El misterio de las centellas (1334)
Tubo de centellas de Irving Langmuir
Este artículo es de Wayne Strattman del MIT. La fuente es desconocida, tal vez sea de Scientific American de los años 20 o 30. Las fotos son irreconocibles, habiendo pasado por muchas generaciones de fotocopias. No conozco ningún intento moderno de replicar este dispositivo. – Bill Beaty 10/95
[Actualización: Steve L cree que es de la revista de Gernsback “The Experimenter” de febrero de 1925]
[Actualización: muy probablemente este video muestra el tubo BL en acción: película de GE 1941: TOMANDO LA X DE LOS RAYOS X, ver 0 : 12 a 0:18]
CENTELLA HECHA EN EL LABORATORIO
La historia de la física moderna está repleta de experimentos sobre conducción gaseosa. El campo parece especialmente rico en posibilidades, principalmente quizás porque estamos más directamente interesados en ese factor fundamental de los fenómenos eléctricos: el electrón. Los gases en condiciones atmosféricas tienen densidades comparativamente bajas; es decir; sus moléculas están más separadas que en los sólidos o líquidos, y los electrones tienen espacios más grandes sobre los que deambular sin rumbo fijo o volar rápidamente, impulsados por fuerzas electromagnéticas. En los gases enrarecidos, los movimientos de los electrones son mucho más vigorosos que en las condiciones cotidianas.
Libre por un momento de la influencia del átomo, el electrón mostrará propiedades inusuales y dará lugar a fenómenos cuya belleza y novedad contribuyen mucho a los intereses predominantes en la conducción eléctrica a través de gases a baja presión.
Observe, por ejemplo, la fotografía de la Fig. 1. Esa tenue descarga eléctrica, tan bellamente simple, está acoplada con miríadas de partículas ágiles que se mueven, balanceándose con impaciencia ahora bajo la influencia de la electricidad, ahora bajo las fuerzas magnéticas. No se trata de una descarga ordinaria a través del vacío, sino de una acción activada por algunas fuerzas aún desconocidas. Un momento antes de que se tomara la fotografía, el arco se estiró inmóvil a través del tubo, brillando con un tranquilo color rojo violáceo. Luego, a través de una interrupción momentánea de la corriente, el arco gana vida y se desprende del tubo con el movimiento retorcido de una serpiente, mientras que de un filamento de tungsteno en la base del tubo se pulveriza tungsteno fundido y (Continúa en la página 255)
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se envían destellos azules brillantes hacia arriba por el eje vertical.
Esta espectacular y hermosa descarga eléctrica que promete conducir a una mejor comprensión de los fenómenos del vacío fue producida en los laboratorios de investigación de General Electric Company, por el Dr. Irving Langmuir, C. G. Found y A. F. Dittner, destacados físicos estadounidenses.
Y sin embargo, a primera vista, el aparato en el que tienen lugar estos curiosos fenómenos parece diferir sólo en forma del tubo de vacío ordinario de dos electrodos, y es esencialmente similar al bulbo rectificador tungar relleno de argón. La figura 2 muestra una vista en sección del mismo. El cilindro de vidrio grande mide 15 cm (5.9 pulgadas) de largo y 10 cm (3.9 pulgadas) de diámetro, y contiene un filamento de tungsteno de un solo bucle en cada extremo. A este cilindro se suelda un delgado tubo de vidrio de 50 cm (20 pulgadas) de largo y 3 cm (1.2 pulgadas) de diámetro en el extremo superior del cual está montado un electrodo de disco.
Ahora el filamento se alimenta con corriente a un potencial bajo y se lleva a la incandescencia a una temperatura muy alta, aproximadamente 2500°C (4532°F) Luego se aplican 250 voltios entre la placa y el filamento, pero hasta ahora no aparece ningún brillo en el tubo. La ionización en el tubo es insuficiente, pero puede aumentarse mucho acercándose al terminal de una bobina de alta frecuencia al tubo de vidrio. Hecho esto, aparece en el tubo un arco eléctrico del característico color argón. El arco consume un amperio y el potencial de la placa al filamento cae a 25 voltios.
