Resumen

Hoy en día se conoce a la aurora boreal como un fenómeno que ocurre cuando los electrones altamente cargados del viento solar interactúan con los gases en la atmósfera terrestre.

La aurora boreal siempre está en movimiento, siempre es cambiante, y al igual que los copos de nieve, cada aurora es diferente de la anterior. A veces, hay un débil toque de rojo en capas por encima de la verde. Hay puntos brillantes dentro de los arcos que van y vienen, y se transforman en rayos dirigidos hacia arriba coronados por estructuras plumosas rojas.  El presente proyecto, plantea la posibilidad de usar las bases teóricas del Profesor Birkland, así como el diseño del Dr. Lilensten, para poder crear una Planeterrella con materiales menos costosos. Con menor inversión de Tiempo y replicable en centros académicos.

Dando como resultado un instrumento que permita facilitar la divulgación científica sobre el conocimiento de las Auroras Boreales y el magnetismo terrestre.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

El presente proyecto, plantea la posibilidad de usar las bases teóricas del DR. William Gilbert y del Profesor Birkland, así como el diseño del Dr. Lilensten, para poder crear una Planeterrella con materiales menos costosos. Con menor inversión de Tiempo y replicable en centros académicos. Dando como resultado un instrumento que permita facilitar la divulgación científica sobre el conocimiento de las Auroras Boreales y el magnetismo terrestre.

Antecedentes

Hoy en día se conoce a la aurora boreal como un fenómeno que ocurre cuando los electrones altamente cargados del viento solar interactúan con los gases en la atmósfera terrestre. La aurora boreal siempre está en movimiento, siempre es cambiante, y al igual que los copos de nieve, cada aurora es diferente de la anterior. A veces, hay un débil toque de rojo en capas por encima de la verde. Hay puntos brillantes dentro de los arcos que van y vienen, y se transforman en rayos dirigidos hacia arriba coronados por estructuras plumosas rojas. A veces habrá seis o más rayos, a veces ninguno en absoluto.  ¿De dónde viene la luz de la aurora boreal? La mayor parte de la luz es emitida por átomos de oxígeno excitados por el bombardeo de partículas solares cargadas. Las partículas cargadas que consisten en fragmentos atómicos provenientes del vientos solar a través del espacio; este viento solar se forma por explosiones solares gigantes, conocidas como eyecciones de masa coronales (CME). Cuando una partícula cargada proveniente de una CME se mueve a través de un campo magnético, se crea una fuerza perpendicular al movimiento y esta fuerza desvía la partícula en un forma de espiral hasta que choca con los átomos en la atmósfera superior. Las colisiones de las partículas con la atmósfera superior excitan los átomos (oxígeno y nitrógeno), provocando así la emisión de luz (figura 1). (1)  Figura 1 .  tomada de la página WEB de la NASA. Image Credit: ESA / C. Gauna http://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2015/04/colourful_cosmic_curtains/15348200-1-eng-GB/Colourful_cosmic_curtains_large.jpg

Como ya se mencionó. El Campo magnético terrestre es esencial para la formación de las auroras Boreales.

Cuando la Tierra se formó hace 4,5 billones de años, los elementos pesados se concentraron en el centro, como resultado 3.000 kilómetros por debajo de nuestros pies se encuentra el más grande de los océanos de nuestro planeta: el núcleo de hierro líquido (mezclado con trazas de elementos más ligeros), una esfera de 3400km de radio. Como la presión aumenta hacia el centro de la Tierra, se solidifica el hierro y se forma un sólido núcleo interno, que ocupa un volumen 1200 km de radio. Es en este núcleo metálico que el campo magnético de la Tierra se origina. (2)

Una de las teorías por las que se cree que se forma el campo magnético es la del “Modelo del dínamo auto inducido”.

Para entender mejor este modelo, ver figura 2 . En esta figura, la corriente (i), que circula en el circuito, genera un campo magnético (B). El campo magnético inducido decrece con el tiempo, al igual que la corriente, debido a la resistencia del conductor.

Figura 2. Modelo simplificado del dinamo auto inducido.

Sin embargo, el campo magnético variable que atraviesa el disco giratorio, induce una corriente en éste, y la corriente inducida reforzará el campo inicial. Este proceso se repite en un ciclo interminable.

