2006-11-16

Sobre hornos microondas, bolas de cristal y el cuarto estado de la materia

En una nueva entrega de «¿qué tienen en común?» os traigo estos dos videos:





Pues bien, el primero posiblemente ya lo hayais visto porque va dando muchas vueltas por internet, y el segundo es una de esas bolas de «científico loco» que tan bonitas quedan. Y una vez más estamos ante lo mismo, ni más ni menos que plasma, el conocido como cuarto estado de la materia. Un plasma no es más que un fluido en el que los electrones están «fuera de los átomos», es decir, se les ha dado tanta energía que consiguen escapar de la atracción del núcleo y se forma así una sopa en la que hay electrones y átomos con carga positiva (iones). De esta manera, si el aporte de energía es constante, los electrones pueden recombinarse con los iones para formar átomos neutros, y en ese proceso emitirán un fotón, un pequeño «paquete de luz», pero como le estamos dando energía, el electrón volverá a escapar y podrá recombinarse otra vez con otro ión y así de manera continua produciendo esa luz que tanto nos gusta.

Respecto al primer video no voy a explicar nada (aunque sea el más interesante), porque ya lo explica a la perfección Jose en los comentarios de «Yo, programador»(donde por cierto conocí por primera vez el fenómeno del microondas). Ahí podreis ver como se genera el plasma en este caso y os explicaran que se pueden generar de dos maneras: por calor, haciendo que los electrones se agiten tanto que se desprendan o por campos electromagnéticos, aplicando una fuerza electrica lo suficientemete grande como para que se suelte el electrón, y así tendremos plasmas calientes en el primer caso o frios en el segundo. En los dos videos se ven casos de plasmas frios, porque para conseguir plasmas calientes hace falta algo muuucho más energético (el Sol es un buen ejemplo).

Pero a lo que vamos ¿Cómo funciona la bola de rayos? Pues tendremos que tomar unas nociones de electrónica. Para empezar vamos a ver que es un condensador, que así dicho puede parecer una pieza rara que se enchufa en los circuitos, pero en realidad se puede simplificar bastante pensando en ella como un par de placas metálicas que están separadas con algún aislante en medio (en nuestro caso aire). Lo que tienen los condensadores es que cuando se conectan a una pila, hay un pequeño tiempo en el que circula corriente por los cables, mientras se almacena carga en las placas.



Es interesante comprobar que si enchufamos el condensador a una fuente de corriente alterna, este se carga y al invertir la polaridad se descarga y se vuelve a cargar pero al revés, y como se vuelve a cambiar la polaridad vuelve a descargarse y a cargarse y así muchas veces por segunda, tantas como indique la frecuencia de nuestra fuente de alimentación.



Pero ¡oh, cielos!, si mientras se carga el condensador por los cables pasa corriente, si enchufamos una bombilla, esta lucirá, aunque el circuito esté en realidad abierto, porque hay un hueco entre los cables. De hecho, si hacemos que la frecuencia de la fuente sea lo bastante elevada y el potencial sea suficientemente alto podemos separar las placas del condensador hasta incluso poner nuestra mano en medio.



Ahora lo que vamos a hacer es colocar un segundo condensador en el lugar de la bombilla y ver como puede este ocupar el lugar de la lámpara.



Vamos a suponer ahora, que nuestra fuente de alimentación tiene un potencial muy elevado, de manera que una pequeña chispa pueda pasar de una placa del condensador a la otra. Lo que está ocurriendo es que hemos conseguido ionizar el aire que entre las placas, esto que suena tan raro no es otra cosa que arrancar electrones de los átomos, de manera que tendremos por un lado esos electrones y por otro (aunque todo mezclado) los iones (átomos a los que le faltan electrones), y resulta que el aire ionizado es un buen conductor de la electricidad. La manera en la que la chispa se genera tiene que ver en parte con algo de mecánica cuántica, pero basta decir que algunos electrones pasan de estar sueltos a unirse con iones para formar átomos neutros (aunque luego vuelvan a desprenderse), y en este proceso emiten una pequeña partícula de luz. Además, el color de la chispa depende de los átomos que formen el aire, si tenemos nitrógeno no será lo mismo que si tenemos neón, pero de esto hablaremos después.

Pensemos ahora que si nuestra fuente es de corriente alterna, veremos una pequeña chispa por cada ciclo, por cada vez que cambia la polarización y si la frecuencia es suficientemente elevada, el chispazo se convertirá en una luz continua. Y es aquí, ni más ni menos, donde tenemos el plasma.

El siguiente paso será colocar este condensador dentro de una esfera llena del gas que nos interese. Si reducimos mucho la presión de ese gas, conseguiremos que se ionice más fácilmente y no necesitaremos fuentes de alimentación tan potentes.



Un aspecto curioso reside en el hecho de que si todo fuera uniforme, deberíamos tener una luz débil que ocupara toda la esfera, pero sin embargo tenemos rayos bien definidos y brillantes. Esto se debe a que la corriente sigue el camino por el que encuentra menos resistencia, que son las zonas donde el gas está más caliente, y así, pequeñas diferencias de temperatura rompen la simetría del sistema y producen los rayos. Además, por donde pasa la corriente calienta más el gas a su alrededor y facilita que pase más corriente, de manera que los rayos se pueden apreciar y no “aparecen y desaparecen”. Esto también explica porque normalmente se mueven hacia arriba en la esfera, puesto que el gas más caliente suele tender a subir.

El resto de la bola es más que nada diseño para que se pueda colocar encima de una mesa y quede bonito, pero la física ya está explicada (más o menos).

Como último detalle, queda decir que el color de los rayos depende de la estructura de los átomos ionizados, es decir, del gas dentro de la esfera, de manera que si usamos helio, obtendremos un color azulado-purpura, con neón será un color anaranjado un poco borroso, con xenon tendremos un blanco azulado, con argón violeta…

Una explicación más detallada (de la que la mía es solo un resumen) se puede encontrar aquí y aquí, donde además te explican como contruirte una propia.


Más comparaciones de fenómenos en «a ojo de buen cubero»:
De látigos, aviones de combate y la velocidad del sonido.
Sobre peines, gasolineras y movimiento de electrones.

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