistencia de 10 ohmios, tiene un diámetro de unos 24 p.. Elalambre de aleación bismuto-estaño debe tener una resistenciaeléctrica un· 20 7c mayor- que la del alambre de bismuto puro, acau~a de la influemia del coeficiente de Viedemann-Franz. Dinembargo, como el alambre de aleación de bismuto tiene una resis-tt>ncia específica mayor, su diámetro será unos 7 p. mayor que eldiámetro del alambre de bismuto puro. Preparación de alambres de aleación. Los alambrt>> termoPléc-tricos pueden adquirirse en la Baker Company, lewark, NewJersey, o pueden prepararse mediante el procedimiento de Taylor.Según éste, se funde el metal termoeléctrico y se llena con élun tubo capilar de paredes delgadas y de vidrio blando (ver fig. 4). ttteta.l t«?nno- eléct.vico fun- dido Fig. 4. Se calienta el tubo con su núcleo de metal en un pequeño horno eléctrico y se lo estira como se ve t>n la fig. 5. El diámetro del alambre re&ultante &e controla por la temperatura del horno y la velocida.d del estn·amiento. Cuando la temperatura del horno está· bien regulada, los alambre~ obtenidos son cristales únicos que rmeden cun-arse y enderezar:-P rt>petidas VPces sin rompPrlos. Ha~· que descartar lo& alambres quebradizos. El vidrio se elimina de las fibras por medio de ácido fluorhídrico, que dislÍelve con facilidad .el vidrio blando, pero no corroe ni raya el metal. El ácido fluorhídrieo, diluido generalmente en poca agua para impedir la evaporación, se mantiene mejor en un recipiente 291
  14. 14. .PILAS TERMOEUCTRlCAS EN VACIO Y MEDIC. DE LA ENERGIA RADIANTEpoco profundo, revestido de parafina o, simplemente, en un huecopracticado en un bloque de parafina. Los alambres se extraendel ácido con una pinza metálica y luego se lavan en una solucióndébil de Aerosol 8 • (Hay que tener cuidado de que el ácido notoque los dedos.) No debe quedar vidrio adherido a los alambres,puPB, en caso contrario, resultará difícil cortarlos y soldarlos.Unos 5 minutos de permanencia en el ácido es suficiente. Los alambres de buena calidad se colocan en cajas planas, unapara cada uno de los metales. Hay que medir la resistencia eléctricade cada alambre y registrar su valor por unidad de longitud enun marbete. Después de reunir y medir un surtido de alambres dediferente tamaño, se prepara uno para continuar la construcciónde uniones según las especificaciones dadas. ~ot-nillo pala hace.- avo11za...- .; el ob.Jet-o ca pila..- de v •dt-io - blat1do lle11o con tttet:al t;e...-moeléc- f;yico ba11da de NichYo- 1 m(Z,# .2.8-1em d(Z ancho Fig. 5. Construcción de uniones. Un microscopio de 10 aumentos faci-lita el manejo y la soldadura de los alambres termoeléctricos. Loideal es el tipo binocular de visión estereoscópica. En la fig. 6 ~>e ilustra la forma de soldar los alambres termo-eléctricos a lo~ alambres de sostén de cobre, mediante una agujade coser, estañada, caliente. ·La aguja se calienta con un dispo-sitivo provisto de un alambre al rojo, cuya temperatura se regula 8 El aerosol o el detergente Dreft -este último se puede adquirir en losalmacenes- tiene muchas aplicaciones en el laboratorio. Además de ser útilespara lavar espejos de vidrio, de aluminio, etc., se agrega al agua para disminuirsu tensión superficial y aumentar su poder humectante. Esto es convenientepara lavar los alambres de termocuplas, pues la solución moja los alambresy disuelve el ácido fluorhídrico. Asimismo, para recubrir receptores, la solu-ción con Dreft :<ene menos "atracción", debido a la tensión superficial y.por lo tanto, hay menos riesgo de destiuir el trabajo cuando se aplka el pincelcon el material ennegrecedor.292
  15. 15. PILAS TERMOELI:CTRICAS EN VACíO Y MEDIC. DE LA ENERGtA RADIANTEpor medio de una resistencia. La temperatura de la punta de laaguja se regula variando el punto de contacto entre el alambrecaliente y la punta de la aguja. Para soldar se emplea metal W ood y como fundente se usauna solución de cloruro de cinc puro en agua destilada. Hecha lasoldadura, se elimina con cuidado el cloruro de cinc sobrante pormedio de un cepíllito embebido en agua destilada. Cuando se sueldan los alambres termoeléctricos, de no más de3 mm de largo, a los alambres de cobre estañados, se les da lalongitud adecuada tocándolos con la aguja estañada caliente, comose ve en la fig. 7. Esto no sólo "corta" los alambres, sino que,al mismo tiempo, suelda los extremos. Esta operación resulta difí-cil si hay vidrio adherido al alambre. CÍreat. q14e se alambres da la termo~u piel va11a soldar&oldad~ra "1-tqjJdas c:oh el 2op. ds diáme~ro aproo!Cirnadode los 1lla111bres fUnaewte (CI•ltl+ corl-a da los alcsrnbr.astertttoeédricos Hao clest:ilada) t-ermoeJécrr•cos ". Fig. ó. Fig. 7. Después los alambres termoeléctricos se ma:qipulan con una aguja fría, de manera que sus extremos estén en contacto. Se agrega fundente a la unión y se suelda con el dispositivo des- cripto (ver fig. 8). Hay que examinar bien la unión. Una ligera sacudida de las puntas del alambre, ocasionada por la tensión superficial del metal fundido, indica el momento en que debe ser apartado del calor. Si la "resistencia es demasiado grande, se acorta cada alambre calentando Pl metal Wood Pn la baiie del alambre. El metal W ood fundido tira del alambre de la termo- cupla por tensión superficial. Para calentar el metal W ood se emplea la aguja. En esta forma es fácil construir dos uniones con una diferencia de sólo una fracción de un ohmio en sus resistencias eléctricas; y si los alambres pertenecen al mismo trozo de bismuto o aleación. las sensibilidades de las uniones serán semejantes. Si se emplean fibras delgadas de cuarzo para sostener los alam- bres termoeléctricos y los receptores, la pila termoeléctrica resulta 293
  16. 16. PILAS TERMOEL1:CTRICAS EN VACfO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTEmás robusta. LM fibras de cuarzo se aseguran a los alambres desostén de robre por medio de una capa delgada de laca, como seindica en la fig. 9. se agveya. {un- dent:eala unión fit11as de cuarzo<SoOk:iaduva de l~s uniones ~oportando (as uttiones Fig. 8. Fig. 9. Los receptores están hechos con una delgada hojuela de orode 0,5 p. de espesor, aproximadamente. Esto es bastante más gruesoque las hojas de oro 9 utilizadas por los pintores. procedimiento para corl::at- ,..ecept.ovetl la& distinta<a opevaciones se t-eatizan tne¿)OY pío de .jO au...,et1tost. Fig. 10. Como se ve en la fig. 10, los receptores, se cortan del tamaño apropiado (3 mm por 0,3 mm es un tamaño conveniente en espec- troscopia) sobre la platina del microscopio IOX y con una hoja de D Las hojuela~ de oro del espesor requerido se preparan evae,qr¡mdo envacío, sobre una placa de vidrio, I.a cantidad necesaria de oro (v~ capitulo IV)mediante una espira de tungsteno. Luego, la pelicula se saca del vidrio pormedio de un chorro de agua. 294
  17. 17. PILAS TERMOELJ!:CTRICAS EN VACfO Y MEDIC. DE LA ENERGtA KADIANTEafeitar. Se refuerzan mecánicamente, dándoles una curvatura cilín-drica, de la manera siguiente: se pone el receptor sobre una hojade papel, fina, colocada sobre papel secante y se presiona sobreél una varilla de unos 0,5 mm de diámetro (ver fig. 10). El oro .es muy bueno para receptores porque se suelda con facilidad. Colocando un pequeño trozo de metal W ood fundido sobre launión e impregnado con fundente, se facilita la fijación del recep-tor. Se deja el receptor de oro en contacto con la termounión y sesuelda, calentando por la radiación del alambre caliente (ver fig. 11).Una li¡!;era sacudida. del r€ceptor indica cuándo hay que retirarel calefactor. sok:iadura de tecevtotes (lt1 negvecimi"nto de los Ye- ceptores Fig. 11. Fig. l2. Después de soldados, se los ennegrece con negro de humo, u otromaterial para ennegrecer, y con un poco de cola como aglome- d~t:all~t d~ "- iCt-~t-~ocupJa. t<.vm•t16db Fig. 15. .295
  18. 18. t 4ttI110CU pta. lid41 f:l•ta ., .... (unión~SI11<Zti­lada a as bombas d~ wtcí~ ~ - Fig. 14.
