Tubo de ensayo estrella de neutrones. Sonoluminiscencia
Los hámsters les dan la bienvenida amigos.El post de hoy estará dedicado a un fenómeno físico interesante que da luz a las aguas ordinarias. Algunos lo llaman "estrella de neutrones", otros lo llaman "sonoluminiscencia".Si en un tubo de ensayo crea ciertas condiciones, entonces nacerá una pequeña burbuja luminosa. Su física se describe por varias propiedades que son difíciles de imaginar. En el curso aprenderemos cómo ensamblar una instalación para obtener sonoluminiscencia en el hogar, cómo configurar correctamente el sistema y considerar las dificultades que pueden surgir al crear una estrella de este tipo.
Todo comenzó con el hecho de que un buen día sentada en la inmensidad de YouTube, encontré un video en el canal de Sergey Matyushenko.sobre un fenómeno interesante que se basa en el brillo de la burbuja debido al efecto acústico. Después de revisar el video varias veces, me di cuenta de que repetir un fenómeno similar simplemente escupía. Una semana después, en mi escritorio estaban todas las piezas necesarias para ensamblar una instalación existente.El principio del dispositivo es bastante simple. La señal del generador se alimenta a los emisores piezocerámicos, que se pegan a un tubo de ensayo con agua. El sistema es una cámara acústica esférica, donde se forma una onda estacionaria en un líquido. La amplitud de onda en el sistema está regulada por un inductor variable conectado en serie con piezocerámicas, se forma un circuito LC resonante. Luego colocamos una burbuja de aire en la cámara, encontramos la resonancia, las ondas de choque actúan sobre la burbuja y se ilumina.Pero en realidad, todo resultó no ser tan simple, como dice mi padre: "todo está en el papel, pero se olvidó de los barrancos". El experimento es similar al cuadro de Schrödinger, que tardó seis meses en resolverse. Tratemos de considerar en detalle cada elemento de la instalación.
Tubos de ensayo.En este caso, estamos interesados en matraces de fondo redondo. Actuarán como una cámara acústica. Teóricamente, un tubo de ensayo debe tener un factor de alta calidad, pero solo Dios sabe cómo calcularlo mirando una imagen de cristalería química en Internet. La solución es ordenar varios tipos de contenedores a la vez de diferentes fabricantes, desde opciones soviéticas hasta modernos burgueses extranjeros.El mejor resultado lo demostró un tubo de ensayo de fondo redondo de la compañía checa Simax, con un volumen de 100 ml. Es un poco ovalado en apariencia, pero su vidrio tiene el mismo grosor en todas partes. Los tubos de ensayo soviéticos perdieron este parámetro, ya que es visible visualmente cómo el cristal brilla en la luz. No importa cómo lo intenté, en tales muestras no pude reparar la sonoluminiscencia.
Los primeros experimentos se llevaron a cabo con matraces de medio litro. Se vendieron en el mercado de abuelos, por lo que no tuve que elegir con el volumen. El fabricante es la planta Druzhnaya Gorka, la empresa más antigua de su industria, que existe desde 1801. Desde la práctica, es bueno hervir la leche de la abuela en esos platos y obtener alcohol, que es lo que hizo en su tiempo libre.Al comparar los tubos, puede observar la diferencia de tamaño. Descubrimos los platos para la cámara acústica.
A continuación, consideramos las piezocerámicas, que, como la dinámica, harán oscilar una multitud de átomos y moléculas en el volumen de agua.Para referencia:El efecto piezoeléctrico fue descubierto por Jacks y Pierre Curie en 1880. El efecto se manifiesta en la deformación de un material colocado en un campo eléctrico, y viceversa. Estos fenómenos también se denominan efecto piezoeléctrico directo e inverso. Por lo tanto, es posible extraer electricidad de estas arandelas, que fue utilizada por el fabricante de encendedores para estufas de gas, habiendo patentado su invención. Curiosamente, ¿los hijos de Pierre Curie reciben una tarifa de estos titulares de patentes?En el mercado, las piezocerámicas varían en tamaño y forma.La opción ideal era una arandela sólida sin agujeros de fabricación soviética, con un diámetro de 22 mm y un grosor de 4 mm. Durante los experimentos, se probó una gran piezocerámica con un diámetro de 50 mm y un grosor de 6.5 mm; se pueden encontrar anillos similares en la construcción de los emisores Langevin, que se utilizan en la fabricación de baños ultrasónicos. Una cosa poderosa, puede subir hasta cientos de vatios.
El siguiente paso para crear una cámara acústica es la conexión de piezocerámicas con un tubo de ensayo. Antes de hacer esto, suelde los cables a las arandelas. Los contactos en las muestras soviéticas son plateados o incluso plateados; por lo tanto, se oscurecieron de vez en cuando. Limpiamos la superficie a un brillo de espejo. Un poco de trabajo con un taladro, y el resultado no tardará en llegar. Todas las marcas e inscripciones en el metal son visibles.Soldaremos los cables con ácido y un poderoso soldador, debe hacer esto con un toque rápido para que nada se sobrecaliente. Aquí puede ver pequeños surcos para soldar, una solución bastante conveniente del fabricante. Los cables deben ser flexibles. La fina pulverización de plata es muy delicada para las cargas externas. Las conclusiones difíciles no son aceptables, excepto que el metal vomitará, por lo que incluso las cerámicas pueden dañarse.
Para la colocación simétrica de emisores piezoeléctricos, debe marcar el matraz.Creamos herramientas para la geometría descriptiva a partir de medios improvisados: un cuadrado, un marcador, tuerce el matraz y marca el centro. En cualquier lugar conveniente ponemos una marca. Corte un pequeño trozo de alambre o hilo, que es igual a la circunferencia de nuestra bombilla. Ahora medimos la longitud del hilo y fijamos el resultado, 34 cm. Divida esta longitud por dos y obtenga 17 cm. Marque. Luego, combínelo con la marca en el matraz. Ahora, en uno de los extremos libres del cable, queda por marcar el lugar donde los emisores se colocarán estrictamente simétricamente entre sí. Este ejemplo se muestra en un matraz de 500 ml, ya que los primeros experimentos se llevaron a cabo en él.
Es hora de conectar los emisores. Haremos esto usando adhesivo epóxico de dos componentes como "Araldita", tiene buenaadherencia a diversos materiales. El tiempo de solidificación completa es de aproximadamente un día, a pesar del hecho de que el envase dice 90 minutos. Los chinos utilizan esta resina epoxi en la producción de baños ultrasónicos, y esto no es accidental. Exprimimos el contenido de los tubos en las proporciones de uno a uno. Usando una espátula, mezcle bien la composición hasta que se forme una masa homogénea. Se volverá similar en color y consistencia a la leche condensada del supermercado más cercano. Es tan grueso y se estira como la nutella.La ventaja de tal masa es que no se extiende, el menos es un color lechoso. En mi opinión, el epóxico debería ser transparente, porque durante los experimentos se probaron al menos tres tipos de resinas de dos componentes, y todos mostraron un buen resultado. Lo principal es batir este nogogol-mogul lentamente para que no haya burbujas, impiden un buen contacto acústico entre el emisor y el tubo.
Antes de la aplicación, las superficies se deben desengrasar con alcohol-gasolina o acetona. No es una tarea fácil adivinar la cantidad de resina en el emisor; a menudo la extiendo. Con matraces pequeños, la situación es más simple, hay menos necesidad de epóxido y, por lo tanto, los alrededores, las manos, la ropa, etc. estarán menos sucios. Permíteme recordarte que lavar esa basura sigue siendo una ocupación.
Entonces, las cámaras acústicas están listas. Trabajar en la creación de cada toma unos 2 días. Ahora estos vasos se pueden llenar con agua y tratar de obtener estrellas de neutrones. ¡Pero aquí yace otro punto muy importante!
