#159 - Cloud Chamber #1

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O objetivo desta postagem é mostrar os pontos importantes para o projeto de uma Cloud Chamber com pastilhas Peltier.

Escrito e desenvolvido por Léo Corradini

A Cloud Chamber ou câmara de nuvens é uma forma muito interessante para visualizar emanações radioativas. 

Foi desenvolvida por Alexander Langsdorf em 1936.
Esta câmara difere da câmara de nuvem de expansão, criada por Charles Thomson Rees Wilson em 1897, porque é continuamente sensibilizada à radiação.

 Quando uma partícula carregada entra na câmara ou é criada internamente e passa pela zona ativa da câmara, deixa um rastro ionizado. As moléculas de oxigênio e nitrogênio do ar tornam-se íons no caminho da partícula energética à medida que a partícula expulsa elétrons deles.
Como as moléculas do álcool são ligeiramente polares, são atraídas por esses íons. 

Os íons servem como "sementes" ou centros de condensação e gotículas de névoa fina se formam ao redor deles, traçando o caminho da partícula. 

Certamente, é um dispositivo que fará muito sucesso em feiras de ciência.
Neste projeto, usei vapor supersaturado de álcool isopropílico 99% para produzir os traços.

Para produzir o vapor supersaturado com o isopropanol são necessárias temperaturas abaixo de -26°C (1).

Existem duas razões para a escolha do isopropanol:

- Começa a funcionar com temperatura mais alta. O etanol começa com -31°C e o metanol com -44°C.

- É fácil de ser encontrado com alta pureza.

Tradicionalmente, usa-se o gelo seco para abaixar a temperatura na câmara. Também é possível usar misturas refrigerantes (gelo/cloreto de sódio - gelo/cloreto de cálcio - gelo/cloreto de magnésio) para essa finalidade.

Mas, decidi usar pastilhas Peltier porque atualmente são facilmente encontradas e nem sempre temos o gelo seco disponível.

A pastilha Peltier é um componente eletrônico que permite produzir baixas temperaturas pela simples passagem de uma corrente elétrica.

Ligando o positivo da fonte de alimentação no terminal vermelho da pastilha fará com que o lado com o código do componente (TEC1-12706) esfrie e o lado oposto esquente, vice-versa.

Nunca devemos alimentar a pastilha sem um dissipador de calor acoplado termicamente no lado que esquenta.
Porque, dependendo da corrente, a temperatura pode subir muito.

Os componentes internos da pastilha são soldados com liga estanho/bismuto de baixo ponto de fusão (138°C). 

Porém, podemos testá-las facilmente ligando uma pilha alcalina AA em seus terminais, o calor gerado é insuficiente para destruí-las.

 

Foi necessário um arranjo especial das pastilhas para produzir temperaturas abaixo de -26°C e possibilitar o correto funcionamento da câmara.

 
Que consistiu no empilhamento de três pastilhas modelo TEC1-12706, a mais fácil de encontrar no mercado.

 
Usei pasta térmica com prata (2) entre o dissipador e a primeira pastilha, entre as pastilhas e também entre a partilha do topo com uma chapinha de alumínio de 40 x 40 x 1,2 mm.

O dispositivo consiste em um dissipador de calor de alto desempenho que usa heat pipes (3) para transferir o calor para a aletas.
Para tornar a montagem mais prática, usei um modelo onde a ventoinha está montada na lateral do dissipador.

Foram vários ensaios com as pastilhas para definir a potência ideal para esse projeto.

A chave para produzir temperaturas muito baixas com as pastilhas Peltier é trabalhar com potências reduzidas.

Assim, a primeira pastilha, que está em contado direto com o dissipador, está polarizada com 8V (3A) dissipando 24W.
As outras duas pastilhas estão polarizadas com 4V (1,5A) dissipando 6W cada.

 

 

Para obter esse resultado basta ligar duas em paralelo e em série com a primeira pastilha.

 

O conjunto é alimentado por uma fonte de 12V com capacidade para 5A.
A ventoinha é de 12V e também está ligada na mesma fonte.

Corrente na pastilha da base:

 

Corrente na pastilha do meio:

 

 Corrente na pastilha do topo:

 

 Tensão da fonte de alimentação:

 

 

Vista traseira do protótipo:

Fiz a base com EVA preto coberto com um plástico colante de PVC também preto, essa cor é importante para facilitar a visualização dos traços formados.

A chapinha de alumínio ficou colada nesse plástico colante de PVC.

A base tem 140 x 140mm que permite o uso de cúpulas de vários tamanhos.
Como fonte de álcool isopropílico (30 gotas) (4) usei um pedaço de feltro preto fixado no topo da cúpula.

 

Também podemos colocar a mesma quantidade de álcool numa fita de feltro preto que circunda a base fria, achei mais prática essa montagem.

 

 

Uma taça sem a base e parte da haste transformou-se num bela cúpula.

 

Para visualizar os traços, temos que fazer o experimento na penumbra e iluminar lateralmente a cúpula com uma pequena lanterna de LED.

 

É muito legal ver os rastros produzidos pelas partículas Alfa, são os mais fortes.

Na foto abaixo, podemos ver o forte rastro de uma partícula Alfa, também aparece um rastro mais fino segmentado produzido por radiação Beta.

Estes vídeos mostram vários eventos de radiação:

https://www.youtube.com/watch?v=CzOtWA6gLHM

 https://www.youtube.com/watch?v=FL6zOSEEodg

Como fonte de partículas Alfa usei um pedacinho de eletrodo para solda TIG de tungstênio com 2% de óxido de tório.

Descobri que existem eletrodos falsos no mercado, sem adição de óxido de tório.

Certamente, o número de eventos de partículas Alfa produzidas pela  amostra é maior do que aqueles observados nos ensaios.

Existem dois motivos para esse fato:

- Forma-se uma película de isopropanol sobre a amostra que bloqueia algumas partículas.

- Para ser detectada a partícula tem que passar por uma camada relativamente estreita (1 a 3mm) de vapor supersaturado. Assim, as melhores visualizações são aquelas onde a maior parte da trajetória da partícula fica dentro dessa camada e isso nem sempre acontece.

(1) Suspeito que os traços também se formem com temperaturas mais altas. Terei que fazer mais ensaios para confirmar essa hipótese.

(2) Comparativo de Interfaces Térmicas
    https://potassio-40.blogspot.com/2019/01/comparativo-de-interfaces-termicas.html

(3) Heat Pipe
    https://potassio-40.blogspot.com/2018/02/heat-pipe.html

(4) 30 gotas de isopropanol é suficiente para 10 minutos de funcionamento.