Intermitencia de una bombilla fluorescente de alto voltaje

Question

Mi hijo y yo construimos una máquina Wimshurst (nuestro segundo intento) durante el último par de fines de semana. Funciona - no muy bien, ya que sólo hace chispas de 2 cm con discos de 20 cm (algo así como 60 kVolt cuando debería ser capaz de 5 cm o más de 100 kVolt), pero estábamos contentos de conseguir que funcionara ya que nuestra primera máquina falló por completo.

Con una fuente de alto voltaje para jugar, hemos realizado algunos de los experimentos electrostáticos más sencillos. Tiras de papel que se levantan cuando se cargan, electroscopios, etc. Una de las cosas que hicimos fue acercar una bombilla fluorescente a uno de los terminales de descarga de la máquina. Como una bombilla fluorescente se ilumina si la frotas con lana para generar electricidad estática, supuse que se iluminaría mientras los discos giraban.

Bueno, más o menos. Parpadea cuando una chispa salta el espacio de chispa en la máquina - que no es una chispa de la máquina a la bombilla, pero sólo una chispa normal entre los terminales de la propia máquina. La bombilla parpadea cuando se mantiene cerca de la máquina, por ejemplo, a menos de 1 metro. No se enciende continuamente como esperaba. Si abro el hueco de la chispa lo suficiente como para evitar las chispas, entonces la bombilla no se enciende en absoluto.

¿Por qué la bombilla parpadea cuando la máquina echa chispas?

¿Por qué la bombilla no se enciende continuamente cuando la máquina está en funcionamiento?

¿Por qué la bombilla parpadea aunque no haya contacto con los terminales de descarga?

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Actualización: He investigado las sugerencias de WetSavannaAnimal aka Rod Vance tan bien como pude. No podía poner el generador en una jaula de pantalla - simplemente no es práctico para construir una jaula de pantalla lo suficientemente grande y sólida y todavía ser capaz de arrancar la máquina a través de ella.

Como el corazón de la respuesta de WetSavannaAnimal aka Rod Vance fue que el parpadeo fue causado por los rayos X, traté de demostrar que realmente es de los rayos X. Los rayos X deberían causar que otras cosas fluorescentes parpadeen también, o eso creo. Desenterré algunas de las estrellas que brillan en la oscuridad que solían estar en las paredes de la habitación de los niños. Contienen sulfuro de zinc o aluminato de estroncio (ambos tipos pueden brillar con el mismo color verde apagado, así que no puedo decir cuál tengo) y también deberían brillar en presencia de rayos X. Por muy cerca que estuvieran de la chispa, no brillarían, ni siquiera brillarían más.

Entonces me hice con otro tubo fluorescente. Se trata de un tubo recto de unos 15 cm de largo y menos de 1 cm de diámetro. Colgué este tubo en unas cuerdas por encima del banco de trabajo y puse en marcha el generador. Este tubo también parpadea, pero al mantenerlo fijo, pude mover la máquina y los terminales de chispa y ver qué efecto tenían las distintas orientaciones y distancias.

Todo se reduce a la distancia entre el terminal de descarga de la máquina y el contacto en el extremo del tubo. Si mantengo el tubo a la misma distancia del terminal pero lo dispongo de forma que el contacto del tubo esté más lejos, entonces no parpadea con tanta intensidad. No importa si el terminal (una bola metálica sólida) está entre la chispa y el tubo. Sólo importa la distancia al contacto.

Parece ser un efecto eléctrico. También ocurre si cargo la máquina y toco el terminal de descarga con el dedo: acciona la máquina hasta que esté a punto de producir una chispa y toca el terminal con el dedo. Una chispa salta del terminal a mi dedo, y el tubo fluorescente parpadea.

Supongo que hay algún tipo de acoplamiento capacitivo entre el generador y el tubo. ¿Alguna sugerencia sobre cómo comprobarlo?

Answer 1

Los tubos fluorescentes se encienden normalmente cuando un electrón, producido por la emisión termoiónica en un filamento, choca inelásticamente con un átomo de mercurio y eleva a éste a un estado metaestable, que decae y emite luz UV. El revestimiento fluorescente de la lámpara absorbe entonces esta luz ultravioleta y se vuelve fluorescente.