  19. 19. PILAS TERMOEU:CTRICAS EN VAC10 Y MEDIC. DE LA ENERGtA RADIANTErante; la mezcla se aplica sobre el receptor con un pincelito depelo de camello, fig. 12. Por último se ase~uran dos fibras de cuarzo sobre cada receptorpara darle máf. rigidez. Las fibras son tan delgadas y, al mismotiempo, tan malas conductoras del calor, que la rigidez ganadacompensa la pérdida de calor que introducen. La fig. 13 indicael método usado para asegurar los receptores y muestra la pilatermoeléctrica completa. Otros métodos pa.ra construir pilas termoeléctricas. Algunosexperimentadores prefieren pilas termoeléctriC"as con envoltura devidrio. La repref.entada en la fig. 14 es uno de los tipos máscomunes. En la fig. 15 se ve cómo manejar las uniones en e~ c.t.mpodel microscopio binocular. CUADRO 1 MATERIALES PARA VENTANAS DE PILAS TERMOEU:CTIUCAS Material de la ventana ¡Regi6n del espectro por observar Cuarzo cristalino Ultravioleta a 3,5 11. Fluorita Ultravioleta a 9 IL NaCI Ultravioleta a 17 IL KCI Ultravioleta a 21 1.1. KBr Ultravioleta a 30 IL KI Ultravioleta a 35 IL Parafina de alto punto de fusión 20 J.L a oo Cuarzo cristalino 46 IL a oo La selección del material para la ventana de la pila termoeléc-trica se rige por la zona del espectro en que aquél se va a utilizar.Con los datos dfl cuadro I podemos hacer la elfcción más aprop~ada. No debe confundirsP la parafina de alto punto de fusión, parael infrarrojo lejano, con la parafina de bajo punto de fu!."ión. Laprimera es un matPrlal cristalino que no sr deforma cuando selo somete a tensiones pequeñas. Para que la ventana de parafinatenga más resistencia y, al mi¡;mo tiempo, sea muy delgada, se acon-seja hacerla cilíndrica. En la fig. 16 se ve cómo usar un tubo deparafina torneado. Es suficiPnte que la ventana cilíndrica tentz:asólo 1 mm de espesor. Como a través de dicha ventana no puedPverse la pila termoeléctrica, es necesario ajustar los rPceptores alfoco de las radiaciones con ayuda del galvanómetro. Aunque recomendamos el proceso Taylor para preparar losalambres termoeléctricos, también se los hace con el método del profesor A. H. Pfund, por el cual se esparce el metal fundido 297
  20. 20. PILAS TERMOELJ!:CTRICAS EN VACfO Y MEDIC. DE LA ENERGfA RADIANTEsobre una placa de vidrio. Se pueden aprovechar los alambrespequeños, formados accidentalmente, o cortarlos de la lámina del-gada con una hoja de afeitar. Los alambres obtenidos con esteprocedimiento tienen el inconveniente de que de su tamaño, esdifícil hacer con ellos uniones parejas, por las variaciones. Otro método para unir los alambres de termocuplas y fijar losrooeptores consiste en soldar los alambres :termoeléctricos pormedio de la descarga de un condensador. En el artículo que secita al pie de página se dan los detalles del procedimiento 10. El receptor se fija a la soldadura de la termounión con cementoApiezón "W ". Con este procedimiento para asegurar el receptorse logra la misma sensibilidad que con el de la soldadura. Resulta más fácil construir una pila termoeléctrica de unionesmúltiples fijando un receptor grande a las uniones y no empren-der la delicada tarea de soldar por separado pequeños receptoresen cada unión. La aislación eléctrica entre las uniones de una pila bloque del ttt(Z- t::-al pata sos- tE tt~v el ot>- ;:~et;:o apo~o para la~ tfldnO!;. Esta &upcn·fcie d~be estet ltfi,mo nivel que las tertr~ocul:las Fig. l5.termoeléctrica de esa clase se obtiene recubriendo cada umon conlaca, antes de aplicar el cemento que fija los receptores. Algunos investigadores construyen termocuplas en forma casiopuesta a la descripta. Primero, forman las uniones; después a&e-guran el receptor a la unión y, por último sueldan la termocuplaa los alambres de sostén 11 • El método resulta particularmenteapropiado para construir una termocupla con un pequ.eño receptorcircular, como el que se emplea en radiometría e!rtelar. En una 10 CARTWRIGHT, C. H., Rev. Sci. lnstruments, 3, 73 (1932) 11 FIRESTONE, F. A., Rev. Sci. Instruments, l, 630 (1930).298
  21. 21. PILAS TERMOEUCTRICAS EN VACH: i MEDIC. DE LA ENERGtA RADIANTEtermocupla estelar, la unión puede soldarse con un trozo de metalW ood, de modo que sobre ella se forme una pequeña bolita demetal, que luego se comprime para darle la forma de un receptorplano de forma circular y del diámetro deseado. El profesor Pfund construye termocuplas comprimiendo juntoslos alambres termoeléctricos sobre una placa de acero pulido, quese calienta a unos 100° C 12 • De la misma manera se une el recep-tor a la unión. Cuando se manipulan las piezas, se usa un dispo-sitivo especial hecho con un interruptor de cuchilla, como se veen la fig. 17. En la mayoría de los casos el negro de humo sirve para cubrirel receptor, pero, en aplicaciones especiales, es preferible emplearun material absorbente selectivo para "ennegrecerlo" 13 • Así, unapila termoeléctrica usada en investigaeiones en el infrarrojo lejano, t::apa dcZ paYafina. d<Z alto pun~o d~? fusiótt ! o Fig. 16.entre 52p. y 152,u., podría tener receptores ennegrecidos con polvode vidrio. Para trabajar en el visible y en el ultravioleta convieneuna deposición electrolítica de polvo negro de platino. La pérdida de calor por radiación de un receptor está determi-nada, en primer lugar, por la emisión del receptor en la región delespectro alrededor de lOp. (la región en la cual ocurre la máximaemisión del cuerpo negro a la temperatura ambiente). El poder emí- 12 -PFUND, A. H., "Radiation Thermopiles", Rev. Sci. Jnstruments, 8, 417(1937). 13 WOLTERSDOR.H, V., Zeits, f. Physik, 91, 230 (1934). FÓRSYTHE, W. E., Mersurement of Radiant Energy, Nueva York, McGraw-HillBook Company, 1~37, pág..210. PFUND, A. H., ]. O. S. A., 23, 375 (1933); 23, 270 (1933). STRONG, J., Rev. Sci. lnstruments, 3, 65 (1932).