No hay nada inusual involucrado en esta acción, pero deje que el circuito del filamento se abra durante solo medio segundo y se producirá una secuencia de fenómenos eléctricos muy notables. La disminución momentánea de la temperatura del filamento provoca un aumento en el voltaje a través del arco al reducir por un instante la emisión electrónica del filamento. El voltaje que sube a aproximadamente 100, provoca una pulverización catódica del filamento y se disparan pequeñas cantidades de tungsteno en el arco. Aunque el tungsteno que se emite es de solo 0.000001 gramos, sus efectos son asombrosos. El arco que antes del “bombardeo de tungsteno” llenaba el tubo y era insensible a la influencia de un campo magnético, ahora se desprende de las paredes y puede ser atraído o repelido por un imán permanente colocado cerca del tubo.
El arco ahora tiene una apariencia alterada. Tiene un núcleo central rojizo, que tiene una carga positiva y mide aproximadamente 1 cm de diámetro. En esta columna roja, los átomos de argón cargados positivamente se mueven y vibran bajo la influencia del campo eléctrico entre la placa y el filamento. Inmediatamente rodeando esta región hay un espacio oscuro y delgado, y más allá de este una capa de gas brillante de color amarillo brillante. Esta vaina tiene carga negativa y desaparece gradualmente, aumentando de tamaño la parte central del arco hasta casi llenar el tubo. En lugar de la “piel” amarilla, queda una fina capa de cargas negativas. Esto, junto con una capa positiva alrededor del arco rojizo, forma lo que se llama una “doble capa eléctrica”; es decir, dos vainas invisibles muy próximas entre sí,
Si un imán de herradura ordinario se acerca al tubo, el arco se desvía, al igual que cualquier conductor que lleve una corriente similar. Al mismo tiempo, la piel amarilla aparece en el lado opuesto del arco en el lado que no está en contacto con la pared.
A medida que el imán se acerca, la piel amarilla se vuelve más brillante y delgada, y curiosamente comienza a actuar como un líquido. Lentamente, se forman pequeñas gotas de fuego líquido amarillo dorado. Se mueven a lo largo de la superficie, solo para desprenderse y caer, esferas fundidas de luz blanca brillante en el arco. Regulando la intensidad del campo magnético, estas gotitas o glóbulos, que van desde unas pocas décimas de mm hasta 5 o 6 mm de diámetro (aproximadamente del tamaño de un guisante) se pueden hacer para formarse lentamente y separarse individualmente de la piel de un guisante. Mediante una combinación adecuada y campos longitudinales y transversales, a menudo se puede hacer que los glóbulos se muevan hacia arriba o hacia abajo en el arco paralelo a su eje para distancias de 5 a 10 cm, de 2 a 4 pulgadas. En determinadas condiciones, se ha observado que los glóbulos se mueven muy lentamente, de modo que sus movimientos a través del arco pueden ser seguidos fácilmente a simple vista. Pero más a menudo se mueven a una velocidad de aproximadamente un pie por segundo y, por lo tanto, aparecen como líneas brillantes o serpentinas filamentosas. Consulte la Fig. 3 donde se muestran varias serpentinas con trayectorias casi paralelas.
Estas serpentinas se forman por la influencia del campo magnético y varían en apariencia con la magnitud de la corriente que fluye a través del arco. Si se varía esta corriente, el movimiento de las serpentinas se verá afectado correspondientemente. Así, superponiendo una corriente alterna sobre la corriente continua alimentada al ánodo, es decir, el electrodo de disco, las serpentinas de glóbulos individuales se moverán en una trayectoria sinusoidal. Es decir, aparecerán como una onda sinusoidal característica de las corrientes alternas. Las serpentinas reproducirán con precisión la forma de onda de la corriente incluso (continúa en la página 284)
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a frecuencias de hasta 1000 ciclos. Se produce un efecto similar al utilizar corriente alterna para calentar el filamento. En cualquier caso, la serpentina de glóbulos asume un movimiento de onda, viajando a través del arco en curvas bellamente definidas, en lugar de en líneas rectas.
