ciencias aplicadas y experimentación
El banco de capacitores descrito en este blog anteriormente http://anajesusa.wordpress.com/2012/01/17/el-banco-de-capacitores/ es una herramienta muy interesante para realizar experimentos físicos, he seleccionado como ya es un clásico en este blog, diez pruebas y fenómenos que pueden realizarse con el dispositivo.
1. La onda de choque en el vacío
Mas de una vez he escuchado polémicas sobre la falta de asesoramiento científico que a veces hay en producciones cinematográficas de ciencia ficción, una frecuente es lo que ocurre realmente en el vacío cuando se produce una explosión, en los filmes vemos que la nave donde escapan los héroes es alcanzada y se producen tremendos cimbronazos y si son los eternos estadounidenses, salen airosos, si son los monstruos malos, la detonación destruye su nave y los elimina.
Aprovechando este dispositivo (banco de capacitores) y que dispongo de cámara de vacío he realizado unas pruebas simples para ver los efectos.
Consiste en adaptar el filamento explosivo dentro de un frasco plástico al que le he cortado la base y he sujetado con cinta papel de aluminio, el papel es frágil y lo suficiente rígido para mantener la deformación que le provoque la onda de choque.
El primer petardazo lo hice al vacío, a unas 400 micras, un vacío no tan vacío de una bomba mecánica, al momento de la explosión la presión subió unas 300 micras sobre el valor que tenía, producto de la volatilización del material del fusible
Esta es la imagen de la explosión misma, la tonalidad azul se debe a que era un filamento de hierro, ese color depende de los espectros de emisión de los átomos que componen el fusible explosivo, Otra prueba del presente trabajo trata el tema espectros discretos.
En esta imagen pueden verse restos incandescentes del filamento dentro del frasco
El foil de aluminio quedó intacto y es muy curioso el no escuchar ningún ruido cuando ocurre la detonación, también veremos este fenómeno en detalle en otra prueba
Estas fotos que siguen corresponden a la explosión a presión atmosférica
La onda de choque rompe el foil de aluminio y puede verse la luz de la explosión que sale por arriba del recipiente
La membrana de aluminio destruida
Conclusión, en vacío no hay onda de choque tal como la conocemos a presión atmosférica, si es posible que una cantidad de material producto de la detonación se disperse en una especie de frente que podría alcanzar la nave, pero los cimbronazos y eso…. quedan muy lindos y que bueno que los malos mueren ahí, pero no.
2. El sonido en el vacío
Como les había comentado es curioso hacer una detonación en la cámara de vacío porque se escucha solo un clic metálico, el solo hecho que la explosión se produzca en un ambiente estanco, ya limita mucho el ruido, todos sabemos que si no queremos que nos escuchen lo que hablamos en una habitación cerramos la puerta y desde la habitación contigua ya no se oye, eso ocurre porque las ondas sonoras se transmiten por aire, al hacer la explosión en la cámara por tanto hay dos factores por lo que no se escucha el ruido uno porque la cámara esta cerrada y otro porque en el vacío al no haber aire el sonido no se propaga mas que por las vibraciones de los sólidos que componen los soportes y cables.
En esta prueba se quiso eliminar el primer factor que limita, el recipiente estanco, para ello se instaló un micrófono dentro de la misma cámara de vacío y se grabó lo que ocurría
Esta imagen muestra el piezoeléctrico usado como micrófono
La tapa superior de la cámara de vacío con las salidas del cable de micrófono que va a la netbook
Para micrófono se usó un piezoeléctrico, se evitó usar el conocido electret porque estos micrófonos llevan incorporado un transistor de efecto de campo (FET) que puede ser afectado por el pulso electromagnético que se produce (ver prueba 5)
Para analizar la grabación se usó un software gratuito audacity
Los resultados:
En esta figura puede verse la explosión a presión atmosférica
La siguiente imagen es el espectro de frecuencias y magnitud de las mismas, el ruido llega a los -15 Db
Esta imagen corresponde a la explosión en vacío, el caso es que aún hay un pequeño ruido debido justamente a las vibraciones que transmiten los soportes donde se encuentra el fusible. Hay que destacar que se uso un recipiente dentro de la misma campana para evitar el sputtering, que al chocar contra las paredes y el propio micrófono transmite mas vibraciones
Puede verse el espectro y la magnitud que esta en los -51 Db unas 65 veces mas atenuadas que a presión atmosférica.