En campos eléctricos muy elevados, el gas de relleno del tubo puede ionizarse sin que se caliente el filamento y el campo eléctrico acelera los electrones liberados por este proceso. Una vez más, chocarán con los átomos de mercurio, generando así la fluorescencia descrita anteriormente.

Supongo que lo que ocurre en tu situación es que el campo eléctrico de corriente continua alrededor de la máquina Wimshurst no es suficiente para el efecto del último párrafo, sino que una o ambas cosas están ocurriendo cuando se produce la chispa:

1. Una corriente extremadamente cambiante en la chispa produce un campo magnético extremadamente cambiante, que a través de la ley de Faraday engendra altos campos eléctricos y lanza un pulso de radiación electromagnética relativamente intensa: es el campo eléctrico de esta radiación que se propaga el que puede estar ionizando el gas del tubo y dando lugar a las colisiones electrón-átomo de mercurio;

2. La chispa se compone de iones y electrones de alta energía, acelerados a 60keV, que chocan contra el electrodo positivo, dando lugar a bremstrahlung ionizantes (rayos X blandos) de intensidad suficiente para ionizar y acelerar el gas del tubo y provocar colisiones.

Se podría diferenciar entre los dos viendo si una fina malla de cobre alrededor de la máquina Wimshurst impide la fluorescencia del tubo: una malla tan fina absorberá significativamente el pulso producido en 1. pero no absorberá significativamente los rayos X.

Otra prueba a realizar para comprobar que podría falsear o confirmar cualquiera de las hipótesis anteriores es comprobar qué orientación debe tener la luz del tubo fluorescente y también dónde se encuentra respecto al hueco de la chispa para que se encienda. Cualquier bremstrahlung de rayos X se emitirá más o menos normal a la dirección de flujo de la chispa desde el ánodo. Asimismo, la chispa con sus dos electrodos se comportará como una carga capacitiva antena dipolo corta . Ambas afirmaciones significan que:

1. Hay muy poco campo a lo largo de la línea de la chispa a cualquier distancia apreciable de la misma. Por lo tanto, si se alinea el tubo fluorescente con el flujo de la chispa (es decir, se coloca a lo largo del eje que une los centros de los dos electrodos) ( es decir lo alineas a lo largo del $\hat{Z}$ vector y poner $\theta=0$ en las discusiones de abajo), deberías poder acercar su extremo a la chispa sin encender el tubo;

2. Por otro lado, si se mantiene el tubo en esta orientación (alineado a lo largo de $\hat{Z}$ ), pero llévalo junto a la chispa (pon $\theta = \pi/2$ ), debería ver la iluminación del tubo incluso a una distancia considerable de la chispa;

El campo eléctrico para el dipolo es el siguiente. Si $\hat{Z}$ es un vector unitario alineado con el flujo de corriente de la chispa, entonces tenemos:

$$E(r,\,\theta,\,t) \approx \frac{\mu_0\,L}{4\,\pi}\, \frac{\left[\frac{{\rm d}}{{\rm d}\,t}I(t)\right]\,\sin\theta}{r}\,\hat{Z}$$

donde $\left[I(t)\right]$ es el retrasado corriente de chispa y $r$ la distancia desde el punto medio entre los electrodos y $L$ la longitud de la chispa. Como en esta expresión hay una derivada temporal de la corriente, el campo eléctrico puede ser muy alto. Si suponemos que la capacidad de los dos electrodos es $10{\rm pF}$ Entonces, se acumulan las cargas de $6\times 10^{-6}{\rm C}$ cuando comienza la chispa. Si suponemos un tiempo de descarga de un nanosegundo, tenemos una corriente de pico de aproximadamente $6000A$ Si suponemos que el establecimiento de esta corriente dura un nanosegundo, entonces $\frac{{\rm d}}{{\rm d}\,t}I(t)\approx 6\times 10^{12}{\rm A\,s^{-1}}$ y la expresión del campo eléctrico anterior arroja un campo de pico de aproximadamente $12000{\rm V\,m^{-1}}$ . Esto probablemente no sería suficiente para ionizar el gas del tubo fluorescente, por lo que creo que la explicación de los rayos X blandos es la más probable.