Gli esperimenti di Birkeland -Terella- e la loro importanza per la moderna sinergia di laboratorio e lo studio dei plasmi – 3° parte –

Evoluzione degli esperimenti ed idee

Dieci differenti terrella sono stati descritti da Birkeland con diametri da 2,5 a 36 cm. Nel primi esperimenti, realizzati nell’autunno del 1900, Birkeland utilizzò due Terrella da 5,0 e 7,5 cm. di diametro. Gli avvolgimenti degli elettromagneti erano sferici e circondati da un sottile rivestimento di ottone con uno strato di bario platinocyanide BaPt(CN)4.

http://en.wikipedia.org/wiki/Platinocyanide

Birkeland era consapevole che non avrebbe potuto mai raggiungere condizioni di somiglianza con il magnetismo naturale terrestre. Con una terrella di 7,5 cm. e 1.7×10^8 volte più piccola del diametro della terra, richiederebbe un analogo campo magnetico che circonda la sfera di 1,7×10 volte più forte di intensità del campo geomagnetico, certamente impossibile da realizzare nella pratica.

Per fortuna osservò che i fenomeni luminosi non variano troppo con la forza magnetica del terrella, purché la forza raggiunga un determinato valore considerevole. Tutti gli altri esperimenti terrella di Birkeland sono stati descritti nel trattato della terza spedizione artica, che copre il suo lavoro di laboratorio dal 1901 al 1913. Molti degli esperimenti sono stati eseguiti con una terrella, dove la bobina e quindi l’asse magnetico erano inclinati rispetto all’asse verticale. Durante gli esperimenti era in grado di ruotare le terrella attorno all’asse verticale, e in questo modo ha studiato l’effetto della eccentricità dei poli magnetici della Terra sull’aurora. Al primo avvio degli esperimenti sistematici con le terrella B. usò dei tubi cilindrici, con un volume di circa 12 litri, come mostrato nella figura n°3 (vedi il precedente articolo). Gli esperimenti con questo tubo sono stati anche utilizzati per il confronto con i calcoli orbitali di Carl Stirmer. Per un confronto diretto con modelli sono stati fatti esperimenti per la visualizzazione delle traiettorie nello spazio, come mostrato in figura n° 4. Quando in laboratorio Birkeland effettuò la simulazione dell’aurora, dovette dare alla terrella una sorta di atmosfera. Questo problema venne risolto in vari modi. Nei primi deboli scarichi la superficie della terrella era coperta da una vernice fosforescente che produceva una luce visibile quando veniva colpita dai raggi. In seguito sviluppò un altro metodo che rese più facile osservare i raggi nello spazio circostante, facendo passare una corrente elevata attraverso la bobina di magnetizzazione, la superficie della terrella diventava più calda e emanava dei gas. B. poi riduceva il campo magnetico al valore desiderato, accendeva lo scarico, ed effettuava le fotografie. Un terzo metodo era quello di coprire la superficie con uno strato sottile di olio, che evaporava durante lo scarico.

Figura 4: Un confronto tra un esperimento terrella (a sinistra) e un modello che mostra le traiettorie calcolate dal professor Stirmer per l’esperimento. Questo esperimento è stato eseguito nel luglio del 1907 nel primo tubo di vetro da 12 litri, e mostra le regioni lungo la “zona aurorale” illuminate.

La Figura n°4 mostra una terrella con un grande schermo verticale. Con gli scarichi a bassa intensità era possibile vedere dove i raggi catodici colpivano la terrella dalla fosforescenza della superficie. Per poter vedere le traiettorie dei raggi prima che colpissero la terrella, il setup era fornito di lamine (chiamate schermi piatti da Birkeland), che erano verniciate con un materiale fosforescente. Ci sono schermi verticali ed orizzontali, schermi con fori e fenditure, l’intero dispositivo è costituito fino ad un massimo di otto schermi per terrella, schermi con perni, combinazioni di schermi e spille puntati sulla superficie della terrella, e così via. I perni creano ombre che forniscono informazioni sui percorsi dei raggi. Dal 1895-1908 tutti i suoi esperimenti di laboratorio, compresi gli studi aurorali, sono stati eseguiti in fragili tubi di vetro, dove la rifrazione della luce attraverso le pareti di vetro curvato tendevano a dare informazioni distorte effettuate le fotografie. Guidato da tali carenze Birkeland progettò quindi una nuova camera sperimentale a forma di scatola che nella parte superiore e sul fondo riportava delle lastre di metallo, vetro e finestre sui quattro lati. Il volume totale di questa nuova scatola era di 22 litri, le lastre di vetro o finestre avevano un’area di circa 20 x 45 e 20 x 25 cm ed uno spessore di 2.0 cm. Con questa struttura perfezionata continuò lo studio degli scarichi con lo scopo di ottenere una chiara idea del percorso dei raggi intorno alle terrella magnetizzate. Uno dei motivi che lo spinsero a continuare la ricerca sperimentale su questo problema era il suo scetticismo per i modelli matematici. Finché i modelli matematici non saranno perfetti, l’utilità di questi calcoli sarà limitata. In quel momento, durante l’inverno 1910-1911, l’interesse del laboratorio di Birkeland si trasferisce dall’aurora boreale ai fenomeni cosmici e solari. In quel periodo iniziò con una serie di esperimenti completamente nuovi nel camera da 22 litri, ora simulando il Sole, ora Saturno e una coda di cometa. In molti dei suoi esperimenti aurorali Birkeland si  soffermò sul fenomeni che potrebbero servire da un punto di partenza per una spiegazione della luce zodiacale.