Los dos archivos de audio estan acá
3. El efecto flash
Una de las aplicaciones mas comunes en la cotidianidad de nuestros hogares del banco de capacitores es el flash fotográfico o destello fotográfico, en las cámaras hay un dispositivo que descarga la energía acumulada en un capacitor en una lámpara de xenón
Esta descarga debe estar bien sincronizada con la apertura del diafragma, este fogonazo actúa como fuente de luz artificial para iluminar la escena donde se toma la foto.
Para corroborar este efecto en completa oscuridad se toma una filmación a la vez que se hace una descarga del banco en un filamento de hierro, la cámara se debe colocar de manera que el destello de la explosión no alcance la lente y es conveniente apantallar parte de la misma ya que la luz es muy potente, luego analizamos con virtualdub (ver prueba numero 8) y encontraremos un frame donde la escena se encuentra iluminada.
He puesto un archivo que se llama flahnvo.avi , es un pequeño video para analizar con virtualdub, con un poco de humor ;-) , usando el efecto flash.
4. Sputtering
Este efecto que si bien puede ser interesante para recubrir espejos, caso que en este mismo blog se trató anteriormente http://anajesusa.wordpress.com/2009/05/25/la-tecnica-del-sputtering/ en ocasiones suele ser poco deseable, porque hace una suciedad alrededor de donde se produce la volatilización del filamento, el sputtering se produce cuando el plasma despega átomos completos del metal que se depositan sobre cualquier material que pudiera ser alcanzado, las cámaras de vacío en caso que se hayan hecho las descargas allí pueden ser limpiadas con ácido clorhídrico, agrego una foto del fenómeno.
Acá el sputtering grosero en el interior de un fusible, si uno detona muchas veces en una campana de vidrio, queda todo el interior recubierto de una fina capa de los metales, ensucia bastante.
5. PEM (Pulso electromagnético) EMP en ingles
Mucho se ha hablado del pulso electromagnético y muchas series de ciencia ficción han ilustrado los efectos que produce. Para aclarar, el PEM es un fenómeno que, si bien no causa gran problema físico a las personas, provoca una destrucción de toda la tecnología electrónica que se encuentra dentro de la zona en que ocurre. Este fenómeno está asociado a explosiones nucleares e impactos de asteroides y produce una gran diferencia de potencial de varios miles de voltios por metro.
Si consideramos que la electrónica funciona con pocos voltios, esta gran cantidad de voltaje destruye todo, aún los aparatos que están apagados, generando así enormes dificultades ya que todos los sistemas de comunicación, informáticos, etc. quedan fuera de servicio.
“Los 3 componentes del PEM nuclear, definidos por el IEC1, son llamados E1, E2 y E3.
- El pulso E1 es una componente muy rápida del PEM nuclear. Esta componente genera un campo eléctrico que induce voltajes muy intensos y rápidos en los conductores eléctricos. E1 es la componente que puede destruir ordenadores y equipos de comunicación y es además muy rápida para los protectores habituales contra rayos. La componente E1 es producida cuando la radiación gamma producida/generada por la detonación nuclear golpea a los electrones de los átomos de las capas superiores de la atmósfera. La velocidad de los electrones se encuentra en las velocidades relativistas (más del 90% la velocidad de la luz). Esencialmente esto produce un gran pulso de corriente eléctrica vertical en las capas altas de la atmósfera sobre todo¿en? el área afectada. Esta corriente eléctrica es afectada por los campos magnéticos de la Tierra que produce un pulso electromagnético muy grande pero muy breve que afecta al área.
