⏰ 🚕 📃 Estrela de nêutrons do tubo de ensaio. Sonoluminescência 😗 👏🏿 🎥

Hamsters recebê-los amigos.

O post de hoje será dedicado a um fenômeno físico interessante que gera luz na água comum. Alguns chamam de "estrela de nêutrons", outros de "sonoluminescência".
Se em um tubo de ensaio para criar certas condições, então nascerá uma pequena bolha luminosa. Sua física é descrita por várias propriedades que são difíceis de imaginar. No curso, aprenderemos como montar uma instalação para obter sonoluminescência em casa, como configurar corretamente o sistema e considerar as dificuldades que possam surgir na criação dessa estrela.

Tudo começou com o fato de que um belo dia, sentado na minha bunda na vastidão do YouTube, encontrei um vídeo no canal de Sergey Matyushenkosobre um fenômeno interessante que se baseia no brilho da bolha devido ao efeito acústico. Depois de revisar o vídeo várias vezes, percebi que repetir um fenômeno semelhante acabou de cuspir. Uma semana depois, em minha mesa estavam todas as peças necessárias para montar uma instalação existente.

O princípio do dispositivo é bastante simples. O sinal do gerador é fornecido aos emissores piezocerâmicos, que são colados a um tubo de ensaio com água. O sistema é uma câmara acústica esférica, onde é formada uma onda estacionária em um líquido. A amplitude de onda no sistema é regulada por um indutor variável conectado em série com piezocerâmica, um circuito LC ressonante é formado. Então colocamos uma bolha de ar na câmara, encontramos a ressonância, as ondas de choque atuam na bolha e ela brilha.

Mas, na realidade, tudo acabou não sendo tão simples, como meu pai diz - "tudo está no papel, mas esqueci as ravinas". O experimento é semelhante ao da caixa de Schrödinger, que levou seis meses para ser resolvida. Vamos tentar considerar em detalhes cada elemento da instalação.

Tubos de ensaio.Nesse caso, estamos interessados em frascos de fundo redondo. Eles atuarão como uma câmera acústica. Teoricamente, um tubo de ensaio deve ter um fator de alta qualidade, mas só Deus sabe como calculá-lo olhando uma foto de vidro químico na Internet. A solução é encomendar vários tipos de recipientes de uma só vez de diferentes fabricantes, desde opções soviéticas até modernas burguesas estrangeiras.

O melhor resultado foi demonstrado por um tubo de ensaio de fundo redondo da empresa checa Simax, com um volume de 100 ml. Sua aparência é um pouco oval, mas seu vidro tem a mesma espessura em todos os lugares. Os tubos de ensaio soviéticos perderam esse parâmetro, pois é visualmente visível como o vidro brilha na luz. Não importa como eu tentei, nessas amostras eu não era capaz de corrigir a sonoluminescência.

As primeiras experiências foram realizadas com frascos de meio litro. Eles foram vendidos no mercado do avô, então não tive que escolher com volume. O fabricante é a fábrica de Druzhnaya Gorka, a empresa mais antiga de seu setor, que existe desde 1801. Na prática, é bom ferver o leite da avó em tais pratos e obter álcool, o que ele fez em seu tempo livre.

Ao comparar os tubos, você pode observar a diferença de tamanho. Nós descobrimos os pratos para a câmara acústica.

A seguir, consideramos a piezocerâmica, que, como a dinâmica, irá balançar uma multidão de átomos e moléculas no volume de água.

Para referência:o efeito piezoelétrico foi descoberto por Jacks e Pierre Curie em 1880. O efeito se manifesta na deformação de um material colocado em um campo elétrico e vice-versa. Esses fenômenos também são chamados de efeito piezoelétrico direto e inverso. Portanto, é possível extrair eletricidade dessas arruelas, que foram usadas pelo fabricante de isqueiros para fogões a gás, tendo patenteado sua invenção. Curiosamente, os filhos de Pierre Curie recebem uma taxa desses patentes ?!