Si se mantiene la corriente del arco, este efecto continúa durante horas antes de que la pequeña porción de tungsteno deje de actuar. Luego, el efecto puede recuperarse cortando nuevamente la corriente del filamento por un momento y, por lo tanto, pulverizando otro rastro de tungsteno en el vapor de argón. Si la corriente del arco se interrumpe durante unos 40 segundos, el efecto desaparece: el tungsteno se ha depositado y la descarga del serpentín no comenzará de nuevo hasta que se haya pulverizado más metal del filamento.
Según esta teoría, los átomos de tungsteno, cargados negativamente, deambulan por los espacios fuera del arco. Estos átomos que entran en la “doble capa eléctrica” pierden su carga y se acumulan en la vaina positiva, formando pequeños glóbulos. En estos puntos de la doble capa, la vaina negativa tiene una sangría, y cuando se acumula suficiente tungsteno, esta hendidura se vuelve aguda y se extenderá en el arco hasta que los glóbulos se desprendan. Por la naturaleza de su formación, los glóbulos tendrán una vaina positiva en el exterior y una vaina negativa en el interior; y disposición a la inversa de la que se encuentra en el arco propiamente dicho.
Estos glóbulos desprendidos brillantes parecen tener características similares en muchos aspectos a los que se han descrito como pertenecientes a una centella. Quizás no sea seguro que la centella sea algo más que un fenómeno psicológico, pero si tiene una realidad objetiva, posiblemente se deba a causas similares a las que dan lugar a los glóbulos descritos anteriormente. Los iones de un gas altamente ionizado, como la atmósfera electrificada, se recombinan en partículas sólidas formando pequeñas esferas, las partículas sólidas son retenidas dentro de la bola por sus cargas y el campo eléctrico queda retenido en la superficie de la bola. Esta teoría está respaldada de manera muy eficaz por la marcada semejanza entre una centella y los glóbulos de fuego líquido producidos en los experimentos del Dr. Langmuir.
Fig. 1 El Sr. Found de General Electric experimentando con la descarga de la serpentina, tiene la centella en miniatura formada en el tubo bajo perfecto control. Bajo la influencia del imán de herradura, estas bolas de fuego pueden moverse hacia arriba y hacia abajo del tubo.
DIBUJO DEL TUBO DE VACÍO
Fig. 2 Arriba: Vista en sección transversal del tubo de descarga en la que se observó el fenómeno de la centella. El tubo se llena con argón a muy baja presión y, con el filamento calentado hasta la incandescencia, se forma un arco rojizo entre la placa y el terminal.
Fig. 3 Izquierda: La agitación en el arco de argón que se retuerce como una extraña serpiente eléctrica, es causada por un chisporroteo de tungsteno derretido del filamento incandescente en la base del tubo.
Fig. 4 El arco de argón que se muestra a la izquierda se desvía con un imán. Las serpentinas filamentosas transversales son en realidad pequeños glóbulos de tungsteno incandescente que se mueven rápidamente a través del arco. Los glóbulos de fuego líquido son, en formación y comportamiento, muy similares a las esferas incandescentes de un rayo. Estos efectos inusuales son producidos por solo .000001 gramos de tungsteno emitidos por el filamento.
Figura 5-1
Figura 5-2
Figura 5-3
Figura 5-4
En un tubo lleno de gas argón se han formado pequeños glóbulos de fuego líquido, que se parecen mucho a una centella. Un imán atrae el arco de argón hacia un lado del tubo y los átomos de tungsteno cargados negativamente emitidos por un filamento se mueven hacia el arco (figura 5-1) Cerca del borde del arco cruzan una región llamada doble capa eléctrica con cargas opuestas. en los dos lados. Aquí los átomos pierden su carga y se acumulan en grupos (Fig. 5-2) Los átomos neutros de tungsteno forman así pequeñas masas de tungsteno líquido en el borde del arco, y la capa de cargas negativas se dobla en el arco (Fig. 5- 3.) Esta hendidura continúa hasta que se vuelve muy afilada, el glóbulo de tungsteno se desprende y forma una bola en miniatura que se mueve rápidamente (Fig. 5-4).
ENLACES
Langmuir 1924 SCIENCE: a new type of electric discharge
Merton 1927 PRS On a new effect in the electric discharge
1941 Taking the «X» out of X-rays youtube
Plasma «droplets» youtube
http://amasci.com/tesla/langBL.html