- La componente E2 del pulso tiene mucha similitud con los pulsos electromagnéticos producido por el rayo de una tormenta. Debido a esta similitud son los más fáciles de proteger porque los aparatos de protección contra rayos son capaces de asimilar bien esta componente.
- La componente E3 del pulso es muy lento (tardando entre decenas y centenares de segundos) y está provocada por el calor de la detonación seguida de la restauración del campo magnético a su posición natural. La componente E3 es muy similar a una tormenta geomagnética provocada por una llamarada solar muy extrema. Al igual que las tormentas geomagnéticas ¿al igual que ellas?, la componente E3 puede producir corrientes inducidas en conductores largos dañando componentes como transformadores de líneas eléctricas.”
Tomado de wikipedia http://es.wikipedia.org/wiki/Pulso_electromagn%C3%A9tico
IEC1 , International Electrotechnical Comission
Con nuestro pequeño banco, no le podremos quemar ningún electrodoméstico a los vecinos ni nada parecido (que lástima J). Esta pequeña detonación produce, sí, un pulso electromagnético del tipo E2 de la clasificación anterior y puede ser detectado en la zona cercana a la explosión. En definitiva es un pulso electromagnético pero no es el PEM conocido y temido por todos.
Para observar este pulso podemos armar un sencillo electrómetro, construido con un transistor de efecto de campo (FET) muy común y económico, un MPF102.
El circuito es simple y con pocos elementos:
Todo el conjunto debe estar bien apantallado en una caja metálica. En este caso se usó la caja de un magnetrón de un horno de microondas y en él se han montado todos los componentes. El instrumento tiene un microamperímetro, del tipo cero en el centro, que se ajusta con un potenciómetro de 10K, en el conector de alimentación del magnetrón se colocó un trozo de alambre de cobre de unos 15 cm (que funciona como antena), además se instaló una llave para el encendido. En el interior se soldó, tipo araña, el FET[1] con los demás componentes del circuito
Para realizar la prueba, se colocará el fusible explosivo del banco dentro de un recipiente a fin de evitar ser alcanzado por las proyecciones del material, además, es conveniente tapar con cartulina negra para que la luz de la detonación no interfiera con la observación.
Luego, se coloca el electrómetro cerca del recipiente donde está el fusible explosivo del banco y se lleva a cabo la detonación. Se podrá observar así el movimiento de la aguja del instrumento justo cuando explota. Es conveniente filmar el experimento para ver claramente el pulso.
6. Coilgun
Para esta prueba será necesario fabricar una bobina con bastantes vueltas de alambre, sobre un carretel, hay que tratar que el caño central del carretel tenga un diámetro donde entre justo el proyectil, se bobinan sobre el carretel con alambre esmaltado o forrado de 0.70 mm unas 300 vueltas,
El video del coilgun
7. Magnetizador
Usando la misma bobina que se utilizó en el coilgun podemos magnetizar diversos objetos, como muestra de ello se procede a imantar un destornillador, el fuerte pulso magnético reorienta los electrones del material convirtiéndolo en un imán
Un video
He realizado también la siguiente prueba, si calentamos un imán, llegada una temperatura llamada punto Curie, éste pierde completamente sus propiedades magnéticas, así he calentado al rojo con un soplete un pequeño imán de neodimio haciéndole perder totalmente el magnetismo, luego lo he colocado en medio de la bobina y he descargado un pulso, se magnetizó débilmente.
Cambié la bobina anterior por esta de pocas espiras, pero grueso calibre
Descargué un pulso y el neodimio quedó fuertemente magnetizado prácticamente igual que la fuerza que tenía antes de llevarlo al punto Curie.
Estos trabajos son todos con fines didácticos educativos, si se va a usar el banco con alguna de estas finalidades específicamente, convendrá ir haciendo diversas pruebas para ver cual resulta más eficaz.
