Construye tu propio Acelerador de partículas

15.05.2015 a las 17:13 hs 1038 2





Los profesores A. Pujol & C. Capell desarrollaron una simpática
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de un acelerador de partículas para explicar de una manera didáctica e intuitiva el fundamento y la estructura funcional del acelerador de partículas que ha sido construido en Ginebra “CERN”. Su finalidad demostrativa acerca a los estudiante de una manera práctica a los conceptos físicos y muchas veces incomprensibles.

En este post, reproduzco su trabajo y el paso a paso para que lo hagas vos mismo vago


Fundamentos físicos de la maqueta.

Idea base, electromagnetismo.



Que sucede cuando con un hilo conductor construimos un solenoide por el que hacemos circular una corriente eléctrica?



Es de todos conocido que hemos construido un ELECTROIMÁN, con el podemos obtener un campo magnético a nuestro antojo, conectando o desconectando de la corriente eléctrica dicho dispositivo.

Hasta aquí la cosa parece fácil, pero ¿como podemos impulsar una bola de acero aprovechando la fuerza electromagnética?

Tal como nos indica la segunda ley de Newton (F = m.a) Podemos inducir una aceleración física de una masa a partir de una fuerza aplicada.



Bien, como hemos indicado al principio, con un electroimán podemos obtener una fuerza electromagnética de diferente magnitud. Si ésta la aplicamos adecuadamente sobre una masa ferromagnética, esta fuerza producirá una aceleración, tal como nos indica la segunda Ley de Newton.



Si observamos la “figura 1”, vemos como al conectar a la corriente eléctrica el electroimán, éste produce un campo magnético que a su vez provocará una fuerza de atracción sobre la esfera, que a su vez se acelerará hasta colisionar con el clavo.

Diseñando adecuadamente el tamaño de la bobina del electroimán, como su número de vueltas y el voltaje aplicado, conseguiremos una fuerza de atracción de mayor o menor magnitud.

¿Por que una esfera?

En este proyecto se pretende simular la aceleración de una partícula, que la hará circular por un tubo. Por coherencia y su bajo coeficiente de rozamiento se ha basado este proyecto en este objeto. Como representamos gráficamente siempre una partícula atómica

¿Como continuará el recorrido la esfera?

En la imagen de la “fig1” la esfera queda inmóvil una vez ha colisionado con el clavo. En nuestra maqueta hemos construido una bobina “hueca” para que pueda continuar su recorrido sin que colisione con nada a lo largo del anillo, es como decir que circulará por un túnel construido con la bobina, ver figura2.

Fig2a


Fig2b


La idea base de este artilugio se basa en el gran experimento del acelerador de partículas de Ginebra CERN, en que se lanzan por un anillo a una velocidad próxima a la de la luz.



Esta discreta propuesta la hacen sobre un tubo de plástico transparente, en la que se hace circular una bola de acero de tamaño visible, impulsada por dos bobinas situadas en 180 º de la circunferencia del anillo.

Con la ayuda de la circuiteria electrónica que fue diseñada por el profesor, se puede controlar la duración del impulso eléctrico que llega en cada bobina, ello conlleva una regulación estable de la velocidad a la que circulara la bola.

Se ha añadido dos potenciómetros de control para poder ajustar dicha velocidad entre un rango máximo y mínimo. Ver la fig.3



Cita:

Somos plenamente conscientes que en el acelerador de partículas de Ginebra, la aceleración se produce por campo eléctrico y las inmensas bobinas allí presentes a lo largo del anillo solo tienen la función deflectora de desviar un pequeño ángulo para obtener una trayectoria circular de 27Km.

En nuestro proyecto aprovechamos el campo electromagnético para impulsar la bola de acero, por efectos prácticos, didácticos y por la facilidad que todo ello implica.



¿Control electrónico, por qué?

Evidentemente la bobina no puede estar accionada todo el tiempo, hay que accionarla en el momento preciso y desconectarla con precisión para que no frene la bola a la salida de la bobina.

Para ello necesitamos elementos precisos que solamente los podemos obtener con la ayuda de circuitería electrónica.



¿Cuándo accionaremos el electroimán?

En este proyecto se accionará el electroimán en el preciso instante en que la bola entra en la bobina, para ello se ha instalado una barrera de luz que detecta el paso de la esfera, ello provoca el accionamiento de dicha bobina para que cree un fuerte campo magnético.

Fig.4


La barrera electrónica de luz esta formada por un diodo emisor y un fototransistor que actúa como receptor. El receptor envía la señal correspondiente a la placa de control que a su vez acciona el electroimán.

¿Durante cuanto tiempo?, ¿Por qué?

