núm 19 
2017
Societat Catalana de Física

Inici

Sumari      2/8 


Atenció, radiactiu! Construcció d’una cambra de boira electrònica
Santi Vilchez
L’objectiu principal d’aquest article és descriure el procés de construcció d’una cambra de boira electrònica que permeti l’experimentació prescindint de l’adquisició de gel sec, que és l’element principal de les cambres de boira que hi ha a les escoles. En segon terme i complementant l’anterior, el procés de muntatge, la comprensió dels fenòmens que hi tenen lloc, l’efecte termoelèctric, la necessitat d'aconseguir mantenir l’alcohol en un estat metatestable i l’origen dels raigs còsmics són fenòmens que acompanyen aquest treball de recerca i construcció d’un dispositiu que ens permet endinsar-nos en el món atòmic i subatòmic.


Guia del professorat

La física moderna li deu molt als experimentadors del primer terç del segle passat. El 1927 Charles Thomson Rees Wilson i Arthur Compton van rebre el premi Nobel pels seus treball experimentals amb una cambra de boira. La comprovació experimental de l’existència de partícules que el model estàndard preveia hauria estat impossible si no fos per les cambres de boira.És el cas, per exemple, del positró.
Les cambres de boira comparteixen el seu principi físic amb uns elements de la natura tan comuns com són els núvols. Cal un gas sobrerrefredat, per tant, en un estat metastable, de tal manera que amb una mínima pertorbació s'hi cedeixi prou energia per permetre el canvi d’estat.
Les cambres de boira poden ser de molts tipus. A nosaltres ens interessen les cambres de difusió. Es basen a mantenir un gas, alcohol isopropílic en el nostre cas, a molt baixa temperatura, per sota de -20ºC. En aquest estat, l’alcohol és fàcilment ionitzable i cal una mínima aportació d’energia perquè canviï d’estat i es condensi.
Si hem participat den fires o esdeveniments científics de divulgació potser hem tingut la sort de veure una cambra de boira en funcionament. Són sorprenents, tant per la seva senzillesa com per la capacitat de mostrar una realitat tan allunyada de la nostra com és el rastre que deixa una partícula que té un diàmetre de l’ordre de 10-15m. És per això que traslladar l’experiència de la física de partícules de les classes als nostres laboratoris potser una tasca més senzilla del que sembla. Sens dubte, hi ha una limitació per a les cambres de boira tradicionals: aconseguir baixar la temperatura de l’alcohol isopropílic requereix una font de fred com el gel sec i potser el preu o l’emmagatzematge són limitacions importants. És per això que la proposta que es desenvolupa en aquesta article prescindeix del gel sec i el substitueix per l'electrònica, en concret per dues plaques de Peltier. Per a més informació sobre cambres de boira i experimentació, podeu trobar un article d'Eduard Hernàndez Estrada:

al número de tardor de 2015, aquesta però basada en una cambra de gel sec.

Objectiu

Fig. 1: Placa de Peltier

Per dur a terme la construcció, sens dubte, el primer que cal és documentar-se. A la xarxa trobareu moltes solucions però per a mi la que m’ha estat especialment útil ha estat la del professor Juan Antonio Jiménez Salas.

El mateix procés constructiu constitueix una recerca, un aprofundiment i un aprenentatge. Difícilment ens trobarem amb un manual que podem seguir al peu de la lletra. És per això que s’haurà d’anar avançant a mesura que es vagin descobrint els nous reptes que la nostra construcció ens proposa.
En primer lloc cal buscar informació per saber com es pot baixar la temperatura amb l'electrònica. Les neveres portàtils dels cotxes en donen una pista. Es connecten a 12V i realment no tenen gaire capacitat frigorífica, però poden mantenir els aliments frescos. A l'interior normalment hi ha un dispositiu electrònic que es diu placa de Peltier. Darrere d’aquest dispositiu hi ha un fenomen que rep el nom d’efecte Peltier i que essencialment diu que l’energia elèctrica pot provocar un flux de calor d'una zona freda a una de calenta. A la xarxa es pot trobar molta documentació sobre el funcionament de les plaques de Peltier, però consisteix a proporcionar un diferencial de voltatge que es trasforma en un diferencial de temperatura entre les dues cares de la placa. La figura 1 ens pot ajudar a entendre en què consisteix.

No està malament explorar el món de les plaques de Peltier com a petits refrigeradors. Se'n poden mesurar la cara calenta i la cara freda i veure quin diferencial tèrmic hi pot arribar a haver. Cal sempre refrigerar la cara calenta d’alguna manera, perquè sinó a banda que perd eficiència, es pot arribar a cremar. La calor de la cara calenta cal, per tant evacuar-la. I la recerca de la manera d'aconseguir-ho també és tot un repte tècnic.
Tot i que encara no s’ha acabat de resoldre el primer repte i cal decidir com han de ser les plaquesde Peltier que es faran servir, cal començar a pensar com encetar el segon, quin tipus de refrigeració es farà servir per baixar la temperatura de la cara calenta. El projecte exigirà una solució o una altra. En el casos més senzills, amb diferencials de temperatura petits amb una ventilació per airea n’hi ha prou. En el nostre cas el diferencial de temperatura és ampli, vora els 40ºC. Partim d'un ambient de 15ºC i volem aconseguir menys de -25ºC, cosa que ens obligarà a refrigerar amb aigua.
Sobre la nostra taula de treball ja hi tenim els dos reptes fonamentals que haurem de resoldre. El tercer, que no és gens menyspreable, és aconseguir no dependre dels raigs còsmics per fer les nostres proves. L’objectiu principal de les cambres de boira a l’escola és l’estudi dels raigs còsmics, tot un món apassionant!, però, en concret, el que volem és veure traces de desintegracions radioactives i endinsar-nos una mica més a la física de partícules. Per poder fer les proves de funcionament ens cal algun material radioactiu... Potser és en aquest moment que creiem que el projecte arriba a una via morta, però no és el cas. Cal agrair als equips de divulgadors de l’IFAE, i a Federico Sánchez, en concret, que ens suggerissin aconseguir una barres de soldadura que porten un 2% de tori, suficient per poder observar traces a la cambra d’una forma constant i molt visible.