8. Espectros metálicos
Después de varias pruebas he logrado encontrar la forma de capturar los espectros del plasma, según que metal se volatiliza, siguiendo la técnica que nos enseña Alberto Villalobos (aewolframio de CCAA) colocando una red de difracción delante la lente de la cámara, para mas detalles en su blog http://hombrosdegigantes.blogspot.com/2008/04/digitalizacin-y-anlisis-de-espectros.html
He colocado un trozo de red de difracción de 1000 líneas por mm pegada con cinta transparente en la lente de la cámara, se puede usar un trozo de CD en su lugar.
Para realizar las pruebas es necesario colimar la luz que emite la explosión dejando solo un orificio por donde sale la misma, para ello se cubre la cámara de vacío o el recipiente donde se hace la detonación con una cartulina negra que tiene un orificio (Colimador) a la altura del filamento. Hice estos experimentos en vacío para evitar interferencias producidas por los gases del aire, pero se pueden hacer a presión atmosférica normal.
Hay que tomarle un poco la mano para apuntar la cámara en determinado ángulo se hace un video al oscuro total y se apunta de manera que el foco de luz quede bien al costado de la filmación eso deja centrado el espectro mas o menos en la mitad de la imagen, para obtener la foto luego se analiza frame a frame la filmación con algún programa como VirtualDub por ejemplo y quedan tal como estas imágenes
Espectro de un filamento de magnesio
Observen que la luz de la detonación queda bien al costado de la imagen
El espectro del cobre, en este metal predomina el verde,
En esta imagen donde se filmó directamente el estallido puede verse este color verde característico del cobre, en el círculo, un trozo de metal incandescente expulsado por la detonación.
Siempre las detonaciones conviene hacerlas dentro de algún recipiente para evitar accidentes, pues se producen proyecciones de material para cualquier parte y puede causarle quemaduras a alguien que se encuentre cerca
En esta imagen pueden verse esas proyecciones de metal incandescente
El espectro del hierro.
El siguiente es un análisis del espectro de arriba realizado por Alberto Villalobos, a quien agradezco su gentileza y predisposición
El análisis es más completo, si desea ampliar sobre el tema en científicos aficionados este link
“Como se puede ver en la siguiente imagen, el espectro practicado en un alto vacio muestra mucho menos señales que los iniciales hechos sin vacío.
Si comparamos este nuevo espectro con la referencia de hierro vemos que hay muchas mas coincidencias. No obstante quedan picos importantes sin explicar.
Podría ser que estas bandas sean señales moleculares de hierro pero no podrían ser de óxidos o hidróxidos por el vacio practicado.”
9. Soldadura de puntos
La prueba requiere de la confección de unos electrodos de cobre montados en una mecánica que los deje enfrentados, se uso en parte algo ya armado para este fin que presenté anteriormente este mismo blog (Una soldadora de puntos)
Con un soporte para amoladora angular que nunca sirvió para lo que nació lo armé y quedó asi:
Los elementos a puntear se colocan entre ambos electrodos y se sostienen mas o menos presionados, luego se cargan los capacitores, hay que ir probando hasta encontrar la energía necesaria para que la soldadura sea correcta, en mi caso con unos 150 voltios suelda dos alambres, como el diseño de este banco dispone de un voltímetro se puede ir cargando a distintas tensiones.
Para este tipo de usos siempre será más seguro usar capacitores de muchos microfaradios y menos voltios como el que se muestra en la imagen
Un video de cómo trabaja la soldadora de puntos
10. La compresión de la materia por el pulso magnético
El banco que estamos usando tiene una energía acumulada baja en comparación con otros, sin embargo es posible verificar este fenómeno.
Para hacerlo vamos a conectar una bobina con núcleo de aire de unas 7 u 8 vueltas tratando de formar un anillo
Luego colocamos dentro un tubo hecho con papel aluminio
El tubo se coloca dentro de la bobina tratando que las paredes del mismo queden bien pegadas a la bobina, se hace una descarga y
El resultado, queda con cintura el tubito J
Voy a agregar una imagen de axxon de materiales sometidos a muy fuertes campos magnéticos
Pueden ver mas imágenes en http://axxon.com.ar/zap/c-zapping0135.htm