En el caso de la Tierra, el modelo es más complejo, pero el principio básico es el mismo: la rotación de la Tierra crea un flujo de partículas cargadas en el núcleo exterior del planeta; estas cargas en movimiento constituyen corrientes eléctricas, que originan un campo magnético. El campo magnético producido interactúa con el núcleo en movimiento e induce corrientes que refuerzan el campo inicial. (3)

Es importante mencionar que William Gilbert ( 1544-1603 ), (figura 3) médico real de la reina Isabel I. Estaba fascinado por el magnetismo y creía que la Tierra actuaba como un imán gigante. Y usa el término “terrella”  Proveniente del latín –pequeña tierra- en uno de sus libros en el año 1600. Para probar su teoría, elaboro una esfera (terrella) con piedras naturales magnetizadas. Explicando así el uso de la brújula y como esta siempre apuntaba al polo norte, con algunas variaciones. (4)

Figura 3

William Gilbert

Tomada de: https://star.pst.qub.ac.uk/…/planeterrella/Planeterella%2001.pdf

Posteriormente Kristian Birkeland (1867-1917) un físico noruego publicó en 1896 su teoría sobre las auroras “los electrones que fluyen hacia fuera desde el Sol eran capturados por el campo magnético terrestre y canalizados hacia los polos magnéticos”.

Birkeland construyó sus propias terrellas  (figura 4) para simular el sistema Sol-Tierra. Esferas de metal, que iban del tamaño de pelotas de golf hasta balones de fútbol, estaban suspendidas de la parte superior de las cámaras de presión controlada. Las esferas estaban fuertemente magnetizadas, y estaban conectadas a una corriente de alto voltaje la cual se aplicaba entre la esfera y un electrodo colocado apropiadamente. (5)

Figura 4. 17 cámaras de vacío utilizadas por el profesor Birkeland en sus experimentos relacionados con la aurora boreal y otros fenómenos cósmicos.

La mayor parte del aire se bombeaba fuera de la cámara, simulando la baja presión de la atmósfera superior. Cuando se aplicaba un alto voltaje a través de la esfera y el electrodo se creaba una corriente de electrones. El campo magnético de la esfera empujaba los electrones a los polos norte y sur, donde interactuaban con el gas de baja presión para formar auroras brillantes. (figura 5)

Figura 5. Profesor  Kristian Birkeland y una de sus cámaras de vacío. Efectuando experimentos con la Terrella.

Tomada de: https://star.pst.qub.ac.uk/…/planeterrella/Planeterella%2001.pdf

En 2009, un equipo dirigido por el Dr. Jean Lilensten, del Instituto de Planetología y Astrofísica de Grenoble en Francia construyó un sistema terrella portátil, diseñado para ser sacado del laboratorio e introducirlo en las  escuelas o para su exhibición pública. Este sistema se basa claramente en la terrella, pero es más flexible y potente, lo que permite a los usuarios mostrar muchos más fenómenos planetarios que el experimento de Birkeland. Ellos lo llamaron Planeterrella. (6) Figura 6.

Figura 6. Diseño experimental de la Planeterrella. A:electrodo unido a una rueda libre para correr a lo largo de un canal insertado en una estructura de plástico curvo; B: esfera hueca de 5cm de diámetro; C: esfera hueca de 10cm. De diámetro. Los imanes de tierras están colocados en las esfera con un eje magnético variable; D: bases ajustables; E: cámara de vacío de 50 l. La configuración eléctrica es flexible. El electrodo y las esferas (o sólo una esfera) se pueden conectar libremente al ánodo o cátodo de la fuente de alimentación.

El tiempo dedicado al diseño de la Planeterrella, se estima en 200 horas y 160 horas para su construcción. El costo del equipo experimental fue de aproximadamente 8000 euros en Francia. Sin embargo, puede ser posible que otros deseen replicar la Planeterrella cuenten con la fuente alimentación y la bomba de vacío dentro de las Universidades. Por lo que el costo real puede disminuir a menos de 3000 euros. (6)

Objetivo

OBJETIVO GENERAL:Fabricar una Planeterrella que sea capaz de simular el fenómeno de la Aurora Boreal. 

OBJETIVOS  ESPECÍFICO:1.    Fabricar los dispositivos requeridos para la creación de la Planeterrella, los cuales son:a)    Un circuito de alto voltaje. Capaz de producir una corriente directa de más de 5 kV.b)    Una bomba de vacío.c)    Una cámara de Vacío.2.    Lograr diseñar y construir la Planeterrella con una inversión de tiempo en diseño y construcción, menor a 360 horas.3.    Producir la Planeterrella con un costo menor a los 3000 euros.