Agua. Aquí no se necesita simple, sino especial, preparado de antemano con una temperatura determinada. Entender solo esta etapa tomó alrededor de 3 meses de mi vida. Sí, e higos con ella, su vida sigue siendo de 9 piezas, al igual que los gatos, pero eso no es seguro ... Utilicéprincipalmente agua para el experimento después de la ósmosis, también recomiendo que obtengas ese filtro. Como dicen: "somos lo que bebemos", por ejemplo, tengo cerveza, ¿y tú?Si no hay filtro, puede usar agua destilada, si todo está completamente apretado, entonces el agua del grifo se irá, esta opción también funcionará, ¡pero no lo recomiendo!Vierta el líquido con un margen en un recipiente limpio y prelavado. Los restos de la vieja sopa no deben estar en nuestra agua. Esta etapa se puede llamar desgasificación. Idealmente, es bueno usar una cámara de vacío, pero no está en la granja, ya que hervimos el líquido durante 30 minutos, esto será más que suficiente.Vierta agua en un recipiente para alimentos, debe ser a prueba de fugas, es importante que en el proceso de enfriamiento el agua no bombee aire desde el exterior.Cerramos la tapa y vemos cómo en los primeros segundos de un sudoku tiende a expandirse y explotar en la primera oportunidad adecuada. ¡Pero espera, necesitas refrescarte! Coloque el recipiente en agua fría durante unos 10 minutos. En este momento, lave cuidadosamente la cámara acústica, debe ser transparente como una lágrima. Champú, hadas, utilizamos todos los detergentes. Durante este tiempo, cuando se enfría, se aplana el recipiente, lo que se necesita, ahora está bajo vacío. Colocamos el contenido en el congelador, necesitamos una temperatura de aproximadamente 5 grados. Si pierde el momento anterior a la aparición de la corteza de hielo, el procedimiento de preparación del agua debe repetirse nuevamente, ya que en este caso no fue posible observar sonoluminiscencia. ¿Cuál es la razón de esto? No lo sé.Agua pura evacuada.Llena el tubo hasta el cuello. Acostado en una tangente para no capturar las burbujas de aire adicionales. Entonces, aquí está, la cámara resonante correcta con el agua correcta. Una lente perfectamente transparente, fría y esférica, en la que 10 de cada 10 intentos tuvieron éxito en la creación y observación de sonoluminiscencia de burbuja única.
Ahora, cómo hacerlo no es necesario y cómo suele terminar.Si simplemente recoge agua del grifo o del filtro sin más desgasificación, e incluso la vierte de todos modos, como resultado veremos una imagen tan insatisfactoria. ¡Es inaceptable! Dado que nuestra tarea es obtener una sola burbuja equilibrada, que se coloca en el volumen de líquido desde el exterior. Pero si apareció un refresco en el tubo de ensayo, saque el teléfono y comience a tomar una foto, puede obtener hermosas tomas con el efecto de burbujas de lentes.
Los primeros intentos de desgasificar el agua se llevaron a cabo en un stand previamente preparado con la participación de destilado y alcohol seco. Para evitar que las partículas de polvo ingresen al agua, se colocó una tapa en la parte superior. El agua hirviendo sigue siendo un fenómeno emocionante, aquí puedes ver todos los flujos ascendentes de la sustancia calentada ...El resultado de tal ebullición, naturalmente, no condujo a nada bueno, ya que el cuello del tubo no estaba cerrado herméticamente, y durante el enfriamiento, el agua nuevamente bombeó aire y se volvió inadecuado para más experimentos. Pero entonces no sabía esto, vertí agua y observé una imagen similar de la formación generalizada de burbujas. Estaban en las paredes internas, en el volumen más interno y, en general, en todas partes, sin importar dónde.
Entonces, ya sabemos cómo preparar el agua.A una temperatura baja del agua, comenzará a formarse condensación en las paredes del matraz, interferirá, por lo tanto, almacenamos servilletas y trapos absorbentes. Logramos obtener una estrella de neutrones de nuestra propia práctica a temperaturas de 5 a 15 grados centígrados. A los 10, el brillo era más brillante que cualquier cosa, a menos de 5 y más de 15, prácticamente no había brillo. Cuando el agua se enfrió para formar cristales de hielo, no hubo brillo en absoluto en todo el rango de temperatura.
Se instala una cámara de resonancia, las ondas acústicas actúan sobre la burbuja, apagan la luz y ven un fenómeno raro con la formación de una pequeña estrella de neutrones.Para registrar el fenómeno en la cámara, necesita instalar un fondo negro y obtener una lente rápida, mi antiguo ultrasonido resultó ser casi ciego cuando se filmaba este fenómeno. Esto no me dice nada sobre el enfoque en un punto en el espacio. Por esta razón, el proyecto se congeló durante unos seis meses antes del advenimiento de nuevos equipos de filmación.La cámara acústica en la etapa inicial de obtención de sonoluminiscencia debe resaltarse para comprender si la burbuja se ha estabilizado en el centro del bulbo. En esta etapa, la información sobre la creación y preparación de una cámara acústica puede considerarse exhaustiva, por lo tanto, recurrimos al generador y al sistema de control de esta configuración experimental.
Al principio, decidí tomar un circuito probado de un baño ultrasónico, aquí se puede ajustar tanto la frecuencia como la potencia para obtener aproximadamente 60 vatios. Él crió el circuito debajo de las partes a la mano. La compacidad de la placa con este enfoque está garantizada. Cuando se trabaja a gran capacidad, los problemas surgieron de inmediato.La primera inclusión de la instalación para controles de salud, por error realizada con un tubo de ensayo vacío. Al ajustar la frecuencia, el vidrio en algún momento entró en resonancia y se agrietó. Para hacer que un nuevo matraz fuera pereza, debe reparar el viejo, insertar un trozo de vidrio en el lugar donde cayó y llenarlo con epoxi en la parte superior. Devolvemos al soldado a las filas y seguimos observando.
Al no tener suficiente información, me pareció que la resonancia acústica en el matraz está directamente relacionada con la resonancia mecánica de las piezocerámicas en sí, pero el hecho es que la resonancia mecánica de cada tipo de piezocerámica será diferente. Esto no se detuvo durante 5 noches sentado e intentando encontrar una aguja en un pajar.Todos los cálculos iniciales se tomaron desde el techo, desde aquí se seleccionó incorrectamente la bobina de inductancia, la frecuencia en el generador, etc. A pesar de esto, de alguna manera, logramos lograr una burbuja estable en el centro del matraz.Bajo la influencia de las ondas acústicas, se contrajo hasta tal punto que a veces simplemente desapareció del campo de visión.A veces comenzaba a reflejar la luz como una gota plateada de metal. Las amplitudes del voltaje en los emisores alcanzaron valores tales que la ferrita ordinaria dentro del inductor comenzó a chocar, dejando atrás pequeños rastros de quemaduras en los dedos. Al mismo tiempo, una bombilla de neón comienza a brillar incluso antes de tocar el emisor. Tales campos fuertes alrededor.
Después de numerosos intentos fallidos de obtener una estrella de neutrones, me preguntaba qué pasaría si bombeaba la máxima potencia posible para este sistema en la cámara acústica. Desenrosque el voltaje de la fuente de alimentación al máximo y mire el resultado. Desde los primeros segundos se puede observar una fuerte cavitación en el agua, que cambia su forma ...Durante la sintonización de frecuencia, el bulbo de vidrio entró en resonancia y se agrietó, sacrificándose por el bien de la ciencia. El contenido del matraz, a medida que se vacía, deja gradualmente su marca en el techo de los vecinos de abajo. Hay una inundación alrededor, pero el matraz todavía está aguantando. Dejo los sonidos reales de este experimento en el video .Observamos el elemento piezoeléctrico derecho en la cámara resonante. En ese momento, probablemente se quebró y aparecieron destellos de plasma en él.La verificación adicional mostró que el elemento está muerto. A juzgar por el testimonio de la fuente de alimentación, la potencia del elemento piezoeléctrico superviviente es de aproximadamente 180 vatios. En esta etapa de la filmación, estaba seguro de que era imposible obtener sonoluminiscencia en casa y que no había nada más que perder. Pasamos mucho tiempo, recursos y noches de insomnio, ya que fue después del atardecer que el trabajo comenzó en esta dirección ...Araldite, alabado por muchos, no soporta grandes cargas de vibración, varias veces fue necesario pegar los piezo-emisores, pero ahora estamos hablando de una gran cámara acústica, que Nunca ganó correctamente.
Otra decisión fue contactar al propio Sergey Matyushenko , quien, como nadie más, sabía cómo funcionaban los principios de este experimento.Al final resultó que defendió su tesis sobre este tema, por lo que amablemente contó todos los matices cuando recibió sonoluminiscencia, por lo que muchas gracias a él.Entonces, para empezar, necesitamos un oscilador maestro preciso, en el que la frecuencia no flote desde la temperatura ambiente, para estos fines, un sintetizador de frecuencia en el chip ad9850 es perfecto. En su salida, obtenemos un seno puro con un paso de ajuste de 1 Hz. En la granja, dicho dispositivo es simplemente insustituible, con su ayuda puede encontrar resonancias, verificar el rango de trabajo de los sistemas de audio y usarlo en otras direcciones experimentales diferentes. El rango de frecuencia varía de 1 Hz a 40 MHz. Pero, la amplitud de la señal de salida sinusoidal del dispositivo es muy pequeña e igual a solo 2 voltios. Para amplificar la señal, es racional usar un amplificador.
Dado que las frecuencias dentro del experimento son pequeñas, es racional usar un amplificador de frecuencia de audio. En este caso, se utiliza un amplificador de clase H de un solo canal en el chip TDA1562Q. Es de bastante alta calidad y reproduce música increíble.
Para el funcionamiento de los emisores piezoeléctricos, se requiere un alto voltaje, cuya fuente está ausente en este circuito. Una forma de obtener un voltaje suficientemente alto es usar un circuito oscilatorio sintonizado para resonancia.En este trabajo, utilizamos un circuito oscilatorio secuencial en el que el papel de la capacitancia es desempeñado por los emisores piezoeléctricos, y en el papel de un inductor, un inductor, que puede cambiar sus parámetros al introducir una varilla de ferrita en él. Las indicaciones aquí pueden variar de 8 a 50 mH dependiendo de la longitud y la permeabilidad de la ferrita. Usé un alambre de cobre 0.68 enrollado en 8 capas. Cuanto más grueso es el cable, menos pérdida.La presencia de resonancia en el circuito se determinará conectando una resistencia de 1 ohmio al circuito, en paralelo con el que conectamos el circuito del osciloscopio.Cuando la frecuencia del generador y la frecuencia natural de la resonancia del circuito formado por el inductor y la capacidad de los emisores piezocerámicos coinciden, la amplitud de voltaje máxima se observa en la resistencia, que corresponde a la corriente máxima del circuito, que a su vez indica la presencia de resonancia.El esquema completo para obtener sonoluminiscencia de burbuja única se parece a esto. La señal del generador de referencia se alimenta a un amplificador de frecuencia de audio, en cuya salida se forma un seno de una frecuencia dada con una amplitud de, digamos, 12 voltios. Esta señal se alimenta a un circuito LC que consiste en un inductor variable y una cámara acústica donde los emisores piezocerámicos actúan como condensadores. Se forma una onda estacionaria en el volumen del líquido, en el medio del cual se forma una burbuja luminosa de interés para nosotros.
Comenzamos la instalación y colocamos una pequeña burbuja de aire con una jeringa en el volumen de líquido. ¿Pero cómo sabes la frecuencia deseada con la que se forma una onda estacionaria dentro de la cámara acústica? Todo es simpleSi lo tomamos aproximadamente, entonces la resonancia se logra cuando la longitud de onda acústica es igual a la distancia entre los emisores piezoeléctricos. Si medimos el diámetro de nuestro tubo de 100 ml, será igual a 65 mm, esta es una cifra y será igual a la longitud de la onda acústica necesaria para nuestros cálculos. Como saben, la longitud de onda se propaga en un determinado medio a una velocidad determinada, y está determinada por la expresión: la longitud de onda es igual a la velocidad dividida por la frecuencia. Desde aquí expresamos la frecuencia, que es igual a la velocidad dividida por la longitud de onda, que también es igual a la velocidad dividida por la distancia entre los emisores piezoeléctricos.La velocidad de propagación del sonido en el agua en t = 0 es igual a c = 1402.7 m / s. Dividimos esta cifra por la distancia entre los emisores de 65 mm, y obtenemos una frecuencia de 22.270 Hz.También vale la pena considerar el cambio en la velocidad de propagación del sonido en un líquido con un cambio de temperatura. Con el aumento de la temperatura, la velocidad del sonido en un líquido aumenta, por lo que la frecuencia también aumenta. En el futuro, la frecuencia de resonancia calculada diferirá de la real debido a la compleja geometría de la bombilla.
Entonces, se hacen los cálculos.Comenzamos a seleccionar la frecuencia y observar cómo cambia la señal en una resistencia de 1 ohm conectada en serie al circuito. Independientemente de la frecuencia, la amplitud de la señal se puede cambiar introduciendo una barra de ferrita en el inductor. Muy confortablemente. Con una jeringa, coloque una burbuja en el volumen de líquido. Se exprimirán más de lo necesario, pero debido a la onda acústica, todos serán atraídos hacia el centro de la bombilla.Los emisores piezoeléctricos están pegados al pegamento epoxi, sus centros están ubicados en el mismo eje. El voltaje aplicado a las dos superficies conductoras de los radiadores piezoeléctricos paralelos entre sí, provoca deformación mecánica (efecto piezoeléctrico inverso). Cuanto mayor es la amplitud del voltaje, mayor es la amplitud de la deformación del elemento piezoeléctrico, que se transmite a la cámara acústica..Luego, debido a las fuerzas de Bjerknes, si la frecuencia del ultrasonido es cercana o igual a la resonancia, las burbujas comenzarán a moverse hacia la parte central del bulbo. Esperamos hasta que la burbuja se estabilice y, por así decirlo, cuelgue en el centro de la cámara acústica. Si la burbuja salta de lado a lado, tratamos de cambiar la frecuencia hacia arriba o hacia abajo, hemos logrado estabilidad, luego aumentamos lentamente la amplitud de la señal al introducir una barra de ferrita en la bobina de inductancia variable. Aquí es importante no resolver, ya que la burbuja puede desestabilizarse, lo que conducirá a la desaparición del resplandor, o puede desaparecer por completo. Si aún no hay brillo, intente agregar o viceversa para tomar un par de mililitros de agua de la cámara acústica. También ayuda a compensar la posición del tubo con respecto a la abrazadera que sujeta el cuello., . .
, 20- , , .La sonoluminiscencia, una burbuja de cavitación que cuelga en la parte central del matraz, comenzó a emitir luz azulada visible. Parecía algo inalcanzable y realmente sorprendente. Un fenómeno físico raro que, debido a la exposición acústica, genera luz en una pequeña burbuja de aire. El color del brillo y el brillo en el futuro podría ser ligeramente diferente. La burbuja podría emitir tanto un resplandor blanco como uno azulado. En algunos artículos científicos leí acerca de la existencia de un resplandor rojo, pero en el marco de este experimento, no fue posible solucionarlo. Aquí, la temperatura del agua, la presencia de sales disueltas en él, la frecuencia de resonancia, la amplitud del efecto sobre la burbuja y otros factores, cuya existencia es difícil de adivinar, la afectan.La física de un destello de luz surge aquí debido al hecho de que una poderosa onda ultrasónica en el agua conduce a la cavitación. Después de todo, una onda de sonido es una alternancia de alta y baja presión, y si la presión disminuye hasta tal punto que se vuelve muy negativa, entonces la onda de sonido literalmente rasgará el agua y creará una burbuja de gas en ese momento. Luego, después de medio período de oscilación del sonido, cuando la presión, por el contrario, se vuelve grande, esta burbuja se colapsa rápidamente, y en el proceso de compresión aguda se calienta.Es en el último momento de su colapso, cuando la temperatura dentro de la burbuja de cavitación alcanza miles de grados, emite un breve destello de luz. En nuestro caso, la burbuja permanece en su lugar, contrayéndose y expandiéndose al ritmo de la onda ultrasónica y, emitiendo miles de destellos por segundo, genera un brillo estable.
Para referencia. La creación de este número llevó un año y medio récord. Muchas personas escriben en los comentarios por qué el video en el canal es tan raro, ¡respondo porque! Si alguien pregunta qué beneficio puede aportar este experimento, respondo que no. Tú y yo acabamos de ganar experiencia en otro oficio.Como dicen, ¡todo lo ingenioso es simple!
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