No mercado, a piezocerâmica varia em tamanho e forma.A opção ideal era uma arruela sólida sem furos de fabricação soviética, com 22 mm de diâmetro e 4 mm de espessura. Durante os experimentos, um grande piezocerâmico com um diâmetro de 50 mm e uma espessura de 6,5 mm foi testado; anéis semelhantes podem ser encontrados na construção de emissores Langevin, que são usados na fabricação de banhos ultrassônicos. Uma coisa poderosa, você pode balançar até centenas de watts.

O próximo passo na criação de uma câmara acústica é a conexão da piezocerâmica com um tubo de ensaio. Antes de fazer isso, solde os fios às arruelas. Os contatos nas amostras soviéticas são banhados a prata ou mesmo prateados; portanto, escureciam de vez em quando. Limpamos a superfície com um brilho espelhado. Um pouco de trabalho com uma broca, e o resultado não tardará a chegar. Todas as marcações e inscrições no metal são visíveis.

Soldaremos os fios usando ácido e um ferro de soldar poderoso; você precisará fazer isso com um toque rápido para que nada seja superaquecido. Aqui você pode ver pequenos sulcos para solda, uma solução bastante conveniente do fabricante. Os fios devem ser flexíveis. A pulverização fina de prata é muito delicada para cargas externas. Conclusões difíceis não são aceitáveis, exceto que o metal vomitará, e até a própria cerâmica poderá ser danificada.

Para posicionamento simétrico de emissores piezo, você precisa marcar o balão.Criamos ferramentas para geometria descritiva a partir de meios improvisados: um quadrado, um marcador, torcer o balão e marcar o meio. Em qualquer lugar conveniente, colocamos uma marca. Corte um pequeno pedaço de fio ou fio, igual à circunferência da nossa lâmpada. Agora medimos o comprimento da linha e fixamos o resultado em 34 cm. Divida esse comprimento por dois e obtenha 17 cm. Coloque uma marca. Em seguida, combine-o com a marca no balão. Agora, em uma das extremidades livres do fio, resta marcar o local onde os emissores serão colocados estritamente simetricamente um em relação ao outro. Este exemplo é mostrado em um balão de 500 ml, desde que as primeiras experiências foram realizadas nele.

É hora de conectar os emissores. Faremos isso usando adesivo epóxi de dois componentes, como "Araldite", que possui ~~boa~~adesão a vários materiais. O tempo de solidificação completa é de cerca de um dia, apesar de a embalagem demorar 90 minutos. Essa resina epóxi é usada pelos chineses na produção de banhos ultrassônicos, e isso não é por acaso. Nós esprememos o conteúdo dos tubos na proporção de um para um. Usando uma espátula, misture bem a composição até formar uma massa homogênea. Ele se tornará semelhante em cor e consistência ao leite condensado do supermercado mais próximo. É tão espessa e estica como nutella.

A vantagem dessa massa é que ela não se espalha; o menos é uma cor leitosa. No meu entendimento, o epóxi deve ser transparente, porque durante os experimentos pelo menos três tipos dessas resinas de dois componentes foram testados e todos apresentaram um bom resultado. O principal é vencer esse nogogol-mogul lentamente, para que não haja bolhas, elas impedem um bom contato acústico entre o emissor e o tubo.

Antes da aplicação, as superfícies devem ser desengorduradas com álcool-gasolina ou acetona. Não é uma tarefa fácil adivinhar a quantidade de resina no emissor; eu freqüentemente a espalho. Com frascos pequenos, a situação é mais simples, há menos necessidade de epóxido e, portanto, o ambiente, as mãos, as roupas e assim por diante serão menos sujos. Deixe-me lembrá-lo que lavar essa sujeira ainda é uma ocupação.

Então, as câmeras acústicas estão prontas. O trabalho de criação de cada um leva cerca de 2 dias. Agora esses vasos podem ser preenchidos com água e tentar obter estrelas de nêutrons. Mas aqui está outro ponto muito importante!