Justificación

El presente proyecto es de divulgación, sobre un fenómeno que habitualmente es estudiado por instituciones como la NASA y que requiere de la inversión de miles de dólares y de equipo muy sofisticado, de lograr el objetivo de fabricar una Planeterrella funcional, fácil de construir y de bajo costo; se podría tener la oportunidad de llevar a las aulas de cualquier institución educativa un dispositivo capaz de simular el fenómeno de auroras boreales y así poder adquirí conocimientos sobre este tema, así como electromagnetismo, de una manera práctica y no solo teórica. Buscando además incentivar a los alumnos en el estudio de fenómenos del espacio; ya que estos temas actualmente cuentan con una escasa cobertura en los programas educativos de la educación básica y media. Siendo prácticamente objeto de estudio a nivel superior.

Hipótesis

Posterior a la fabricación de la Planeterrella se lograra hacer una simulación de el fenómeno de la Aurora Boreal.

Método (materiales y procedimiento)

Para la construcción de la planeterrella se tomó como guía un instructivo publicado por Science in School. The European Journal for Science teachers. Dicho instructivo se anexa al presente proyecto. (7) A continuación describiremos como realizamos cada uno de los dispositivos necesarios para la fabricación de la Planeterrella. Se optó por diseñar y construir en primera instancia la bomba de vacío. Para lo cual se utilizó un frasco de vidrio de 1 l con tapa metálica. Se realizaron 3 perforaciones en la tapa metálica. La primera para conducir la entrada de aire. La segunda para la salida de aire y la tercera para la salida del cable de alimentación eléctrica. En las perforaciones encargadas de la conducción de aire se colocaron espigas de aire comprimido y se soldaron a la tapa, además de colocar pegamento tipo cola loca junto con bicarbonato con el objetivo de evitar fugad de aire.  Posteriormente introducimos un mini compresor de aire de 200 PSI al frasco y lo conectamos a la espiga de salida de aire. (8) De esta manera tenemos una bomba de vació que funciona con corriente directa de 12 Voltios y para terminar se conecta una manguera de hule a la espiga de entrada de aire, adaptándole un vacuometro que nos permita conocer el vacío producido por la bomba. Figura 7. Figura 7. Bomba de Vacío. La elaboración del circuito de alto voltaje requirió del uso de 2 resistencias. Una de 220 Ω a 5 W y una de 22  Ω a 2 W, un transistor TIP 35C, un diodo 1N4937, un disipador de calor y un Flyback. La figura 8 muestra el diagrama del circuito de alto voltaje.  Figura 8. Diagrama de Circuito de alto VoltajeUna vez fabricado el circuito de alto voltaje, se estima que al alimentarlo con corriente directa de 12 V, logramos obtener un voltaje de entre 5kV y 10kV. (9)Este voltaje no fue posible medirlo ya que no contábamos con un multímetro que tuviera esta capacidad de medición. Sin embargo al aproximar los cables del polo (+) y (-). Se formaba el arco eléctrico. Indicativo de un alto voltaje. Figura 9 A ) B) Figura 9. A) Circuito de Alto Voltaje B) Arco eléctrico formado con el circuito de alto voltaje. Finalmente se fabricó la campana de vacío, para lo que se utilizó una placa de aluminio de 40cm x 40cm. En la que se realizaron 3 perforaciones. Una para el paso de la corriente (+), otra para el paso de la corriente (-) y una perforación para la salida de aire, la cual es conectada con una manguera de plástico a la bomba de vació. Se empleo un empaque de plástico y una campana de cristal de 5 l.  figura 10A) B) Figura 10. A) vista superior de la campana de vacío B) Vista inferior de la campana de vació. Con esta campana se logró un vacío de -50cmHg al momento de conectarla a la bomba de vació. (10) Una vez que se construyeron los 3 dispositivos. Se procedió a colocar en la campana de vacío una pseudoesfera de fierro, con una serie de imanes de neodimio en su interior, que generan un campo magnético de 22000 unidades gauss. Esta esfera representa la Tierra y se colocó un electrodo sostenido por una semiesfera de fierro a una distancia de entre 5 y 7 cm, el cual representa el sol. Esta distancia es variable; porque no fabricamos un dispositivo que nos permita fijar con exactitud el electrodo. El electrodo será alimentado con energía cargada negativamente y la esfera imantada con energía cargada positivamente. Una vez que se conecta el ánodo y el cátodo al circuito de alto voltaje, este es alimentado con una fuente de poder de 12 V. Produciéndose así un haz de electrones que va del electrodo a la esfera imantada. Previo a alimentar el circuito de alto voltaje, se generó en la campana de vacío una presión de -50 cmHg.