Cabe recordar que la fuerza que ejerce la bobina sobre el material ferromagnético es siempre de atracción. Si mantenemos conectada la bobina mientras la bola está saliendo de ella, se producirá una fuerza de atracción opuesta al desplazamiento de la misma, es decir, frenaremos su dinámica de movimiento, cosa que no es deseada en este proyecto.



¿Solución?

Una vez más utilizaremos la electrónica para conseguir un tiempo de accionamiento preciso. Experimentando y ajustando el tiempo de accionamiento se llegó llegado a la conclusión que dicho accionamiento tiene que oscilar entre 3… 30 ms. Para ello se usó un temporizador basado en chip NE555, eficaz, fácil de utilizar y económico para este propósito.

Para regular ésta temporizacion se intercaló un potenciómetro “RV1” que servirá para variar la velocidad a la que se desplaza la bola.

En la figura “fig.5” se muestra el esquema utilizado para el control de este proyecto.

Fig.5 (Circuito duplicado, uno para cada bobina)


¿Detección de partículas?

Todo acelerador que se precie tiene que tener un detector. Para analizar las colisiones y sus efectos.

En este modesto proyecto no se produce ninguna colisión ni partícula subatómica, pero para aproximar dicho efecto se ha incorporado un LED de alta potencia sincronizado con la barrera de luz. Con todo ello se consigue un efecto ESTROBOSCOPICO que hace ver como si la esfera estuviera parada al paso por ese punto concreto. Curioso, no ¡¡¡.



Para dicho control se encarga el chip PIC12F675 junto con los componentes auxiliares de la parte superior del esquema (fig5).

¿Cuánta energía necesitamos?

Se esta proyectando un artilugio a pequeña escala, pero que absorberá una energía considerable a pesar de su tamaño. No es fácil conseguir una velocidad digna de la esfera, para ello el impulso electromagnético a aplicar es de cierta envergadura. Hechas las pruebas correspondientes se ha obtenido buenos resultados aplicando impulsos de 30A /24V sobre cada bobina.

Fabricar una fuente de estas características no es pan comido, para ello se ha utilizado un transformador 12V + 12V / 10A que carga unos grandes condensadores de 6800uF/35V, gracias a ellos se puede almacenar la suficiente energía que aplicaremos sobre las bobinas. Ver fig.6

Fig.6


Construcción de la maqueta


  1. Hacer un esbozo a mano alzada para distribuir los diferentes elementos que formaran parte de este proyecto.
  2. Sobre un tablero de madera de 80 x 60 cm ubicar los diferentes componentes del proyecto.
  3. Se han encajado las bobinas para que su interior quede a ras de la madera, así el conjunto tubo de plástico-bobina quedará a nivel mejorando el deslizamiento de la esfera.




Construcción de la bobina final:

Cable de cobre esmaltado de 1mm de diámetro.



60 espiras en dos capas de grosor ( 30 espiras por capa). Finalmente pusimos un pequeño ventilador para refrigerar.



4 Hecha la electrónica de control junto con la fuente de alimentación realizamos las primeras pruebas.



5.- Una vez la placa electrónica funciona, se hace las conexiones sobre las bobinas de la maqueta.







6.- Vista general de la maqueta en las primeras pruebas.



Prueba final





PDF para circuito impreso::

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*** Hay ERRORES ¡¡¡ (Alguna pista no sale). Mirar foto anterior del circuito impreso.


Abstenerse a replicar el circuito si no se tienen unos conocimientos mínimos de Electrónica.

Como mínimo hay que saber utilizar con soltura el Osciloscopio y el Tester.

Hay que medir con pulcritud la anchura de pulso que entrega el 555, así como verificar si los transistores MOSFET se activan correctamente y así mismo la bobina.

La anchura del pulso se puede ajustar con los potenciometros.

Hay que comprobar que la barrera de luz, manda un pulso cada vez que la bola pasa por delante. Este pulso es detectado por la entrada del 555 que lanza otro pulso de anchura variable hacia los MOSFET.

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Materiales necesarios:

Para realizar este proyecto se han utilizado materiales fáciles de encontrar, la parte mecánica se puede adquirir en cualquier ferretería y los materiales electrónicos hay que conseguirlos en tiendas especializadas o bien por Internet.


Concepto
Tablero de madera tipo "aglomerado" 60x80
1,5m deTubo manguera de agua flexible transparente 20mm
Bola de acero de 12 mm
15m Hilo de cobre esmaltado de 1mm
2 Condensadores 6800uF/35V
Transformador 12 +12V / 10A
Componentes pasivos varios (resisténcias, condensadores)
C.I. NE555, 7815, 7805, PIC12F675
Puente diodos de poténcia 20A
Diodos LED, Transistores, fototransistor
Placa de circuito impreso virgen fotosensible
Tornilleria, cables, regletas de conexión, radiadores electrónica


Demostración




Diseñado y elaborado por
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Comentarios (26)


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