Construcció

Fig. 2: Bloc de refrigeració i disposició de les peltiers.

Amb tots els elements documentats i aconseguits ens calen els materials següents(vegeu la figura 2):

  • Fustes, escaires petits i cargols. Faran l’estructura de la cambra.
  • Vidres.
  • Una font d’alimentació de PC.
  • 4 plaques de Peltier, 2 TEC1-12710(12V) i 2 TEC2-25480 (5V). Es poden aconseguir a
    https://es.aliexpress.com/store/product/1PCS-LOT-TEC2-25408-25408/328744_32774628579.html?spm=2114.12010408.1000016.1.nCQ0mM&isOrigTitle=true
  • Material aïllant.
  • Material plàstic.
  • Pasta tèrmica típica de PC.
  • Un bloc d’alumini.
  • Tub de coure.
  • Bomba de peixera.
  • Mànega de diàmetre ajustat i superior al tubs de coure .
  • Aironfix negre.
  • Focus de led d’alta lluminositat. La qualitat de la llum és clau per poder veure el contrast de les traces amb el fons.
  • Alcohol isopropílic.
  • 1 barra de soldadura toriada 2%.
  • Esponges.


Fig. 3: Escuma d'aïllament tèrmic.

Abans de descriure la construcció, us deixo un vídeo (l'enllaç el podeu trobar més avall) on se'n pot veure el funcionament, el muntatge i desmuntatge i la posada en marxa.
La construcció comença per l’estructura. Pot tenir qualssevol dimensions, però a l'interior ha de contenir la font d’alimentació i el cablatge. A la imatge següent es pot veure un visió general de l’estructura, amb la font d’alimentació allotjada a l'interior i el bloc d’alumini perforat perquè a l'interior circuli l’aigua. Es pot veure també la disposició de les plaques de Peltier. A sota es col·loca la que té més capacitat de dissipar calor, connectada a 12V ,TEC1-12710, i a sobre i connectada a 5V la TEC2-25408. Totes dues asseguren un bon contacte amb la pasta tèrmica de PC.

En segon lloc se'n haurà d’assegurar un bon aïllament (vegeu la figura 3) i una bona fixació (vegeu la figura 4).

Aquesta última planxa de plàstic porta fixada una planxa d’alumini, la zona negra que estarà en contacte directe amb l'última cara de la placa de Peltier.

A continuació afegirem una última capa de material aïllant i ho folrarem amb Aironfix negre per millorar-ne la visibilitat.
Per construir la peixera de vidre que farà de cambra haurem d’aconseguir silicona per enganxar aquaris i les diferents parts de vidre. A l'interior enganxarem l’esponja, que ens servirà per posar l’alcohol isopropílic i facilitar-ne l'evaporació.

Fig. 4: Fixació de la planxa de visualització.

L’aspecte final de la cambra serà aquest. La cambra estarà connectada a un recipient ple d’aigua que servirà per refrigerar el bloc d’alumini. Per millorar la refrigeració s’ha col·locat a l'interior un bloc de gel que permet que l’aigua parteixi d’un punt tèrmic encara més baix que l’ambient.

Tot i que després de la descripció pugui semblar un projecte complex, els resultats de l’observació i les possibilitats d’aprofundiment del dispositiu són molt interessants. El fet de poder fer observacions sense haver de dependre d’una font difícil d’emmagatzemar i amb un cost que pot ser important com és el gel sec, fa que el temps esmerçat en la construcció compensi amb escreix el temps que es dediqui a l’experimentació. Podeu trobar un vídeo del procés de muntatge i funcionament de la cambra a l'adreçasegüent de YouTube:

Experimentació

Ens quedaria un últim apartat, el més interessant, que seria l’experimentació. Per no estendre més aquest article, a continuació trobareu algunes adreces d’interès que poden ajudar a desenvolupar projectes amb les cambres de boira, tant pel que fa a la constructiu, com pel que fa a la interpretació del fenomen de detecció i origen dels raigs còsmics:




Sumari  2/8 
Inici

ISSN: 1988-7930 DL:  B-31773-2012   Adreça a la xarxa: www.RRFisica.cat    Adreça electrònica: redaccio@rrfisica.cat  difusio@rrfisica.cat
Comitè de redacció : Josep Ametlla, Octavi Casellas, Xavier Jaén, Octavi Plana, Jaume Pont i Santi Vilchez
Treballem conjuntament : Societat Catalana de Física, Associació de Professores i Professors de Física i Química de Catalunya,XTEC, Universitat Politècnica de Catalunya, Universitat de Barcelona
     
Programació web: Xavier Jaén i Daniel Zaragoza.
Correcció lingüística: Servei de Llengües i Terminologia de la Universitat Politècnica de Catalunya.		 Aquesta obra està subjecta a una
Llicència de Creative Commons
Creative Commons License

Recursos de Física col·labora amb ciències Revista del Professorat de Ciències de Primària i Secundària (Edita: CRECIM-UAB)