sábado, 29 de noviembre de 2014

Plasma y estrellas en casa



Todos en nuestras casas tenemos un laboratorio en potencia, que muchas veces pasa inadvertido, pero que con los ojos adecuados podremos exprimir y obtener resultados notables.

Hoy usaremos un electrodoméstico de aplicación diaria, del cual recientemente he aprendido su multitud de usos una vez "estropeado", bajo el que subyace mucha más física de la que podíamos imaginar, se trata del microondas.
Con él y poco más, podremos crear plasma de una manera muy simple.


¿Qué es el plasma?

Para sentar un poco la base, todos sabemos desde primaria los tres estados de agregación de la materia: gas, líquido y sólido. Pero hay un cuarto, mucho más común en el universo y pese a que puede pasar inadvertido, nos topamos con él cotidianamente, este es el plasma.

Si tenemos un sólido al que subministramos energía en forma de calor, llegará a un punto en el que comenzará a fundirse y pasará al estado líquido. Si seguimos dándole energía, al cabo de un tiempo aparecerá el estado gaseoso. Llegados a este punto hace falta saber que las moléculas de un gas normalmente poseen carga nula (son electromagneticamente estables), es decir, tanto a nivel macroscópico como microscópico las cargas positivas de los protones se contrarrestan con las negativas de los electrones y así permanecen mientras no se les aporte cierta energía externa que perturbe esa estabilidad.

Estructura según el estado de agregación

 Pero nosotros lo que queremos es saber que pasa si seguimos dándole energía.
Si así lo hacemos, el gas comenzará a ionizarse, esto es que empezaremos a arrancar los electrones de los átomos o moléculas y este gas se habrá convertido en una "sopa" de electrones, iones y moléculas (en caso de una ionización parcial), siendo un buen conductor eléctrico debido a cargas libres de moverse.

Tipos de plasma

Fijándonos en las propiedades, la formación y el estado en el que se encuentran las partículas del plasma, podemos hacer una distinción entre dos tipos: calientes y fríos.
Una posible distinción se puede hacer atendiendo al estado termodinámico de las partículas constituyentes del mismo.

Resulta interesante establecer un indicador de cuan ionizado está un plasma, a esto se le llama "grado de ionización" y corresponde al siguiente cociente:





Plasmas calientes
Si la temperatura o energía cinética de las diferentes partículas que componen el plasma es la misma, decimos que se encuentra cercano al equilibrio termodinámico y hablamos entonces de un plasma caliente.
Este es el caso de las estrellas, en las que la temperatura es tan elevada y hay tal exceso de energía que la mayor parte de las partículas tienen la misma energía cinética debido a que hay energía suficiente como para ionizar y proporcionar la misma cantidad a cada una.


Ejemplo de plasma caliente en el Sol

Otro ejemplo son los tubos de descarga a alta presión, en los que al haber gran cantidad de partículas, los choques entre ellas ocurren con gran frecuencia, favoreciendo el intercambio y posterior equilibrio de energía llegando al equilibrio termodinámico. Esto no ocurre cuando las presiones son muy bajas, ya que al ser menor la densidad de partículas, las colisiones resultan esporádicas con la consecuente ausencia de intercambio de energía y equilibrio termodinámico.
El grado de ionización de estos, en el caso del núcleo solar es 10^33.


Plasmas fríos
Como indica su nombre, la temperatura de estos plasmas es notablemente inferior a los anteriores. Se dan, principalmente en tubos de descarga a baja presión. Los choques entre partículas es poco frecuente como para que se intercambie energía y se llegue al equilibrio térmico.
En cambio, existe una gran diferencia entre las energías de unas y otras partículas (no se puede hablar de temperatura de una partícula, realmente nos referimos a su energía cinética, equivalente a su velocidad), siendo la de los electrones mucho mayor que la del resto de partículas del plasma, que poseen energías similares a las del entorno.
Si cogiésemos y separásemos los electrones de los iones y moléculas/átomos y atendiésemos a su "temperatura" (insisto en que no se puede hablar de la temperatura de partículas individuales) observaríamos que la temperatura de los electrones sería mayor que la de los iones y estos a su vez que la de las moléculas/átomos.


Ejemplo de tubo de descargas

Ejemplos de este tipo son los tubos fluorescentes, en los que un gas enrarecido (muy baja presión) es sometido a un fuerte campo eléctrico (diferencia de potencial) ionizándolo y permitiendo la circulación de una corriente eléctrica. Esta corriente impacta contra las moléculas y átomos haciendo que sus electrones suban a capas exteriores excitándolos. Cuando los electrones vuelven a sus correspondientes capas, lo hacen emitiendo fotones (luz).

Estos son los plasmas que nosotros generaremos.

Plasma en el microondas

Para generar plasma en nuestro microondas solo vamos a necesitar una cerilla y un vaso de cristal para confinarlo una vez generado. En mi caso he usado el vaso de una vela gastada, ya que el vidrio es más grueso y aguanta mejor las temperaturas.

Usando un trozo de plastilina, masilla, o papel mojado, hacemos el soporte para que la cerilla se mantenga erguida. Sobre ella pondremos el vaso con la parte cóncava hacia abajo. Pondremos el vaso elevado sobre dos soportes cualesquiera (que no sean metálicos).


Montaje del soporte y la cerilla
Procedemos a encender la cerilla y rápidamente cerramos el microondas poniéndolo en marcha. Durante los primeros segundos no se aprecia gran cosa, pero llega un punto en el que parte de la llama se desprende de la cerilla y comienza a ascender a medida que va creciendo. Al toparse con el interior del vaso alcanza su máximo tamaño y observaremos que emite un zumbido. En este punto ya tenemos generado nuestro plasma frío.





No es recomendable confinarlo durante mucho tiempo, ya que a pesar de no tener una temperatura extremadamente elevada, tiene la suficiente como para calentar el vaso y romperlo.

El video está al comienzo de la entrada. Si no puedes verlo aquí tienes el enlace: https://www.youtube.com/watch?v=P7fFmCrWVzg&list=UUTuEYP9PB3dCmVOjMeMfM_w




¿Qué está ocurriendo?
Si, es muy bonito e impresionante, pero ¿por qué quedarnos en la mera observación si podemos llegar a su comprensión?

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Aclaraciones:
Hay muchos debates sobre si es cierta esta afirmación o no.
Por un lado se dice que una llama no es un plasma ya que no alcanza temperaturas suficientes como para ionizar el gas y afirman que son partículas incandescentes, que posteriormente formarán el humo.
Por otro lado se dice que efetivamente es un plasma a pesar de no ser el "mejor" de ellos, ya que no posee un alto grado de ionización, pero realmente presenta iones en su composición.

En mi opinión la llama se trata de un plasma. Esto se puede corroborar de dos maneras que demuestran su posesión de iones: el fuego es conductor eléctrico y su desviación en presencia de un campo eléctrico.
Se han dado casos de incendios en estaciones eléctricas o junto a tormentas en los cuales las llamas han actuado de medio conductor para producirse la descarga.
La desviación de una llama en presencia de un campo eléctrico aplicado se puede observar claramente en la fotografía a continuación. Esto es facilmente explicable considerando los iones en el fuego.


Llama desviada por campo eléctrico
En el gráfico adjunto, podemos ver que según el CPEP (Contemporary Physics Education Proyect) el fuego es un plasma, al igual que el resto de fenómenos en la tabla.


Tras haber definido el coeficiente de ionización, vemos que el correspondiente a las llamas es de 10^15.
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Una vez encendida nuestra cerilla, tenemos una llama, compuesta en parte por iones. Estos al separarse de la llama por ir ascendiendo debido a la convección, como todos los gases que la componen, se enfrían y vuelven a capturar electrones sueltos reconvertiéndose en moléculas  sin carga.
Aquí es donde entran en juego las microondas. Cuando estos iones ascendentes captan electrones, las microondas incidentes son lo suficientemente energéticas como para volver a ionizar esas moléculas. Este proceso se repite una y otra vez, permitiendo que parte del gas permanezca ionizado y que nosotros lo veamos como una bola de luz incandescente.
Cuando lo apagamos, inmediatamente desaparece la bola de plasma, ya que se queda sin el aprorte de energía externa como para mantener sus moléculas ionizadas.



¿Pero por qué...?
Cabe preguntarse por qué no se produce plasma de normal cuando calentamos algo en el micro.
Sin poder dar una respuesta a ciencia cierta, imagino que se debe a que las moléculas de aire, en el estado normal que se encuentran a las temperaturas ordinarias, no tienen la energía suficiente como para que al incidirles una microonda arranquen electrones de sus capas. En cambio, los gases de la vela están mucho más calientes una vez comienzan a ascender, lo suficiente como para que la radiación incidente pueda ser aprovechada en gran parte para ionizarlo.

Otra pregunta que surge de forma natural al observar el plasma, es el zumbido al que va asociado, que se escucha claramente en el vídeo.
La primera explicación que me vino en mente fue que oscilase a la misma frecuencia con la que oscilan las microondas incidentes. Esta es la misma que la frecuencia de la corriente con la que se alimenta el magnetron (el generador de microondas) que son 50Hz. Al incidirle la radiación, el plasma se comprime y expande produciendo a su vez compresiones en el aire que nosotros interpretamos como ese zumbido.
(Esto es solamente una idea, por lo que los tiros pueden ir por ahí, o completamente extraviados.)

El próximo paso que tengo en mente es hacer el espectro del plasma e intentar averiguar de que gases está compuesto.

¡Nunca está de más darse un paseo por el barrio de la ciencia, y menos en este caso, que se encuentra a la vuelta de la esquina, en nuestra cocina!

sábado, 8 de noviembre de 2014

Messier 42, la catedral del cielo

Más grande, más colorida y más alta que los templos que estamos acostumbrados a ver, la nebulosa de Orión (la catedral del cielo) se yergue sobre la espada del cazador como una mancha de sangre enemiga que ha tenido que ser vertida para ocupar ese lugar en el cielo de invierno.

http://www.astrobin.com/full/134890/0/


¿Románico, gótico, mudéjar? alguno podría preguntar. 
Si en mi mano estuviera responder, lo más acertado sería "no pienses, dejate encandilar"


miércoles, 5 de noviembre de 2014

Ponencia sobre el sol

Más vale tarde que nunca.
Hoy traigo el vídeo de la ponencia que di con Sergio en las Jornadas Hispano-Francesas hace casi tres semanas.



Faltan los primeros cinco minutos debido a fallos técnicos, en los que Sergio habla sobre la historia de la observación solar.

Como postre de la entrada, estoy pensando en hacer una serie de entradas explicando un poco de física solar y la formación de las manchas más en profundiad.

Por último, mañana (06/11/2014) sobre las 13:00h  estad al tanto de los comunicados del ESO ya que parece que va a dar una noticia bastante importante y con repercusión.

sábado, 1 de noviembre de 2014

Primera M31

http://astrob.in/full/133277/0/
Pincha en la imagen para verla a máxima resolución

El jueves pasado (30-10-2014) con la intención de practicar algo de astrofotografía, salí con un par de amigos a un pueblecillo cerca de Valladolid para probar suerte.

El sitio es bueno en cuanto a acceso y cercanía, pero ahí queda la cosa. El cielo deja mucho que desear.
Todo el Oeste está perdido por la contaminación lumínica de Valladolid, al igual que gran parte del horizonte por pueblos contiguos.

Para que os hagáis una idea, las medidas del SQM-L son:


En cuanto a las fotos, comencé tirando a M45, para luego pasar a nuestra vecina M31 y acabar con la catedral del cielo, M42.
La que os traigo hoy es la de M31, el resto aun no están procesadas.

Fueron 22 tomas a 90s cada una e iso 1600.
Apiladas con DSS, procesadas con PI y PS.
Seguro que se puede exprimir más información de las tomas y hacer un mejor procesado, así que seguiremos probando tras la pantalla!