http://it.wikipedia.org/wiki/Luce_zodiacale

In astronomia, la luce zodiacale è una debole luminosità che appare lungo l’eclittica, in particolare nelle vicinanze del Sole. Nel cielo occidentale il periodo migliore per osservarla è la primavera, dopo che luci del tramonto sono completamente scomparse, mentre nel cielo orientale è più favorevole l’autunno subito prima dell’alba. È così debole da essere completamente invisibile se la Luna è presente in cielo o se si proietta sulla Via Lattea. La luce zodiacale decresce di intensità allontanandosi dal Sole, ma in notti molto buie è stato osservato un cerchio completo attorno all’eclittica.

B. credeva che questa luce avveniva a causa degli scarichi, come l’aurora, e cercò di simularla nel suo laboratorio. Il setup di questo sperimento era molto simile a quello per l’aurora, ma la polarità della scarica era differente. Il terrella, era senza rivestimento fosforescente, era negativo e serviva come il catodo per simulare il sole.

Per quanto si può accertare dal testo, questo era il suo solito modo di collegare l’apparecchio quando faceva esperimenti per simulare la luce zodiacale, le macchie solari e gli anelli di Saturno. La sua spiegazione della luce zodiacale era che le nubi di polvere atomica o “atomic dust” provenienti dal Sole, erano distribuite in uno strato molto sottile del piano equatoriale solare, ed erano illuminate da una sorta di scarica cosmica. Dimostrò questo per la prima volta eseguendo scarichi con una Terrella da 8 cm. Con la terrella altamente magnetizzata e con una piccola scarica di corrente avrebbe potuto creare una sottile e piatta figura luminosa nel piano equatoriale della terrella. In condizioni ideali, avrebbe potuto produrre anelli nettamente visibili sul vetro delle finestre.

B. scrive che se fosse stato in possesso di una quantità sufficienti di bromuro di radio puro, avrebbe rivestito l’equatore della terrella più altamente magnetizzata e avrebbe osservato se altri anelli di raggi Alfa e Beta si sarebbero sviluppati in aggiunta agli anelli di raggi catodici. Questo commento riflette la concezione prevalente in quel periodo della materia come composta da atomi neutri e da tre tipi di raggi corpuscolari noti. Tuttavia, più tardi Birkeland espresse idee circa la materia interplanetaria che erano molto più vicine al moderno concetto di plasmi polverosi. Nel 1910, durante il passaggio della cometa di Halley, Birkeland formulò una spiegazione sulla formazione della coda della cometa. Egli suggerì che, quando le comete si avvicinano al Sole, si caricano di un elevato potenziale negativo di raggi provenienti dalle zone intorno alle macchie solari. Uno stretto rapporto catodo-anodo è impostato e lo scarico visibile avviene attraverso la fuoriuscita di gas dal nocciolo della cometa. Anche questa teoria è stata testata in laboratorio da B. che credeva che i nuclei delle comete fossero carboniosi, ed effettuò numerosi sperimenti di scarico con il carbonio in forme diverse.

La disintegrazione e l’emissione di luce dal carbonio fu una conferma a l’idea di Birkeland, che la coda fosse formata dalla fuoriuscita di gas letteralmente “acceso” dalla scarica. Egli simulò anche la cometa penetrando dall’esterno nella camera sottovuoto un ago d’argento cavo e sottile. Con delle pompe in azione, che soffiavano un debole flusso di CO2, attraverso l’ago nello spazio, riuscì a creare una scarica tra l’ago e l’anodo. L’ago fungeva da catodo. Con cura e attenzione regolando il flusso di gas e la tensione di scarica avrebbe potuto ottenere una sottile luce ripresa fuori dalla “cometa“. Nella descrizione del suo primo esperimento terrella nel 1900 Birkeland scriveva : “ In  qualche esperimento ho visto tre anelli luminosi nella terrella. Oltre ai due classici anelli nelle regioni polari, talvolta ha potuto osservare un terzo anello, che circondava il modello della Terra quasi come gli anelli di Saturno….” Più tardi, durante i suoi studi sistematici di laboratorio sull’aurora, descrive questo fenomeno, dicendo che era piuttosto difficile da realizzare in condizioni standard di sperimentazione. Dieci anni più tardi iniziò le simulazioni sistematiche degli anelli di Saturno. Egli scoprì che erano facilmente riproducibili cambiando la polarità della scarica. In realtà, questo fu lo stesso set-up usato per simulare la luce zodiacale, ma i parametri di scarico furono differenti. In un nuovo box da 70 litri con le scariche creò da tre a cinque anelli equatoriali attorno al terrella. La spiegazione di questi anelli era simile a quella della luce zodiacale. Una costante radiazione elettrica dal pianeta è accompagnata da una espulsione di piccole particelle di materiale (evaporazione elettrica), e queste particelle formano gli anelli. Le analogie di laboratorio con questa evaporazione è ciò che oggi viene chiamato sputtering.