  22. 22. PILAS TERMOELf:CTRICAS EN VACtO Y MEDIC. DE LA ENERGtA RADIANTEsivo del polvo negro de platino en la región alrededor de lO¡.t esdébil (un 20 % del que corresponde a un cuerpo negro). Por con-siguiente, el empleo del polvo negro de platino reduce la pérdidade calor L 1 , de modo que el receptor, en realidad, es sólo un quintodel tamaño que tendría si se lo recubriera con un material que fueranegro tanto para el espectro del calor como para el visible. Ademásde aumentar la sensibilidad, esto ofrece la ventaja de reducir elnúmero teórico de uniones necesarias en el mejor diseño. Sugerimosla plata. no ennegrecida para los receptores que se utilizan en laregión ultravioleta. La figura 3 indica cómo usar el carbón activado a fin Je mantenerun alto vacío en la pila termoeléctrica. Una alternativa es el em- armadura de ac;ero Pu11ta totna. rozo de ac!:rt""""~ tnu:o cte de tun¡stita 1os alatnbY~s J;ermoeléctt-lcos que hay qucz soldaY se c:-olocaH sobre la tnat-ca y se ptesiotta sobre ellos <::otr la pvnta t"ma. Fig. 17.pleo de calcio como absorbente. El doctor Pettit, del Observatoriode Mount Wilson, lo utilizó con éxito. Consiste en remplazar elcarbón activado, en la pila termoeléctrica de la fig. 3, por calciofresco. Se calienta el calcio mientras el tubo está conectado a labomba. Después, cuando la sensibilidad va decayendo, con la dis-minución del vacío, se restablece la sensibilidad máxima volviendoa calentar el calcio. Empleo de pilas termoeléctricas 3ensibles. La ener~ría radianteenfocada en la superficie receptora activa de la pila termoeléctricaes interrumpida periódicamente para aislar el efecto de esta radia-ción del efecto de otras, que inciden sobre el receptor. La desviaciónde la aguja del galvanómetro, cuando se interrumpe el haz medido,se debe a variaciones en la temperatura de las uniones, producidassoo
  23. 23. PILAS TERMO~CAS EN VACtO Y IODIC. DE LA ENERGfA RADIANTIpor la energía radiante. Vonsiderando que, en mediciones delicadas,se originan variaciones en la temperatura de solo 1()--41< C, es nec-e-sario interrumpir con exactitud la luz para compensar los despla-zamientos de primer orden, que aparecen por calentamiento o en-friamiento de las partes que rodean a la pila termoeléctrica. Por tanto, se requiere el mismo tiempo para controlar el cero del gal-vanometro que para determinar la deuiación producida por laenergía que se "lide. Es evidente que es preciso elegir con cuidado la posición mejordel obturador en un sistema óptico. Por ejemplo, la variación enla energía radiante que incide sobre la pila termoeléctrica, produ-cida por el cierre del obturador, debe ser igual a la variación pro-ducida a] eliminar la fuente de las radiaciones sin cambiar la po-sición de cualquier objeto visto por la pila termoeléctrica. Delo contrario, la variación de la radiación, originada cuando se cierrael obturador, puede falsear la medición. A fin de disminuir estaposibilidad, el obturador debe colocarse antes de la ranura de en-trada del espectrómetro y no después. Pilas termoeléctricas compensa.d.aa. Mientl:"8S los corrimientos deprimer orden pueden eliminarse en el galvanómetro, aun el caso deuna pila termoeléctrica no compensada, midiendo aproximadamenteel ti~mpo de la exposición de la pila termoeléctrica a la energía ra-diante, los de segundo orden (originados por variaciones en la velo-cidad del corrimiento) se eliminan sólo con una pila termoeléctricacompeBSada. En la práctica resulta difícil co~ruir un receptorcompensador que elimine más del 90 % del corrimiento del galva-nómetro, pero es posible lograr una compensaeión ulterior si se poneuna resistencia en paralelo con la unión más sensible, ya sea la ac-tiva o la compensadora. La elección de las uniones y el valor de laresistencia en paralelo se determinan experimentalmente. Cuandola resistencia en paralelo tiene el valor apropiado, las variacionesgrandes de temperatura en el ambiente que rodea a la pila termo-eléctrica producen una desviación mínima del galvanómetro. Si sehan tomado precauciones al constnrir ta pila termoeléctrica compen-sada, la resistencia en paralelo será lo bastante grandt! como paraque no resulte perjudicada en forma apreciable la sensibilidad dela pila termoeléctrica. Uno de los procedimientos para probar lacompensación consiste en mantener un soldador caliente a unos po-cos centímetros de la pila termoeléctrica. Por ejemplo, cuando secompensó una pila termoeléctrica del tipo indicado en la fig. 1, sedisminuyó el corrimiento del galvanómetro hasta una vigésima partedel primitivo, y se redujo a la centésima partE mediante la resisten-cia en paralelo. Por lo general, la energía a medir se concentra sobre el receptor; 501
  24. 24. PILAS TERMOEUCTRICAS EN VACtO Y MEDIC. DE lA ENERGtA RADIANTE t-ntonces el receptor compensador actúa como una resistt>nci& ex- terna en el eircuito del galvanómetro y, por eso, disminuyen algo las desviaciones. En la mayoría dt> los casos la reducción de los co-rrimientos de primero y segundo orden justifica la compensación y las desviaciones más pequeñas. Por otro método, la imagen de la ranura de ¡.,alida del espectró-metro cubre ambos receptores, mientras quf un obturador, frentf ala ranura df t:nbada. oscurece primero la abertura de la mitad dela ranura fnforada sobre un receptor y, luego, la mitad enfocada sobre el otro rfceptor 14 . En const>cut>ncia, t>l área de cada receptort>s igual a la mitad del ána di Ll. ranura. Teórieanwnte, este mo- delo debe dar una sensibilidad 40 7c mayor que la de la pila tt>rmo-t>léctrica compensada común, ea la cual el área del receptor activoy el área del receptor compen,;ador son iguales al área de la ranura.Si se quiere lograr il~: otra manera esta ganancia dPl 40 %, debeinclinarse periódicamente t>l espejo utilizado para concentrar la ener-gía radiante, de modo que la imagen de la ranura de salida del PS•pectrómetro cubra primero un receptor y luego el otro. Aparatos auxiliares. Generalmente, con una pila termoeléctricase usa un galvanómetro con un período de unos 7 segundos y unaresistenria baja de unos 10 a 15 ohmios. Para mediciones delicadaslos conductores que van de la pila termoeléctrica al galvanómetrodeben estar blihdados, a fin de no inducir en ellos corrientes alter-nas, que pueden originarse en campos electromagnéticos parásitos.Cuando los conductores no están bien blindados, las corrientes al-ternas indu~idas son, en cierto sentido, rectificadas por la pila ter-moeléctrica, sobre todo por una no compensada, y originan unadesviación aparente en el galvanómetro. Un método simple para medir la respuesta del galvanómetro esobservar ·con un telescopio una eseala bien iluminada. · El galvanó-metro debe ubicarse de modo qlle la escala esté a una distaneia deunos 5 m. Se emplea un tclPscopio de unos 32 aumentos, 3ituado lomás cerca po11ible del galvanómetro. Con un espejo de 10 mm dPdiámetro en el galvanómetro han de poden,e leer con tanta rlaridadlas divisiones mílimétricas de una escala, a 5 m de distanria, comopara que puedan estimarse las desviaciones sobre la escala con unaprecisión de una pequeña fracción de milímetro. A menudo se atribuye erróneamente la falta de definirión al es-pejo del galvanómetro, pero, en general, obedece al uso de vidrioóptico impPrfecto para la ventana del galvanómetro. Sin embargo,la definición tiene un límite, fijado por el tamaño finito del espejodel galvanómetro, debido a la difracción. Lo más simple e.s consi- a BAilGEil, R.. M., ]. O. S A., 15, 370 (1927).302