Galería Método

Resultados

Para la elaboración de la Planeterrella, se invirtieron 64 horas en el diseño y 60 horas en su elaboración. Y se estima que el costo total de la Planeterrella, fue de cerca de 197.22 Euros. Al día de hoy se han realizado cerca de 20 pruebas. Consiguiendo siempre  que el haz de electrones genere una luz morada difusa en los polos de la esfera imantada. Lo cual es la simulación esperada del fenómeno de la aurora boreal. Tabla 1 Posteriormente se realizaron 10 pruebas más, colocando 3 imanes de ferrita sobre la semiesfera que sostiene al electrodo (cátodo) con esta modificación solo logramos que la aurora mostrara mayor estabilidad al formarse en el polo norte de la esfera. Tabla 2

Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 1:

Tabla 1. Número de veces que se ha logrado la simulación de la aurora boreal, indicando su ubicación y tamaño aproximado.

Tabla 2. Número de veces que se ha logrado la simulación de la aurora boreal, indicando su ubicación y tamaño aproximado. Cuando se colocaron 3 imanes de ferrita en el cátodo.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

La Planeterrella fabricada logra el objetivo de simular una aurora boreal. Y esta es posible con un bajo costo y con el empleo de artículos de uso diario. Es posible el empleo de la Planeterrella en los salones de clases para que se puedan exponer y conocer más sobre el fenómeno de la aurora boreal y las propiedades del campo magnético terrestre. La simulación de la Aurora Boreal, depende de la intensidad del vació, del voltaje del haz de electrones, de la intensidad del campo magnético y de la posición del electrodo y la esfera magnética. Por lo que en la elaboración de futuras Planeterrella se deberá intentar controlar estas variables.  Con este modelo solo ha sido posible la simulación de auroras boreales de color morado de entre 1 y 2 cm de longitud. Y no se ha intentado la simulación de auroras boreales por más de 5 minutos. Buscando no sobrecalentar el circuito de alto voltaje.

Bibliografía

1. http://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/news/gallery/aurora-index.html#.VzZ_n-QnyUk. [En línea]
2. Dormy, Emmanuel. The origin of the Earth’s magnetic field:fundamental or environmental research?. France : s.n., Europhysicsnews, Vol. 37, págs. 22-25.
3. Durán, Adriano. ¿CUÁL ES EL ORIGEN DE NUESTRO CAMPO MAGNÉTICO?. 1, 2003, Tecnociencia, Vol. 5, págs. 107-117.
4. GILBERT, WILLIAM. A translation by, P. FLEURY MOTTELAY. LOADSTONE AND MAGNETIC BODIES, AND ON THE GREAT MAGNET THE EARTH. London : BERNARD QUARITCH,, 1893. págs. 9,22,23.
5. Jean Lilensten, Gabrielle Provan, Sandrine Grimald, Asgeir Brekke, Erwin Fluckiger, Petra Vanlommel, Cyril Simon Wedlund, Mathieu Barthé lémy, and Pierre Garnier. The Planeterrella experiment: from individual initiative to networking.. AO7, 2013, J. Space Weather Space Clim., Vol. 3, págs. 1-9.
6. Jean LILENSTEN, Mathieu BARTHÉLEMY, Cyril SIMON, Philippe JEANJACQUOT, and Guillaume GRONOFF. The Planeterrella, a Pedagogic Experimentin Planetology and Plasma Physics. 1, 2009, Acta Geophysica, Vol. 57, págs. 220-235.
7. Philippe Jeanjacquot, Jean Lilensten. Luz sobre el viento solar: simular las auroras en clase. 26, 2013, Science in School. The European journal for Science teachers.
8. https://www.youtube.com/watch?v=Aqcwq5WulPE. [En línea]
9. https://www.youtube.com/watch?v=Wbdlppl44Uw. [En línea]
10. https://www.youtube.com/watch?v=MfjfYsej1jM. [En línea]

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography