La finalidad de éste proyecto es introducir de manera sutil el fundamento y la estructura funcional del acelerador de partículas que ha sido construído en Ginebra “CERN”.
El desafío no es facil, pues hay que obtener una maqueta real en donde se aprecie el comportamiento de aceleración de una partícula física visible al rededor de un anillo por la que circulará a una velocidad controlable electrónicamente.
Funcionamiento básico de la maqueta.
Ésto 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.
Nuestra discreta propuesta la hacemos sobre un tubo de plástico transparente, en la que hacemos 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 habremos diseñado nosotros mismos, podremos 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.
Hemos añadido dos potenciómetros de control para poder ajustar dicha velocidad entre un rango máximo y mínimo.
Aclaración: 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 nuestro proyecto accionamos el electroimán en el preciso instante en que la bola entra en la bobina, para ello hemos instalado una barrera de luz que nos detecta el paso de la esfera, ello provoca el accionamiento de dicha bobina para que cree un fuerte campo magnético.
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 pretendemos en este proyecto.
¿Solución?
Una vez más utilizaremos la electrónica para conseguir un tiempo de accionamiento preciso. Experimentando y ajustando el tiempo de accionamiento hemos llegado a la conclusión que dicho accionamiento tiene que oscilar entre 3… 30 ms. Para ello hemos utilizado un temporizador basado en chip NE555, eficaz, fácil de utilizar y económico para este propósito.
Para regular ésta temporizacion hemos intercalado un potenciómetro “RV1” que servirá para variar la velocidad a la que se desplaza la bola.
En la figura inferior mostramos el esquema utilizado para el control de este proyecto.
¿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 hemos incorporado un LED de alta potencia sincronizado con la barrera de luz. Con todo ello conseguimos un efecto ESTROBOSCOPICO que nos 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
¿Cuánta energía necesitamos?
Estamos 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 hemos obtenido buenos resultados aplicando impulsos de 30A /24V sobre cada bobina.
Fabricar una fuente de estas características no es pan comido, para ello hemos utilizado un transformador 12V + 12V / 10A que carga unos grandes condensadores de 6800uF/35V, gracias a ellos podemos almacenar la suficiente energía que aplicaremos sobre las bobinas.
Construcción de la maqueta:
- 1.- Hemos hecho 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 hemos ubicado 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, hacemos las conexiones sobre las bobinas de la maqueta.
- 6.- Vista general de la maqueta en las primeras pruebas.
En acción…
Materiales necesarios, estimación del presupuesto.
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.
Los precios son aproximados, pueden variar de una tienda a otra.
Puedes ver el montaje en el siguiente vídeo:
¿Qué recomendaciones debería seguir?, estoy haciendo un proyecto sobre este tema. Gracias