miércoles, 27 de febrero de 2019

APROXIMACIÓN A LA SONOLUMINISCENCIA


(Mínimos para la replicación de un fenómeno aún no exactamente comprendido)

Uno de los fenómenos aún no completamente explicado por la ciencia, a pesar de que fue reportado desde 1933, es la emisión de luz por pequeñas burbujas ―suspendidas en un líquido― sometidas a gran presión; fenómeno conocido como sonoluminiscencia. Aún es un misterio, saber cómo exactamente se genera el calor en el interior de las sub micrométricas pompas; los resultados confirman que se puede producir un plasma que es casi tan denso como los utilizados en la investigación de fusión ―con el líquido a temperatura ambiente―. La sonoluminiscencia puede servir como un banco de pruebas para las teorías de plasmas densos en entornos astrofísicos y experimentos de fusión nuclear[i]; sin descontar las innumerables aplicaciones en medicina, química y ciencias biológicas.

El clásico experimento consiste en atrapar una burbuja en una onda estacionaria de sonido (en un nodo de velocidad y un antinodo de presión) dentro de un resonador cilíndrico o esférico[ii], hasta que la burbuja colapse debido al ciclo repetitivo de variación de presión: bajo estas condiciones sobreviene un calentamiento abrupto del gas dentro de la cavidad delimitada por la pompa y una repentina emisión de un pulso de luz extremadamente breve. Durante el colapso las paredes de pompa que delimitan la interfaz líquido-gas se aceleran alcanzando velocidades supersónicas, hasta que la cavidad alcanza un radio comparable al de la longitud de onda de la luz visible (600 nm). Por la rapidez con que se contrae y expande la burbuja, en su interior se ocasiona una compresión adiabática, lo que permite alcanzar temperaturas extremadamente altas (>20000 °K). En estas condiciones sobreviene la emisión de un pulso de luz de brevísima duración (unos 100 ps). 

La onda de presión acústica dentro del resonador se genera mediante dos piezoeléctricos cerámicos (PZT: compuesto de zirconato de plomo) adosados con epoxi en el ecuador del resonador; diametralmente contrapuestos. Mediante un PZT más pequeño (utilizado como micrófono) se monitorea la amplitud de la onda acústica; hasta que se alcance la resonancia del sistema resonador. Normalmente se utiliza un matraz esférico de cuello largo, de vidrio pírex con volumen entre 100 y 250 ml. Los transductores PZT pueden ser de 20mm de diámetro y 4 o 5mm de espesor; teniendo presente que la frecuencia de resonancia dependerá de volumen del matraz, del grosor de las paredes y de otros factores (como el líquido utilizado, e incluso la regularidad y limpieza de las paredes internas del matraz)[iii].

La selección de los piezoeléctricos adecuados y del matraz, es de primaria y suma importancia para el éxito en la replicación del experimento y la obtención de resultados susceptibles al análisis[vi]; lo que permitiría variaciones experimentales en la búsqueda de la comprensión de este interesante fenómeno.


[i] Michael Schirber, Julio 7, 2014. Physics 7, 72.
[ii] Para obtener altas intensidades de presión acústicas se ajusta la frecuencia de forma tal que coincida con un modo normal de oscilación del resonador (construido en vidrio pírex o cuarzo).
[iii] La esfericidad del matraz es muy importante. Si hay una diferencia de más de un milímetro entre los diámetros polar y ecuatorial, entonces la resonancia se vuelve mucho más amplia y menos fuerte, lo que requiere un mayor impulso eléctrico para lograr la misma intensidad de sonido en el matraz. Con un matraz de 250 ml, la resonancia acústica será de unos 18 kHz (en lugar de 25 kHz para 100 ml), por lo que se necesitará una inductancia ligeramente mayor. Para una conversión rápida, calcule que la frecuencia de resonancia se escala de forma inversa con la raíz cúbica de la capacidad del matraz; para convertir 100 ml (25 kHz) a 250 ml se puede usar f = 25 kHz x raíz cúbica (100/250) = 18.4 kHz, Para un matraz de 1000 ml, la frecuencia de resonancia será de alrededor de 11 kHz.
[iv] La frecuencia de resonancia del matraz se determina buscando picos en la amplitud del campo de sonido en el matraz por medio de un micrófono, o rastreando la diferencia de fase entre el voltaje y la corriente del PZT (Barber (1992)). La resonancia en sí misma es sorprendentemente estrecha, típicamente de unos 30 Hz de ancho (Groenlandia (1999)). Varias resonancias espurias, como los modos de flexión del matraz de vidrio, no atrapan una burbuja. Las variaciones en la temperatura ambiente de unos pocos grados Celsius corresponden a cambios en la frecuencia de resonancia en 200 Hz, que es mayor que el ancho de la resonancia de un matraz típico. La frecuencia de activación puede ajustarse continuamente para adaptarse a dichos cambios en la resonancia utilizando un esquema de bloqueo de modo, como se muestra en la figura 3.7 (Hiller (1995)). El funcionamiento subyacente de un método de este tipo es el hecho de que la fase de la respuesta de un oscilador relativa a un controlador sinusoidal se desplaza en π cuando la frecuencia se sintoniza a través de la resonancia. En las bajas frecuencias del variador, la respuesta está dominada por la constante de resorte, de modo que está en fase "in", mientras que en alta frecuencia, la respuesta está dominada por la inercia y, por lo tanto, está "fuera" de fase con el variador. El cambio de fase se produce en un rango de frecuencia determinado por el coeficiente de amortiguamiento del oscilador. Para mantener el SL a medida que la frecuencia del variador se desvía de la resonancia, la diferencia de fase entre la salida del generador de señal, que impulsa el PZT, y la onda estacionaria en el resonador, medida por un micrófono PVDF, se determina mediante un bloqueo. en amplificador. Esta diferencia de fase se integra y se usa como la entrada del oscilador controlado por voltaje al generador de señal. El factor de calidad de un aparato SL típico es entre 300 y 1500 (Barber and Putterman (1991)). [Sonoluminescence - F. Ronald Young CRC Press (2005)]



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