http://it.wikipedia.org/wiki/Polverizzazione_catodica

La polverizzazione catodica (o sputtering in inglese, letteralmente “spruzzamento” in italiano) è un processo per il quale si ha emissione di atomi, ioni o frammenti molecolari da un materiale solido detto bersaglio (target) bombardato con un fascio di particelle energetiche (generalmente ioni).

Gli esperimenti Terrella che simulano la luce zodiacale e gli anelli di Saturno sono mostrati in figura n°5 .

Per gli studi del fenomeno di sputtering, Birkeland effettuò diversi esperimenti in una campana di vetro nella quale era stato fatto il vuoto e posta all’interno di forte campo magnetico. Studiò la disintegrazione dei catodi di palladio dovuti ad una potente scarica, e la deposizione del palladio sulle pareti di vetro. In altre parole, dimostrò che il materiale può essere gettato da un giunto catodico attivo e guidato da un campo magnetico.

Anche dal globo magnetico, che agisce come catodo nella camera sotto vuoto, il materiale è stato buttato fuori nel piano equatoriale. Questo si deduce dall’annerimento delle lastre di vetro situate vicino alla terrella.

B. conclude questo studio affermando di credere che Saturno getta tonnellate di materia ogni giorno negli anelli, e che gli anelli sono costantemente riforniti. Ha anche ipotizzato che le lune del pianeta potrebbero essersi formate da tale materiale espulso. Sotto l’influenza di forze gravitazionali, la polvere negli anelli di Saturno si sarebbe potuto aggregare, formando più lune, e alla fine gli anelli di polvere sarebbero scomparsi. Anche i pianeti del sistema solare potrebbero essere stati formati dalla stessa materia elettricamente espulsa dal sole.

Figura 5: (a) Luce zodiacale. Nel centro della figura abbiamo una piccola terrella di 2,5 cm. di diametro, come il Sole. Il terrella è coperto da un bagliore, la corona solare, e la luce zodiacale si vede come un sottile disco di luce nel piano equatoriale del terrella. (b) Anelli di Saturno. Questo esperimento è stato eseguito nella terza camera da 320 litri e con un terrella da 24 centimetri. Il terrella agisce come un catodo ed è stato fortemente magnetizzato.

 

Simone Becuzzi

Fine 3°parte

Hatena Bookmark - Gli esperimenti di Birkeland -Terella- e la loro importanza per la moderna sinergia di laboratorio e lo studio dei plasmi – 3° parte –
Share on Facebook
[`google_buzz` not found]
[`yahoo` not found]
[`livedoor` not found]
[`friendfeed` not found]
[`tweetmeme` not found]

4 pensieri su “Gli esperimenti di Birkeland -Terella- e la loro importanza per la moderna sinergia di laboratorio e lo studio dei plasmi – 3° parte –

  1. Grazie Simone per aver dedicato tanto tempo alla traduzione di questa ricerca di inizio secolo, che se anche difficile da digerire e molto retrò…nei sui concetti, ci lascia con tanti punti interrogativi sulla vero principio fisico che sta alla base della formazione delle Aurore, delle macchie solari o degli anelli di Saturno.
    Era una scienza dove tutto era da scoprire e dove si cercavano i vari collegamenti fra le varie fenomenologie…
    Che bello sarebbe stato poter entrare nei laboratori di Edison,Tesla,marconi…

      (Quote)  (Reply)

  2. E ‘la base per una comprensione olistica dell’universo. “Come in alto, cosi in basso”.Le analogie sono perfetti. Che raggiunge a tutti coloro che ricevono la verità, verità che altrimenti è ovunque, come dicevano gli alchimisti dotti, e, inoltre, era disprezzato dagli ignoranti,

      (Quote)  (Reply)

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Immagine CAPTCHA

*

You can add images to your comment by clicking here.

Aggiungi una immagine

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.