Água. É necessário aqui não simples, mas especial, preparado antecipadamente com uma certa temperatura. Compreender apenas esta etapa levou cerca de 3 meses da minha vida. Sim, e figos com ela, a vida dela ainda é de 9 peças, assim como os gatos, mas isso não é certo ... Eu

usei principalmente água para o experimento após osmose, também recomendo que você adquira esse filtro. Como se costuma dizer - “nós somos o que bebemos”, por exemplo, eu tenho cerveja e você ?!

Se não houver filtro, você pode usar água destilada, se tudo estiver completamente apertado, a água da torneira irá embora, essa opção também funcionará, mas eu não recomendo!

Despeje o líquido com uma margem em uma panela limpa e pré-lavada. Os restos da sopa velha não devem estar na nossa água. Este estágio pode ser chamado de desgaseificação. Idealmente, é bom usar uma câmara de vácuo, mas não está na fazenda, porque fervemos o líquido por 30 minutos, isso será mais do que suficiente.

Despeje a água em um recipiente para alimentos, ele deve ser estanque, é importante que no processo de resfriamento a água não bombeie o ar do lado de fora.Fechamos a tampa e vemos como, nos primeiros segundos de um sudoku, ele tende a se expandir e explodir completamente na primeira oportunidade adequada. Mas espere, você precisa esfriar! Coloque o recipiente em água fria por cerca de 10 minutos. Neste momento, lave cuidadosamente a câmara acústica, deve ser transparente como uma lágrima. Shampoo, fadas, usamos todos os detergentes. Durante esse período, ao resfriar, achatou o recipiente, o que é necessário, agora está sob vácuo. Colocamos o conteúdo no freezer, precisamos obter uma temperatura de cerca de 5 graus. Se você perder o momento anterior ao aparecimento da crosta de gelo, o procedimento de preparação da água deve ser repetido novamente, pois nesse caso não foi possível observar a sonoluminescência. Qual é a razão para isso - eu não sei.

Água pura evacuada.Encha o tubo no pescoço. Deitado em uma tangente para não capturar as bolhas de ar extras. Então, aqui está, a câmara ressonante certa com a água certa. Uma lente perfeitamente transparente, fria e esférica, na qual 10 de 10 tentativas foram bem-sucedidas na criação e observação da sonoluminescência de bolha única.

Agora, como fazer isso não é necessário e como geralmente termina.Se você simplesmente coletar água da torneira ou do filtro sem mais desgaseificação e até derramar de qualquer maneira, como resultado, veremos uma imagem tão insatisfatória. É inaceitável! Como nossa tarefa é obter uma única bolha equilibrada, que é colocada no volume de líquido do lado de fora. Mas se o refrigerante aparecer no tubo de teste, tirar o telefone e começar a tirar uma foto, você poderá obter lindas fotos com o efeito de lentes de bolhas.

As primeiras tentativas de desgaseificar a água foram realizadas em um estande previamente preparado com a participação de álcool destilado e seco. Para impedir que partículas de poeira entrem na água, uma tampa foi colocada em cima. A água fervente ainda é um fenômeno emocionante, aqui você pode ver todos os fluxos ascendentes da substância aquecida ...

O resultado de tal ebulição naturalmente não levou a nada de bom, uma vez que o colo do tubo não foi fechado hermeticamente e, durante o resfriamento, a água voltou a bombear ar e tornou-se inadequada para outras experiências. Mas então eu não sabia disso, joguei água e observei uma imagem semelhante da formação generalizada de bolhas. Eles estavam nas paredes internas, no volume mais interno e, em geral, em todos os lugares, não importa onde.

Então, nós já sabemos como preparar a água.A uma temperatura baixa da água, a condensação começará a se formar nas paredes do balão, interferindo, portanto, estocamos guardanapos e panos absorventes. Conseguimos obter uma estrela de nêutrons de nossa própria prática a temperaturas de 5 a 15 graus Celsius. Às 10, o brilho era mais brilhante do que qualquer coisa, abaixo de 5 e acima de 15, praticamente não havia brilho. Quando a água era resfriada para formar cristais de gelo, não havia brilho em toda a faixa de temperatura.

Uma câmara de ressonância é instalada, as ondas acústicas atuam na bolha, apaga a luz e vê um fenômeno raro com a formação de uma pequena estrela de nêutrons.

Para registrar o fenômeno na câmera, você precisa instalar um fundo preto e se apossar de uma lente rápida; meu velho ultrassom acabou quase cego ao fotografar esse fenômeno. Fico calado sobre o foco em um ponto no espaço. Por esse motivo, o projeto foi congelado por cerca de seis meses antes do advento de novos equipamentos de filmagem.

A câmara acústica no estágio inicial de obtenção da sonoluminescência deve ser destacada para entender se a bolha se estabilizou no centro da lâmpada. Nesse estágio, as informações sobre a criação e preparação de uma câmara acústica podem ser consideradas exaustivas, portanto, recorremos ao gerador e sistema de controle dessa configuração experimental.

No começo, eu decidi fazer um circuito comprovado em um banho ultrassônico; aqui, tanto a frequência pode ser ajustada quanto a potência necessária para obter cerca de 60 watts. Ele criou o circuito sob as peças em questão. A compactação da placa com essa abordagem é garantida. Ao trabalhar com grandes capacidades, surgiram problemas imediatamente.

A primeira inclusão da instalação para verificações de saúde, por engano, feita com um tubo de ensaio vazio. Ao sintonizar a frequência, o vidro em algum momento entrou em ressonância e rachou. Para fazer um balão novo com preguiça, é necessário reparar o antigo, inserir um pedaço de vidro no local onde ele caiu e preenchê-lo com epóxi por cima. Devolvemos o soldado às fileiras e continuamos a observar.

Por não possuir informações suficientes, pareceu-me que a ressonância acústica no balão está diretamente relacionada à ressonância mecânica das próprias piezocerâmicas, mas o fato é que a ressonância mecânica de cada tipo de piezocerâmica será diferente. Isso não parou por 5 noites sentado e tentando encontrar uma agulha no palheiro.

Todos os cálculos iniciais foram feitos no teto, a partir daqui, a bobina de indutância, a frequência no gerador e assim por diante foram selecionadas incorretamente. Apesar disso, de alguma forma, ainda conseguimos alcançar uma bolha estável no centro do balão.

Sob a influência das ondas acústicas, contraiu-se a tal ponto que, às vezes, simplesmente desaparecia do campo de visão.Às vezes, começava a refletir a luz como uma gota prateada de metal. As amplitudes da tensão nos emissores atingiram valores que a ferrita comum no interior do indutor começou a chocar, deixando para trás pequenos traços de queimaduras nos dedos. Ao mesmo tempo, uma lâmpada de neon começa a brilhar antes mesmo de tocar no emissor. Campos tão fortes ao redor.

Depois de numerosas e malsucedidas tentativas de obter uma estrela de nêutrons, fiquei imaginando o que aconteceria se eu colocasse a potência máxima possível para esse sistema na câmara acústica. Desaparafuse ao máximo a tensão na fonte de alimentação e observe o resultado. Desde os primeiros segundos você pode observar uma forte cavitação na água, que muda de forma ...

Durante o ajuste de frequência, o bulbo de vidro entrou em ressonância e quebrou, sacrificando-se pelo bem da ciência. O conteúdo do frasco, ao esvaziar, deixa gradualmente sua marca no teto dos vizinhos abaixo. Há uma inundação ao redor, mas o balão ainda está aguentando. Deixo os sons reais desse experimento no vídeo .

Observamos o elemento piezoelétrico correto na câmara ressonante. Naquele momento, ele provavelmente rachou, e flashes de plasma apareceram nele.Verificações adicionais mostraram que o elemento está morto. A julgar pelo testemunho da fonte de alimentação, a potência no elemento piezoelétrico sobrevivente é de aproximadamente 180 watts. Nesta fase das filmagens, eu tinha certeza de que era impossível obter sonoluminescência em casa e não havia mais nada a perder. Muito tempo gasto, recursos e noites sem dormir, já que após o pôr do sol o trabalho começou nessa direção ... A

araldita, elogiada por muitos, não suporta grandes cargas de vibração, várias vezes foi necessário colar os emissores piezoelétricos, mas agora estamos falando de uma grande câmera acústica, que nunca ganhou corretamente.

Outra decisão foi entrar em contato com o próprio Sergey Matyushenko , que, como ninguém mais, sabia como os princípios desse experimento funcionavam.Como se viu, ele defendeu sua tese sobre esse assunto, por isso contou todas as nuances ao receber a sonoluminescência, pelas quais agradecemos muito.

Portanto, para iniciantes, precisamos de um oscilador mestre preciso, no qual a frequência não flutue da temperatura ambiente; para esses propósitos, um sintetizador de frequência no chip ad9850 é perfeito. Em sua saída, obtemos um seno puro com uma etapa de ajuste de 1 Hz. Na fazenda, esse dispositivo é simplesmente insubstituível, com sua ajuda, você pode encontrar ressonâncias, verificar a faixa de trabalho dos sistemas de áudio e usá-lo em outras direções experimentais diferentes. A faixa de frequência varia de 1 Hz a 40 MHz. Mas, a amplitude do sinal de saída senoidal do dispositivo é muito pequena e equivale a apenas 2 volts. Para amplificar o sinal, é racional usar um amplificador.

Como as frequências do experimento são pequenas, é racional usar um amplificador de frequência de áudio. Nesse caso, um amplificador Classe H de canal único é usado no chip TDA1562Q. É de alta qualidade e toca música incrível.

Para a operação de emissores piezoelétricos, é necessária alta tensão, cuja fonte está ausente neste circuito. Uma maneira de obter uma tensão suficientemente alta é usar um circuito oscilatório ajustado para ressonância.

Neste trabalho, usamos um circuito oscilatório sequencial no qual o papel da capacitância é desempenhado por emissores piezoelétricos e no papel de um indutor, um indutor, que pode alterar seus parâmetros introduzindo uma haste de ferrite nele. As indicações aqui podem variar de 8 a 50 mH, dependendo do comprimento e da permeabilidade da ferrita. Eu usei um fio de cobre de 0,68 em 8 camadas. Quanto mais grosso o fio, menor a perda.

A presença de ressonância no circuito será determinada pela conexão de um resistor de 1 ohm ao circuito, em paralelo com o qual conectamos o circuito do osciloscópio.Quando a frequência do gerador e a frequência natural da ressonância do circuito formada pelo indutor e a capacidade dos emissores piezocerâmicos coincidem, a amplitude máxima de tensão é observada no resistor, que corresponde à corrente máxima do circuito, que por sua vez indica a presença de ressonância.

O esquema completo para obter a sonoluminescência de bolha única é mais ou menos assim. O sinal do gerador de referência é alimentado a um amplificador de frequência de áudio, na saída da qual um seno de uma determinada frequência é formado com uma amplitude de, digamos, 12 volts. Este sinal é alimentado a um circuito LC que consiste em um indutor variável e uma câmara acústica onde os emissores piezocerâmicos atuam como capacitores. Uma onda estacionária se forma no volume do líquido, no meio do qual se forma uma bolha luminosa de interesse para nós.

Iniciamos a instalação e colocamos uma pequena bolha de ar com uma seringa no volume de líquido. Mas como você sabe a frequência desejada na qual uma onda estacionária é formada dentro da câmara acústica!? Tudo é simples.

Se considerarmos aproximadamente, a ressonância será alcançada quando o comprimento de onda acústico for igual à distância entre os emissores piezoelétricos. Se medirmos o diâmetro do nosso tubo de 100 ml, será igual a 65 mm, este é um valor e será igual ao comprimento da onda acústica necessária para nossos cálculos. Como você sabe, o comprimento de onda se propaga em um determinado meio a uma certa velocidade e é determinado pela expressão: o comprimento de onda é igual à velocidade dividida pela frequência. A partir daqui, expressamos a frequência, que é igual à velocidade dividida pelo comprimento de onda, que também é igual à velocidade dividida pela distância entre os emissores piezoelétricos.

A velocidade de propagação do som na água em t = 0 é igual a c = 1402,7 m / s. Dividimos esse número pela distância entre os emissores de 65 mm e obtemos uma frequência de 22.270 Hz.

Também vale a pena considerar a mudança na velocidade de propagação do som em um líquido com uma mudança de temperatura. Com o aumento da temperatura, a velocidade do som em um líquido aumenta, então a frequência também aumenta. No futuro, a frequência ressonante calculada será diferente da real devido à complexa geometria da lâmpada.

Então, os cálculos são feitos.Começamos a selecionar a frequência e observamos como o sinal muda em um resistor de 1 ohm conectado em série ao circuito. Independentemente da frequência, a amplitude do sinal pode ser alterada através da introdução de uma haste de ferrite no indutor. Muito confortavelmente. Usando uma seringa, coloque uma bolha no volume de líquido. Eles serão espremidos mais do que o necessário, mas devido à onda acústica, todos serão atraídos para o centro da lâmpada.

Os emissores piezoelétricos são colados à cola epóxi, seus centros estão localizados no mesmo eixo. A voltagem aplicada às duas superfícies condutoras dos radiadores piezoelétricos paralelos entre si, causa deformação mecânica (efeito piezoelétrico inverso). Quanto maior a amplitude da tensão, maior a amplitude da deformação do elemento piezoelétrico, que é transmitido à câmara acústica.

.Então, devido às forças de Bjerknes, se a frequência do ultrassom for próxima ou igual à ressonância, as bolhas começarão a se mover para a parte central da lâmpada. Esperamos até que a bolha se estabilize e, por assim dizer, paira no centro da câmara acústica. Se a bolha saltar de um lado para o outro, tentamos mudar a frequência para cima ou para baixo, alcançamos estabilidade e aumentamos lentamente a amplitude do sinal introduzindo uma haste de ferrite na bobina de indutância variável. Aqui é importante não resolver, pois a bolha pode desestabilizar, o que levará ao desaparecimento do brilho ou pode desaparecer completamente. Se ainda não houver brilho, tente adicionar ou vice-versa para retirar alguns mililitros de água da câmara acústica. Também ajuda a compensar a posição do tubo em relação ao grampo que segura o pescoço.

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A sonoluminescência, uma bolha de cavitação pendurada na parte central do balão, começou a emitir luz azulada visível. Parecia algo inatingível e verdadeiramente surpreendente. Um fenômeno físico raro que, devido à exposição acústica, gera luz em uma pequena bolha de ar. A cor do brilho e brilho no futuro pode ser um pouco diferente. A bolha poderia emitir um brilho branco e um azulado. Em alguns artigos científicos, li sobre a existência de um brilho vermelho, mas, no âmbito deste experimento, não foi possível corrigir esse brilho. Aqui, a temperatura da água, a presença de sais dissolvidos nela, a frequência de ressonância, a amplitude do efeito na bolha e outros fatores cuja existência é difícil de adivinhar a afetam.

A física de um flash de luz surge aqui devido ao fato de que uma poderosa onda ultrassônica na água leva à cavitação. Afinal, uma onda sonora é uma alternância de pressão alta e baixa, e se a pressão diminuir a tal ponto que se torne muito negativa, a onda sonora literalmente rasgará a água e criará uma bolha de gás naquele momento. Depois de meio período de oscilação sonora, quando a pressão, pelo contrário, aumenta, essa bolha entra em colapso rapidamente - e, no processo de forte compressão, esquenta.

É no último momento de seu colapso, quando a temperatura dentro da bolha de cavitação atinge milhares de graus, emite um breve flash de luz. No nosso caso, a bolha permanece no lugar, contraindo-se e expandindo-se ao ritmo da onda ultrassônica e, emitindo milhares de flashes por segundo, gera um brilho estável.

Para referência. A criação desta edição levou um ano e meio recorde. Muitas pessoas escrevem nos comentários por que o vídeo no canal é tão raro, eu respondo porque! Se alguém perguntar que benefício esse experimento pode trazer, eu respondo - não. Você e eu acabamos de ganhar experiência em mais um ofício.

Como se costuma dizer - tudo engenhoso é simples!

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Estrela de nêutrons do tubo de ensaio. Sonoluminescência

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