  25. 25. PILAS Tl!ftMOI!L~CTRICAS EN VACtO Y MJ:DIC. DE LA J:NUGtA llADIANTE derar que la distancia de la e<~cala, medida en metros, no debe ser mayor que el diámetro del ebpejo del galvanómetro, medido en mi- límetros. Luego, para una distancia de la escala de 5 m, el espejo debe tener, por lo menos, 5 mm de diámetro. A las inevitables fluctuaeione~ naturales en la posición dPl galn- nómetro, imputables al movimiento browniano, corresponde una des- viación de 1/20 mm, a una distancia de 5 m. La precisión con que puede estimarse la posieión del retículo en una escala milimétrica es mucho mayor de lo t¡ue podría suponerse. Una de las experien-cia5 de laboratorio, !n la Unívertridad de Berlín, consiste en estimarla posición de marcu 1t0bre una escala milimétrica. Todas las mar-cas se hacen eon una máquina de. dividir, de manera que sus posi-ciones se conocen con exactitud. Aunque las líneas se hallan a una distancia de 1/10 mm, el ertudiante debe estimar la posición de cadauna hasta 1/100 mm. .Al hacerlo, rara vez comete un error de1/10 mm, y un observador experimentado tendrá un error proba-ble, para una sola lectura, de 0,03 mm, aproximadamente. Portanto, es importante estimar las lecturas del galvanómetro hasta1/20 mm. La fig. 18 representa un dispositivo ingenioso exacto, empleadopor el Profesor Czerny 15 para determinar la magnitud de desvia-ciones pequeñas en el galvanómetro . . .1..-.dorea. Un buen método para le-er las desviaciones en el gal-vanómetro consiste en utilizar un amplificador óptico. Asimismocuando se quieren registrar fotográficamente las mediciones radio-métricas, hay que ampliar las desviaciones primarias por medio deun relevador y las de un galvanómetro secundario sobre un papelfotográfico móvil. Para ampliar las desviaciones del galvanómetro se puede usar elrelevador térmico de Moll y Burger, hasta que ·el movimiento brow-niano re~ulte evidente u. Otr08 incluyen el amplificador con célulafotoeléctrica, descripto por Barnes y Matotl8i 17, y la pila termoeléc-trica eon dos receptores en triángulo, descripta por Cartwright 11• El relevador de Barnefl y Mato88i se construye dividiendo la su- ,perficie activa de una ~lula fotoeléctrica con una marca a lo largode un diámetro, de manera que se formen sobre ella áreas semi-circulares contiguas. En la fig. 17 del capítulo X se representa este 1 15 CzUNY, M .• Zeits. f. Phys11t, 90, 468 (1934). CZUNY, M., HEINS, H., y WOLTEUIJOUF, W., Zeíts. f. Physilr, 95, 262 (19~5). 16 MOLL, W. J. H., Phil. Mag.• 50, 624 (1925). Kipp y Sonen, Delft, Holanda.venden el relevador térmico de Moll y Burgtt. 17 BARNES, R. B., y MATOSSI, R., leits f. Physik. 76, 24 (19!12). 18 C.UTWRIGHT, C. H., Rev. Sci. Instruments, !1, 221 (19!12). !OS
  26. 26. PILAS TERMOEL:tCTRICAS EN V ACtO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTEamplificador. Leeds y Northrup fabrican una combinación de gal-vanómetro amplificador y célula fotoeléctrica ID, Estos métodos para ampliar las desviaciones del galvanómetrotambién aumentan el.corrimiento del galvanómetro primario. Peroesto no es conveniente, y Pfund y Hardy inventaron un radióme-tro de resonancia que tiende a ignorar el desplazamiento y asepararlo de su respuesta a la radiación medida 20 • Su diseño es algocomplicado y requiere un obturador de péndulo regulado y, además,dos galvanómetros idénticos. Sin embargo, el instrumento tiene sus ,22crn-¡ galvanórndiO ~ 1 , ( - ____- 100-m- ~minas de vidrio de caras pla11a 1 l"ralelas de 7 mtn de espeso.-, k--....._.:_ " H10ntadas sobu! pivotes ldt1UId 1 VI de-J.,..LL- 1 lampara de anqho aprox./ de a.ulo 1 1 -0 CO) VCItiCa.I(<S _- -----r----31(;~-­ ~-- ~ ..:-- -----~ 1 ~--cTIIIA -- ,_ ¡ ----------~1 /, ~ · ~ ~--............___ 1 1 A telescopio -~~---~~ microscopio de lectuYa d,e i20 aumentos,ob,Je- 0 J f- ._ obseyvad~~ t-tvo de .sautttentos A- palanca pat-a tegulal" la latnina de catas pavalelao.; alinde cot-npe11say la desviac,ón delgavat1Ómello B -escala tattgcnc•al-la posiciót1 de la palanca. A-lue ~e lee ett esta escala es proporcional a ladC?sviactól1 del galvanómetro e-palanca paya legulal- el ~ceyo" o- película del mict"oscopio-to~ttta s.ugelida. i ma.g-ct1 de la tanu· va en la pas.ición de lectura. Fig. 18.ventajas, sobre todo cuando l:t pila t<rmoPII;t•t rit•a no p-;tá bit•n protegida de los efectos térmieos extraíios. Pfund describe su radiómetro de resonancia de la siguiente manera: ID Leeds and Northrup Company, Filadelfia, Pt"n~ih~nia. 20 HARDY, J. D., Rev. ~ci. Jnstr., 1, 429 (1929); 5, i2u (1934) PFUID, A. H., Science, 2, 69 (1929).
  27. 27. PILAS TERMOELl!:CTRlCAS EN V ACto Y MEDIC. DE LA ENERGtA RADIANTE Si el galvanómetro primario y el secundario están poco amor- tiguados y se ajustan al mismo período, entonces, si se interrumpela radiación que incide sobre la pila termoeléctrica con una perio-dicidad correspondiente a la de los galvanómetros, se establece unacondición de resonancia. Los sistemas resonantes se caracterizan poruna sensibilidad alta a perturbaciones periódicas sintonizadas ypor la indiferencia a las perturbaciones casuales". Pero esta indiferencia a las perturbaciones casuales no incluye,lamentablemente, los movimientos brownianos del galvanómetro pri-mario. Hardy midió el efecto del movimiento browniano sobre elradiómetro de resonancia y halló que las fluctuaciones en la desvia-ción del galvanómetro secundario se amplían de acuerdo con lasprevisiones teóricas para las fluctuaciones a causa del movimientobrowniano !H. A pesar de eso, Hardy cree que las mediciones deli-cadas, dentro del límite establecido por estos efectos, se facilitanutilizando el radiómetro de resonancia. La lentitud de este radió-metro (insume unos 90 segundos para hacer una medición) es unade sus ventajas. Firestone 22 desarrolló una variación ingeniosa del diseño de Pfund.Depende de la carga y desearga de _.n condensador a través del gal-vanómetro secundario, con un circuito controlado por la corrienteamplificada de la termocupla. Se emplea un amplificador con cé-lula fotoeléctrica. Naturalmente, como el circuito de salida del gal-vanómetro tiene una resistencia óhmica infinita, debida al conden-sador del circuito, no puede fluir corriente y, por tanto, todas lasdesviaciones son oscilantes alrededor de una posición cero invariable. Hemos hecho hincapié en la importancia de utilizar una pila ter-moeléctrica compemada para disminuir los corrimientos del galvanó-metro y para lograr que el circuito sea eléctrieamente insensible alas radiaciones ele-ctromagnéticas de alta frecuencia. En las medicio-nes más finas es necesario, también, que el galvanómetro esté librlde vibraciones mecánicas. Esto se consigue con un soporte antivi-bratorio del tipo indicado en la fig. 19. En el capítulQ XIV se dala descripción de este soporte. Construcción de termouniones por evaporación y por proyeccióncatódica. Además de las enunciadas, las pilas termoeléctricas y lastermocuplas tienen otras aplicaciones, tales como vacuómetros, me-dición de corrientes alternas, medición de la intensidad del sonido,ampliación de las desviaciones de un punto luminoso en los releva-dores térmicos y en los pirómetros de radiación total. No podemosexplicar todo esto detalladamente, pero este capítulo y las referen- 21 Ver también VAN LF.AR, G. A., JR., Rro. Sci. Instr., 4, 21 (19~~). 22 FDU!STONE, F. A., Rev. Sci. Instr., ~. 16~ (19~2). 505
  28. 28. PILAS TERMOEL:f:CTRICAS EN VACtO Y MEDIC DE LA ENERGíA RAD:.ANTEcias citadas han df srrvir como ¡ruía fn fste tfma. Emperel, laconstrucción de pilas termoeléctricas por evaporación y proyeccióncatódica justifica una descripción. Las pilas termoeléctricas hecha> con pelíeulai de metales termo- o 5 10 ~uercas 11ive1ac1oras:Ftg. 19 iopoft( antiVJtH,ltOIIO p.l!,l Ull g.tloiiOIIHlll) }•) llltll~tllt1 d~ lll<llftotasobre el cu.1l e~t;i apohHio el !.(.IIvanómctto dehL te11e1 " l"" ti< 1,!owou 111 ,,.sarios para que la~ oClldctOIIC 11.11 Ul .JI<, H·ngan un l" 1 hHio dt 11111" .! >l-.;lllll)o,fléctricamente activos, produeidas por evaporación y por proyeccióncatódica, pueden lllgar a tener capalidan calórica muy baja, tanbaja, en realidad, qu( responda al calPutamirnto adiabático pwodu-ci.do por ondas sonoras separadas dr una frrcu(ncia dr 5.000 ci~los 23 . 23 HARR.ls, L., v loHNSOr., E. A., Rev. Sci. /nstr., 5, 133 (1934).106
  29. 29. PILAS TERMOEL&CTRICAS EN VACíO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTE Una de las películas metálieas utilizadas es de bismuto y, la otra,de antimonio. La base sobre la cual se depositan las pelíeulas me-tálicas debe ser extremadamente delgada y resistente. Se empleanpara este fin películas de vidrio, mica o laca. Cuando SE funde t>l extremo de un tubo de vidrio blando y ~e so-pla fuerte para dilatarlo y hacer explotar un bulbo delgado, lostrozos de pared de éste dan tiras de vidrio de 1 ó 2 mm de ancho y1 ó 2 cm de largo. Estas tiras tienen un espt>sor que pt>rmitt> pro-ducir colores de interferencia y sirven como base para las tt>rmocu- plas formadas por evaporación. Cuando se enrolla una hoja de mica sobrE una varilla de unos ~ mm de diámetro, de modo que una dt> sus direcciont>s príncípale~; ,pa paralt>la a la varilla, qut>da sometida a fut>rzas cortantt>s. Estas fuerzas rP<;rpwhrajan la mica de manera que, cuando la lámina se Fig. 20.parte, SE ootienen tiras de 1 a 0,1 mm de ancho que, a juzgar porsu~ colores de intt>rfert>ncía, tit>11en un t>spe~;or dt> 1¡.t o mt>nos 24 • Si sr qnit>rE hacer pt>lículal> quE sin·an como basE de pilas termo-eléctricas, y para otras cosas, se vierte una solución de ll:ca en unapalan~ana con agua dt>stilada libre de polvo !!:l. La tensión supt>r-ficial hacr que el chorro &e disemine y se forme una película líquidasobre la mitad, casi. ,del árt>a de la superficiE del agua. La lara sesolidifica a medida que el solvente se evapora. La fig. 20 muestracómo se saean del agua las películas y cómo se montan sobre unaarmazón metálica. Una vez despegadas de los bordes dPl rrcipiente&e las deja secar. El espesor de la película se controla variando la 24 Esta es la técruca de~cripta por Bt•RGER, H C., v VAN CITTERI, P. H . Zell< f Physik, 66, 210 (193ú) 25 HARRIS, L., y JoHN90N, E. A., Rro. Sci Imtr., 4, 4>4 (1933) E1tm inves-tigadores usan acetato de metilo y de etilo por 2 parte1 de acetato de celulosay 1 parte de laca Glyptal a ooc para obtener las películas m,b resistentes. CzERNY, M., y MoLLET, P .• Zeits. f. Physik, 108, 85 (1937). 307
  30. 30. PILAS TERMOEL1:ClRICAS EN VAClO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTEdilución de la laca antes de verterla sobre el agua; se forman asípelículas uniformes extremadamente delgadas sobre agua a 0° e yse obtienen láminas de 5 X 10-6 cm de espesor. Las láminas doblesformadao;; s-obre armazón, como se indica en la fig. 20, son más re-sistentes que las simples de espesor doble, porque, en el caso de laspelículas dobles, las partes débiles de una película rara vez &e su-perponen a las partes débiles de la otra. Cuando se deposita por evaporación el metal termoeléctrico sobrela película base, tanto el calor de condensación del vapor del metal,como el calor irradiado por el filamento y absorbido por la pelíeula,tienden a elevar la temperatura de la base. Hay que impedir quela temperatura de la película aumente hasta un punto destructivo.Las películas se montan en la cámara de evaporación, en contactocon mercurio o, mejor aún, en contacto con un bloque enfriadorde cobre. Sig-ui<>ndo el procedimiento descripto por Burger y van CittPrt 26 ,para hacer uniones ,térmicas se emplean bismuto y antimonio; elbismuto se evapora de modo que forme una tira de lp. de espesor,miPntras que el antimonio se evapora y forma una tira de la mitadde dicho espesor. El peso del metal a evaporar se determina por unsimple cálculo, usando la ecuación 2 del capítulo IV. El área re-ve&tida con metal se define con una plantilla. La tira de bismutoque se evapora primero cubre y sobrepasa un poco el punto de loquP será el centro de la unión, digamos (),2 mm más o menos; luegose deposita una tira de antimonio evaporado, hasta sobrepasar elcentro en una distancia igual. Las superficies superpu~tas consti-tuyen Ja unión que, entonces, se recubre por evaporación con polvonegro de bismuto, de antimonio, o de cinc, sobre un área determi-nada, definida mediante diafragmas. Cuando se desea formar un área con la cual establecer contactoeléctrico hay que evaporar o proyectar oro en puntos adecuados delas películas metálica&. Luego se sueldan al oro los alambres deconexión. Los cristales de bismuto, formados en la tira por condensaciónde los vapores, tienen sus ejes perpendiculares a la base. Esta orien-tación del cristal da como resultado una fuerza electromotriz tér-mica opuPsta al antimonio, de 75 microvoltios;oc. La orientaciónóptima del cristal, obtenible hasta ahora por evaporación, da unafuerza electromotriz térmica dPl doble de este valor. Las uniones térmicas evaporadas son especialmPnte útiles paraconstruir el relevador térmico tipo Moll y Burger. Burger y vanCittert lograron una sensibilidad dos veces y media mayor que laobtenida con el elemento laminado de Moll y Burger. 26 BURGER, H. C., y VAN CnTERT, P. H., Zeits. f. Physik, 66, 210 (1930).sos
  31. 31. PILAS TERMOEU:CTRICAS EN VACto Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTE Consideraciones sobre el diseño de una pil& termoeléctrica.. Lapila tPrmo<lrctríca de la fi~. 1, descripta antes, puede adaptarse afin dP que r<Íma las condiciones necesarias para hacer medicionesradiométricas. Al~unos invPstigoadores, en particular los que tratande rralizar medicionrs extremadamente delicadas, tendrán interésen conocer la teoría del diseño de las pilas termoeléctricas. PorfjPmplo, el que dPsee diseñar una pila termoPl(•rtrica en vacío, deun área dPtPrminada, dPbP adoptar varias decisiones. Debe deter-minar los metales- que empleará en los conductores de la termocuplay PI nÍimPro de uniones a realizar. Debe saber también qur materialha dr utilizar para rPcubrir los receptores. O puede también quequiera di>Jeñar una pila termoeléctrica que funcione a presión at-mosférica. SP han desarrollado ecuaciones que expre!>an la dependencia teó-rica de la respuPsta del galvanómetro Pn función del número deuniones, área del recPptor, características de lo! alambres termoeléc-tricos, etc. "!l. I~os cáleulos basados Pn esta teoría exigen el conoci-miento de lds características de los alambres termoeléctricos, es de-cir, potencia tPrmoelPctrica, condmtividad eléctrira y conductividadttrmica. Los lálrulos obligan también a conoct:>r las propiedadesópticas de las superficies rrcPptoras, así como su capacidad emiS"ivay rPflPrtora para distintas longitudes dP onda. Con esta informa-t•ión es po-.ible diseñar una pila termoeléctrica con una respuPstaóptim~t PU las t•ondicionPs rxiS"tentes. lJa ¡o,ensibilidad característica de una pila termoeléctrica determinasu respuPsta y, en teoría, esta magnitud Q se define así: vPR Q=--· (2) 9Jf>es la pnPrgía radiante que incidP sobre los receptores por unidadde tiempo; I, la intensidad de la corriente en el circuito de la pilatermoeléctrica-galvanómetro; y R, la resistencia total de este eir-cuito. Q es, rn rPalidad, como un rendimiento; el rendimiento conque la energía radiante a medirse se convierte en desviaciones enel galvanómetro. La expresión para Q en una pila. termoeléctrica no compensadade n uniones en función de las magnitudes de que depende es Q =~ Ivi_R= ___ ~r40"tAT3 + nP <t> yR,+Rq+R. n2T - - 2 n2J>2T]-t R,(VWt + VW2) + / l (3) 2T CAR.TWRICHT, C. H., Zeits. f. Physik, 92, 1511 (19114). S09
  32. 32. PILAS TERMOELÉCTRICAS EN VACtO Y MEDIC DE LA ENERGíA RADIANTEdonde I es la intensidad de la corriente termoeJé¡•trica en el cir-cuito de la pila-galvanómetro; R, la re!>istencia eléctrica total cons-tituida por la resistencia de la pila termorléctrica; Rt, la resistenciadel galvanómrtro R~; ~- cualqmer resistPneia ~xter11a, R.. . P es lapotencia termoeléctrica conjunta de los alambres termoeléctricos ex- o~N 1 CR<fl o- ~O ;:. S::<t - Cl) ..... .d ~ ~ ~ ~ cott1pensado . no compensaóo " o + ~ + + o o 10 20 30 iO 50 60 ·¡o BO 90 1t en ohmios Fig. 21prPsada en voltios por grado" c·entígradu". rr es la c·on"tante de ra-diación de Stefan-Boltzmann; A, Pl área del receptor; T, la tempe-ratura ab..,olnta dll rr<rptor; y f, ..,11 podrr de radiación eficaz. 1V 1y lV2 son los colfirirntes de Wiedemann-l<ranz de los dos alambresdP la termocupla. La suma entre corchetes representa las pérdidas térmicas totales3l0
  33. 33. PILAS TERMOEL:.tCTRICAS EN VACto Y MEDIC. DE LA ENERGIA RADIANTEdel receptor. El término del centro representa la pérdida de calorpor conducción por los alambres y el tercer término representa lapérdida de calor producida por efecto Peltier. Comúnmente, puededespreciarse la influencia del efecto Peltier en el diseño. El primer término representa la pérdida de calor por radiacióny conducción del gas. Cuando el receptor no está en· alto vacío, laconducción del gas tiene el mismo efecto, en el diseño, que el deaumentar el valor de ( y, como ya lo señalamos antes, un receptorde poca capacidad emisiva para la radiación de calor, f, tiene sobrela pila termoeléctrica el efecto de disminuir (A. La fig. 21 indica, en el caso de una pila termoeléctrica en vacío,la forma !n qu! Q depende de los valores de ( A, del número de uniones y de la resistencia eléctrica total del circuito de la pila. Si( es igual a la unidad, H construyen las curvas para A= 1 mm 2 y A= 3 mm 2 • Adrmás, dichas curvas son para alambres termoeléc-tricos de bismuto puro y bismuto más un 5 % de estaño, con unapotl:ncia termoeléetrica de 120 microvoltios/ 0 e y coeficientes deWiedemann-F1anz dr 3 X 10-s vatio-ohmio/° C2 y 4,2 X 1fr8 vatio-ohmio/0 e~, respectivamente. Las curvas llenas son para pilas ter-mo~léctricas que tienen una, dos, tres y cuatro uniones, y las curvaspunteadas son para pilas termoeléctricas compensadas, que tienenuna unión activa y dos compensadoras. besde el punto de vista práctico, conviene tener un mínimo deuniones. La información suministrada por la fig. 21 facilita la elec-ción más apropiada entre las consideraciones prácticas, por un lado,y la necesidad de una sensibilidad máxima, por el otro. Por lascurvas de la figura resulta evidente que la energía tiene que con-centrarse sobre un receptor del menor tamaño posible. Volviendo a la ecuación 3, vemos que, cuando el tercer términoentre· corchetes es pequeño comparado con el primero y el segundo,la sensibilidad, Q, es proporcional a la potencia termoeléctrica, P.Pero no siempre sucede así en la práctica y, por eso, la eleccióndel metal termoeléctrico no debe hacerse solamente a base de la po-tencia termoeléctrica. En realidad, la mayor parte de los metalesde potencia termoeléctriea grande tienen un coeficiente de Wiede-mann-Franz desfavorable que, al final, los hace menos útiles quemetales como las aleaciones de bismuto, más flexibles 28 • 28 CARTWRIGHT, C. H., Ann. d. Physik, 18, 656 (1933). El coeficiente deWiedemann-Franz, W, de cualquier metal puede determinarse mediante la fór-mula emplrica Q W = 2,!12 X 10-8 + !1 X 10-1-- vatio ohmioj•C2, Tdonde Q es la resistividad eléctrica y T la temperatura absoluta. Para bue~10sconductores, Q e_s pequeña, de manera que W es igual para todas estas sustancias. Sil
  34. 34. PILAS TERMOELÉCTRICAS EN V ACW Y MEDIC. DE LA ENERGIA RADIANTE Sensibilidad y energía mínima detectables. Cuando la magnitudQ, dada por la ecuación 2, se combina con la "ensibilidad a la co-rriente, d8jdl, y la resistencia total del circuito, H, sP obtiene lasensibilidad compuPsta, S, de una pila t<>rmoell>l·triea y un galva-nómetro con amortiguamiento crítico, según la fórmula. (4)donde 8 PS la desviación th•l ~alvanÓmetro, producida por la ener-~Ía radiante qur incide sobre PI receptor por unidad de tiempo. Antes Pra común comparar la srusibilidad, S, de los diversos ins-trumentos radiométricos. Esto produjo ciPrta confusión Pn la lite-ratura. En rt>alidad, al hacrr las medicionps radiométricas másdeliPadas 110 nos intert>sa pr·ineipalm<>ntP P] Yalor <lP S ( qut> puPdPhacPrsp tan g-ra!Hie· ¡·omo •P quilla nwdiantP un amplificador). sinola I.Xadítud con que ¡nH•dr me1lir·~p la llllrg-ía radiante en nn tiempodett>rminado o, lo que es ig-ual, la intl•nsidad mínima de erwrgíaradiante que puede medirse en tUl tiPmpo dado con una precisiOndt>tt>rmiuada. Las pt>rturbaciones sobrt• los instrnmPutos iufluyenen la magnitud de Psta desviacióu mínima. DesignartlliOs cou t•l ~ímbo,o Bmtn a PstH d!lWiaeión mínillla quepuedr nwdi1·se con una Jeetura y en un tiempo tm con uu error re-lativo mPdio g. Hasta el año Hl26 se consideraba ¡¡ue la eliminaciónd( la,. ¡wrltu·bat•iones dl qtw drp,•ndt> t•l va!ot· dl Om;n Pra sMo nnacut>stión de refiuamientv técnico. Ising fup el prinwro tll srñalarque nuestros métodos Pxpet·imentales estaban ya ba~tautP adt>lanta-dos, de manPra que, eu muehos ¡•¡¡so~, 8m; se ddt•rmiHaba por las 11fluctuaciones del movimiento browniano, siempre prest>nte 29. Siconsideramos el sistema de pilas termoeléctricas aislado de todaslas perturbaciones, excepto las produeidas por pl movimiento brow-niano del galvanómetro, resultará entonces fá~il detet·mina¡· el va-lor dP Omin. S1•g-ún t] JliÍIIlipio de la Pqnipartil·ióu dp la eueq:ría.todo objeto quP tt>ng-a un grado de libertad, como PI sü;teml! móvildP uuestro goal vanímwtro, pose< una cantidad dPfinida dt> PnPrgíaeinética y pot¡•ncial. El y¡¡Jor medio dP la Pnergía ciuétiea o de laenergía potencial, a 19° e, es ~kT = 2 X w-zt at scg. (5)La dPsviación nwdia o1·ig-iuaua por la t•Ju•rgía potPncial t•stá ¡·oute-nida en la expresión Energía potftwial = !KiP = !kT, (6) 29 IS!NG, G., lllil. Mag., 1, ti27 (1926),312
  35. 35. PILAS TERMOELf:CTRICAS EN VACíO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTEdonde K es la constante de torsión de la suspensión, y k, la constantede Boltzmann. Cuando se hace una lectura, las fluctuaciones de 8originan una incertidumbre que es igual a V T /K. Por eso, para ktener un error probable de g, una sola desviación debe ser, por lomenos, 1/ g veces la desviaciÓn media, o Omtn. = ~8 {7)Podemos demostrar que esta expresión Ps aplicable a cualquier ins-trumento radiométrico. Combinando la rcuación 7 con la· ecuación4, obtendrfmos una expresión para la linergía mínima que puedemedirse: cfl 6,6 X 10-u mtn. "" Sgyk vat. (8)Al comparar la q, de distintos instrumentos radiométricos, no sólohay que especificar el factor dP prPcii>i&n g, sino también Pl tiempo,t, que se tarda en medir la desviación. En el caso de un galvanómetro,ello se debf a que el valor de d 8/dl dependE dP fu. No fS correctosuponer, como generalmente se hace, quP el valor de </>mtn varíe conel cuadrado del período de la desviación. En realidad, cuando setrata de una pila termoeléctrica y dP un galvanómetro de amorti-guamiento crítico, el valor de </>mtn es proporcional a la raíz cuadradadel período del galvanómetro 30 • La </>mtn de una pila termoeléctrica y un galvanómetro puedeexpresarse en función del fartor g, o de Q de la pila termoeléctrica ydel período del galvanómetro : 1,1 X 10-10 «flmrn. = gQyto va t. (9)Con los valores de Q dados por las curvas de la fig. 12 se puedecalcular la energía mínima que incide sobre el receptor por unidadde tiempo y que puedP medirr.e con un detPrrninado aparato. Deberecordarse que la .sensibilidad del galvanómetro no Pntra en la ecua-ción 9. Sin embargo, la ecuación 9 indica que las desviaciones semiden directamente, o con ayuda de un dispositivo amplilicadorhasta el límite establecido por el movimiento browniano. Resumen sobre diseños de pilas termoeléctrica.s. El resto delcapítulo lo dedicaremos a un resumen de los resultados de las inve&-tigaciones teóricas y experimentales realizadas por uno de los autores, 30 CARTWRIGHT, C. H., Physics, 1, 211 (19!11). CuitNY, M., Ann. d. Physik, 12, 993 (1932).
  36. 36. PILAS TERMOEI.-:CTRICAS EN VACtO Y MEDIC. DE LA ENERGtA RADIANTE C Ha.wley Cartwright, acerca de los méritos relativos de los distintos instrumentos radiométricos y, además, presentaremos algunas con- clusiones generales (aunque no necesariamente finales) re~rultantes de esos estudios. Es posible construir microrradiómetros en vacío que midan menos energía, cf>min , que la<> mejores pilas termoeléctricas en vacío usadas ron un galvanómetro separado. Esta ventaja no es suficiente para dejar de lado la conveniencia práctica de una mayor flexibilidad de la pila termoeléctrica con un galvanómetro separado. Los holómetros en vacío y las pilas termoeléctricas en vacío tienen, en la actualidad, casi el mismo límite cf>m1n • Si existiera un material con mejores características que el níquel para la construcción de la lámina del holómetro, la situación sería otra. Los radiómetros no responderán en la misma forma que las pilastermoeléctrica~ a pnergías tan pequPñas como cf>mln. Los estudioscomparativos directos realizados por el autor, en particular en Ber- lín y en Brusela<; a<erca de las pilas termoel~ctricas y los radióme- tros en vacío, dieron r<:>sultados favorables a las pilas termoeléc- tricas en vacío. Genl:ralmente, los radiómetros son mucho mássensibles que la rombinacíón de pila termoeléetriPa y galvanómetro, por el uso d<:> un sistema móvil mucho más liviano qut> el que eB posible con un galvanómetro. Sin embargo, como aumenta el mo- vimiento browniano, s.P u<:>utraliza la vt>ntaja de desviaciones prima-ria, más grandes. Un problema de considerable importancia, que incide sobre las conclmiones anteriort>s es el siguiente: ¡,Por qué a menudo hay unavariación grande en la sensibilidad de las pilas termoeléctriras envacío. variariones de hecho lo bastantf grandes, en realidad, paradar cuenta de la> mucha> publicaciones aparecidas sobre mejoras enlas pilas termoeléctricas? f;a respuesta es que muchas pilas termo-eléctricas en vacío no han sido G()nstruidas con la· máxima sensibili- dad posible, por las razones siguientes : l. La sensibilidad de una pila termoeléctrica depende de la habi1idad (OU que haya sido construida. 2. l.Ja mayoría de las pilas termoelértrira> se han construido sin (álculos previos o, si se los hace. sin una información segura acercade la& propiedade<> física& de los materiales usados. 3. No siempre se emplea un vacío suficientemente altO: Una pilatermoeléctrica bien diseñada y construida debe ser unas veinte ve(esmás sensible en alto vacío que en el aire y, al aumentar el vacíodesde I0- 3 hasta I0- 6 mm de mercurio, la sensibilidad debe duplicarse. 4. La potencia termoeléctrica de los alambrt>s de bismuto y dealeación de bismuto es, a menudo, menor que 120 microvoltios/°C.Las impurezas, aunque sean muy escasas, pueden incidir mucho sobre
  37. 37. PILAS TERMOEUCTRICAS EN VACtO Y MEDIC. DE LA ENERGíA RADIANTEla potencia termoeléctrica del bismuto, por influencia en la orien-tación cristalina, etc. Por ejemplo, la potenria termoeléctrica delbismuto puro, con relación al robre, varía de 57 a 107,7 microvol-tios/0C para distintas orientaciones cristalina.q 31 . 5. Generalmente, se desestima la influencia que se ejerce cuandolas propiedades del bismuto. y en especial las de aleaciones de bismu-to, no concuerdan con las previsiones de la ley de Wiedemann-Franz,con el resultado de que se utilizan alambrPs termoeléctricos con unaresistencia demasiado pequeña, de manera que la sensibilidad caesegún la inclinación de la parte izquierda de las curvas correspon-dientes a las dibujadas en la fig. 21. En realidad, la sene.ibilidad final obtenible en una pila termoeléc-trica está limitada por el hecho desfavorable de que los metales ter-moeléctricos que poseen una potencia termoeléctrica alta no concuer-dan con la ley de Wiedemann-Franz. No obstante, si no fuera así,la propia potencia termoeléctrica limitaría la sensibilidad. Por laecuación 3, se ve que, para una potencia termoeléctrica de 250 mi-crovoltios¡oc, la pérdida de calor producida por el efecto Peltiert>e. igual a la pérdida de calor acarreada por la conduceión por losalambres. Aunque existe la posibilidad de encontrar metales termo-eléctricos mejores que el bismuto y la aleación de bismuto y 5% deestaño, parece poco probable qut> se avance mucho en ese sentido. Hay que tener bien presente que, aun cuando el estaño tiene unare~">istencia diez veces menor que la del bismuto, la aleación de bismutoy 5% de estaño tiPne una resistividad dos veces mayor que elbismuto puro. Es preciso tenerlo en cuenta cuando se buscan mejoresmetales termoeléctricos. El bismuto es un metal excepcionalmentebueno para construir pilas termoeléctricas, no sólo porque poseeuna potencia termoeléctrica bastante grande, sino también porquees un elemento metálico puro con una resistividad pequeña, queno se aparta mucho de la ley de Wiedemann-Franz. Si se desea mejorar la sensibilidad de las pilas termoeléctricas,existe la posibilidad de emplearla& a bajas temperaturas, en quepuede aumentarse Q en virtud de una mayor potencia termoeléctrica,una relación más favorable de Wiedemann-Franz y una menor pér-dida por radiación por parte de los receptores. Sin embargo, laspilas termoeléctricas en aire líquido ofrecen algunas desventajasen la práctica 82 • &1 BJUDGKAN, P. W., Am. Acad., Proc., 63, 347 (1927-1928). U CAaTwullrr, C. H., Reu. Sea. lnstf., 4, 382 (193!1). 515
  38. 38. CAPíTULO IXóPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROSE INSTRUMENTOS óPTICOS DiviJiones del espectro. El espectro electromagnético se dividenaturalmente en: la región seru;ible al ojo, la región infrarroja, confrecuencias menores que aquellas que percibimos como rojas, y laregión ultravioleta, con frecuencias mayores que las que percibimoscomo violeta. Estas regiont>s se definen, en forma aproximada, porlas longitudes de onda dadas t>n el cuadro l. Emplearemos los micro-nes para expresar la longitud de onda en la región de los rayosinfrarrojos y los angstroms para exprPsar la longitud de onda en elvisible y en el ultravioleta. La región visible incluye menos de unaoctava de frecuencia, mientras que la llamada región infrarrojacomprende, por lo menos, nueve octavas y la ultravioleta, cinco oseis octavas. Puentea luminoaaa. El Sol. El Sol ocupa el primer lugar entrelas fuentes de luz. Su uso se recomienda en muchos experimentos,por su brillo y porque las líneas de Fraunhofer constituyen líneasdivisorias convenientes de longitudes de onda. En la fig. 1 se venlas líneas de Fraunhofer visibles en el espectro de un buen espectros-copio de bolsillo.516
  39. 39. OPTICA: FUENT!:S LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS OPTICOS La distribución de energía en el espPctro solar, observado a travésde la atmósfera, es muy semejante a la de un cuerpo negro a 5.400° K.El rendimiento luminoso del Sol es de unos 80 lúmenes/vatio. Comose ve en la fig. 2, este rendimiento es tan grande como el que puedeobtenerse con un cuerpo caliente. + + + ~ + + + + + l.ooo 3Doo •ooo .S:ooo 6.ooo 7.- 8ooo 9.ooo Jaooo t:~mp~ta !;or.s ~" J(Yddos. absolut;os. Fig. 2. Cuando es preciso mantener en el laboratorio un haz de luz enuna dirección fija, se necesita un helióstato o un celóstato. Los he-lióstatos se pueden adquirir en los comercios que venden instrumen-tal científico. Los espejos de estos instrumentos, generalmente pla- CUADRO 1 DIVISIONES DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Región espectral Longitudes de onda límite Ultravioleta lejano 5oo A a 2000 A Ultravioleta 2000 Aa 4000 A Violeta 4ooo Aa 4460 A In digo 4460 A a 4640 A Azul 4640 Aa 5ooo ! Visible Verde 5000 , a 5780 A Amarillo 5780 Aa 5920 A Anaranjado 5920 , a 6200 A Rojo 6200 Á a 7200 Á Infrarrojo cercano 0,72 11 a 20 11 Infrarrojo intermedio 20 !L a 401t Infrarrojo lejano 40 11 a 400 f.! SI7
  40. 40. óPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOSteados en su parte posterior, deben tener el frente aluminizado sise desea obtener en la luz reflejada todo el rango del espectro solarhasta el corte por la barrera atmosft>riea, a 3000 Á más o menos. En las fi(Z:s. 3 y 4 se dan los detalles eonstruetivos de un felóstatode construcción casera. El instrumento puede funcionar mrdiante losengranajes de un reloj despertador; también, por medio de un relojTelechron. Los controle" del espejo secundario del celóstato se accio-nan mediante cuerdas para hacer los ajustes. L sol de equittocc io 1 . / sol de /~ inviev11o ~ ~~2~~~~~~~@~~!;~~t 1et 1 l;as,g-uía~ po...- la 1• 42Sf!Z.:Jo et11:::..-e es- tnafiana es~.:~o ent:re estas e-uías poY la t.a..-de 1cz" espe¡:¡o 1~..-c~pejo e11 1""espe;¡o (On la desvtaci6n en veYéltIO el equn1occio en tnvtevno del1czv espeJO 1$ d 2g espeJo pLK?de 3eYdiYiJttdo hacta ~r![~g~edi$f:s abaJo a través de Lma ab.zrl;uya ett el J;e- la sornb..-a det 2 " cJolo,si se pyefieYe est:a inst:atactóM espe;:Jo ceycadel mediodía Fig. 3 Lámparas de tungsteno. Las lámparas de tungsteno constituyenla fuente dl luz más conveniente en ll laboratorio. Su rendimientoes de unos 11 lúmenes/vatio para el tipo con filamento arrollado,enfriado por nitrógeno. En la fig. 6, capítulo XI, se da la distribución de la enlrgíaespectral de diversas lámparas con filamento de tungsteno. El es-pectro de emisión del filamento está limitado, en el ultravioleta einfrarrojo, por la transmisión del vidrio. Con bulbos de vidrio de:1,4 mm de espesor, el espectro se extiPnde desde unos 3.100 Á en elultravioleta hasta 3 p. en el infrarrojo. En la fig. 5 se ven dos lámparas con filamento de tungstenopara el laboratorio. La dibujada a la izquierda es una lámpara deproyección. Requiere 6 voltios y 18 amperios. Un autotransformador,o una batería de acumuladores de gran capacidad, sirve como fuente318
  41. 41. óPTICA: FUENTFS LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOS de alimentación. Naturalmente, se prefiere la batería cuando son importantes características la constancia y uniformidad 1 . La lámpa- ra de la derecha tiene un filamento recto. Es útil como lámpara para 4i;)"7 tuet"ca!O. del c.élula del v::ft!Ji;¡ montante ESP?JOd"hi~ ~rt~~r~na- rrowttd~ :r~~J Á ~JQ ~SI6n. 1e~~cg¡~~, "~Pc, - "- t.es @ . . , .... latttud . ~ ~ detalle tornillo sinfin de - ac.zro tarnlllo para el mo- vimiento lento retene~ que im- ptáen la salida accidental del espe.Jo arandela ernpuje detalle deJ montaJe d~J 1"r.espeJO Fig. 4.nn galvanómetro. Amb&J se adquieren en el comercio del ramo 2 • La marea de fábrica, en el extremo del bulbo de la lámpara de 1 El autotransformador es tan satisfactorio como la batería cuando su energiaproviene de la salida de un regulador de tensión Raytheon. 2 Se pueden obtener en la General Electric Company, Nela Park, Cleveland,Ohio.
  42. 42. OPTICA: FUENTES LUMINOSAS, FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOStungsteno, se elimina cuando interfiere la emisión de luz del fila-mento, frotando con rouge óptico y un trozo de fieltro. En la fig. 6 se ve una lámpara 8 con bulbo de cuarzo para espectrosde absorción. El bulbo contiene argón a una presión de 1,~ atmós-feras. El tungsteno funciona a unos 3.100°C y da un espectro deemisión continua que se extiende en el ultraviolt>ta hasta 2.500 Á.A la temperatura de funcionamiento, la presión de vapor del tungs-tt>no es apreciable y, normalmente, ennegrecería la parte de cuarzo.Sin embargo, las corrientes de convección del argón transportan 5 10 15 :ZO 2S .:tO e~cala en m m Fig. 5.hacia arriba las moléculas evaporadas del tungsteno y, por tanto,no se depositan sobre el cuarzo, sino en la parte superior de vidriodel bulbo, donde no perjudican la utilidad de la lámpara. Camisa de Welsbach. 4 Esta camisa refractaria era muy usadaen iluminación de viviendas y ahora se emplea en lámparas dequerosene. Se la lleva a la incandescencia en la zona exterior calientede una llama como la de un mechero de Bunsen, donde adquiereuna temperatura casi igual a la de la llama. La camisa se componede óxido de torio con 0,15 a 2,5 por ciento de óxido de cerio, a finde aumentar su capacidad de emisión visible. Este agregado de óxidode cerio desempeña el mismo papel que el sensibilizador en unaplaca fotográfica; es decir, introduce una banda de absorción -en laregión deseada del espectro, sin afectar materialmente las propie-dades ópticas. El efecto del óxido de cerio consiste en hacer que 3 Esta lámpara es fabricada por Philips Laboratory, Eindhoven, Holanda. 4 lvEs,H. E., KINGSBURY, E. F., y KARRER, E., A Phy>ica/, Study of the Wels-luuh Mantle, Fmnk. Jmt. ]., 186, 401, .~85 (1918).320
  43. 43. óPTICA: FUENTES LUMINOSAS. FILTROS E INSTRUMENTOS óPTICOSla emisión en el verde sea un 30 por ciento mayor que la de uncuerpo negro a L800°C, mientras que la emisión en el rojo y en elazul corresponden a una temperatura de color de L8<J0°C 5 • La1 ~misión en el infrarrojo cercano es inferior al 1%, desde 0,7 p. hasta Jnos 6 p., y la incapacidad de la camisa para irradiar calor en esta r~gión importante explica su alta temperatura. Para el espectro más allá de 10 ,.,., la camisa tiene otra vez una capacidad emisora superior al 75%. En el laboratorio, la camisa es una excelente fuente par(l radiaciones. de gran longitud de onda en el infrarrojo 6 . Barnes sugirió que se calentase la camisa con una llama aguda de oxígenoque le toque en un ángulo rasante 7 • Esto produce mayor temperatura y la sección calentada y alargada adquiere forma apropiada parailuminar la ranura de un espectrómetro. U:o.os años después, Pfund desa~:rolló un dispositivo que combinaba el calentamiento eléctrico con el de la llama, y obtuvo así temperaturas aun más elevadas 8 . vidrio alambre de cuarxo tun~te11o de L_ - - )) •Ut05 OJ?5 tt111 tetts¡óM eN la látttpava u11idad.zs aYbí~rariai~spec.tro cotltit1~.to hasta 2500 A Fig. 6. Fig. 7. Filamento incandescente de Nernsf. Los filamentos de Nernstestán compue&tos por polvo de bióxido de circonio con un 15% depolvo de óxido de itrio 9 • Cuando funcionan con corriente alterna,en cada extremo del tubo refractario se aseguran alambres de plf!.tÍnoflexibles, cementándolos con una me~cla de los óxidos en polvo y 5 FORSYTHE, W. E., j.O.).A., 7, 1115 (1923). 6 RUBENS, H., Deutsch. Phys. Gesell., Verh, 7, 346 (1905): Ann. d. Physik. IR.725 (190.;); 20, 593 (1906); Phys. Zeit>., 6, 790 (1905); 7, 186 (1909) 1 BARNES, R.· B., Rev. Sci. lntr., 5, 237 (1934). H PFUNl>, A. H., ].O.S.A., 26, 439 (1936). 11 NERNST, W., y BosE, E., Phys. Zeits., 1, 289 (1900). Los filamentos de Nemstse obtienen en Jos Stupakoff Laboratories, 6627 Hamilton Avenue, Pittsburg,Pensilvania. ~21
  44. 44. OPTICA: FUENTES LUMINOSAS, nLTROS E INSTRUMENTOS OPTICOS cloruro de circonio como aglomerante. Cuando funcionan con 1 corriente continua, el procedimiento para fijár los electrodos es/ más complicado. La lámpara de Nernst funciona, normalmente, unos 2.000°K. Su espectro se extiende de"de nna parte del ultravio- leta hasta una parte del infrarrojo. Sin embargo, se dice que, mts allá de 15 p., su emisión es inferior a la del calefactor de Globar.¡ En cierto momento, el filamento de N ernst pareció tener gran aplicación en iluminación comercial, por su rendimiento luminos(J di 6 lúmenesfvatio, comparado con los 3 lúmenesfvatio del filamento de carbón. Pero la lámpara incandescente moderna, con filamento de tungsteno en atmósfera de nitrógeno y un rendimiento de 11 lúmenesfvatio, cambió las cosas por completo. Actualmente, el uso·de la lámpara de Nernst queda confinado al laboratorio. Su l,itilidad di SI ación mica aislación d~ mica Fig. 8.depende de que funciona en el aire y su forma es conveniente (uncilindro de 0,4 a 0,6 mm de diámetro y 1 a 2 cm de largo) paraenfocar sobre la ranura de un espectrómetro. Griffith describió losdetalles constructivos de un filamento de N ernst 10 10 GRJFFITH, H. D., Phil. Mag., VI, 50, 263 (1925).522

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