Tecnicas De Fisica Experimental Tomo I

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MANUALES DE EUDEBA 1 FISICA

Técnicas de física experimental

JOHN STRONG en colaboración con

H. VICTOR NEHER, ALBERT E. WHITFORD, C. HAWLEY CARTWRIGHT y ROGER HAYWARD Ilustrado

por

RooER

HAYWARD

EUDEBA EDITORIAL UNIVERSITARIA DE BUENOS AIRES

Título de la obra original: Procedures in Experimental Physics

Englewood Cliffs, Nueva Jersey, Prentice Hall, Inc., 1938 Traducida de la decimonovena reimpresión, 1956, por RAQUEL

T.

DE GoLDSCHVARTZ

y

.J. M. GoLDSCHVARTZ

La revisión técnica estuvo a cargo del doctor

MmsÉs

SAMETBAND,

profesor de la Universidad de Buenos Aires

©

1965 EDITORIAL UNIVERSITARIA DE BUENOS AIRES - Viamonte 640 Fundada por !a Universidad de Buenos Aires

Hecho el depósito de ley IMPRESO EN LA ARGENTINA -

PRINTI!D IN ARGENTINA

INDICE DEL TOMO 1

Plu!:FACIO . . . • . . . . . . • . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . • . . . . . . . . . . .

l.

XI

ÜPERACIONES FUNDAMENTALES PARA EL SOPLADO DE VIDRIO

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

Algunas propiedades físicas del vidrio, 3. Cómo se cortan tubos y botellas, 6. Limpieza, 8. Calentamiento previo, 8. Curvado de tubos, 10. Contracción, 11. Recocido, 12. Estirar puntas, 12. Cerrar un tubo, 15. Cómo cortar un tubo en la llama, 15. Preparación para las uniones, 16. Cómo hacer uniones, 18. Soldadura circular, 18. Soplado de bulbos, 20. Construcciones, 21. Corrección de defectos, 22. Soldaduras de platino-vidrio, 22. Soldaduras de tungsteno-vidrio, 23. Soldadura de cobre-vidrio, 25. Kovar y Fernico, 26. Soldaduras de porcelana y Pyrex, 27.

Il.

TÉCNICA PARA EL TALLER DE ÓPTICA

28

Procedimientos generales, 28. Teoría del esmerilado y pulido, 29. Métodos de pulido, 31. Técnicas utilizadas para superficies ópticas de 8 a 15 centímetros de diámetro y mayores, 32. Corte y desbastado del objeto, 32. Cortavidrios circular, 34. Sierras para vidrio, 37. Máquina de Draper modificada, 37. Soporte de la pieza, 37. Esmerilado de curvas, 39. Esmerilado fino, 42. Brea para herramientas, 43. Pulido, 47. Figurado, 48. Zonas de corte y zonas de transición, 48. Interpretación de la acción de las herramientas de pulido y configuración, 49. Herramientas de figurado por zonas, 50. Procedimientos para figurar defectos zonales y hacer superficies de revolución no esféricas, 53. Astigmatismo, 58. Prueba óptica, 58. Franjas de Newton, 60. Franja de Haidinger, 62. Pruebas con el ocular, 62. Prueba de Foucault, 63. Prueba por

VII

ri:CNICAS DE F!SICA EXPERIMENTAL

zonas con la cuchilla de borde filoso, 68. Prueba de Hartmann, 7 4. Alineación de un sistema de espejos, 74. Dos métodos para generar superficies ópticas, 75. Trabajado de superficies ópticas en el torno óptico con palanca manual, 75. Relación entre dos figuras ópticas, 78. Protección, 78. Cuarzo calcita, 81. Trabajo óptico de cristales, 81. Pulido de metales, 82. Cámara de Schmidt, 84.

III. LA

TÉCNICA DEL ALTO VACÍO

. . . . . . . . . . . . . . •• . •

87

Las leyes de los gases ideales, 87. El camino libre medio, 88. Viscosidad y conductividad térmica, 89. Velocidad de bombeo, 90. Conductancia de las líneas de bombeo, 92. Evacuación, 93. Bombas preliminares, 94. Desgasificación de vidrio y metales, 95. Tensión de vapor, 96. Absorbentes, 96. Sistemas de vacío estáticos y dinámicos, 99. Bombas de difusión, 103. Bombas de difusión de aceite, 106. Trampas de mercurio, 114. Construcción de sistemas dinámicos de vacío, 118. Sellos, 122. Electrodos, 124. Válvulas, 125. Partes móviles, 127. Pérdidas, 128. Vacuómetros, 130. El vacuómetro de McLeod, 131. El vacuómetro de ionización, 135. El vacuómetro de Langmuir, 139. El vacuómetro de Knudsen, 142.

!V.

REVESTIMIENTO

DE

SUPERFICIES:

PROYECCIÓN CATÓDICA

EVAPORACIÓN

Y

..•................•••..

143

Método de la combustión, 143. Método del plateado químico, 144. Limpieza, 144. Proceso Brashear, 146. El proceso de la sal de Rochelle, 148. Barnizado, 149. Superficies secas y limpias y superficies empañadas, 155. Limpieza de espejos para su aluminizado, 157. Evaporación, 158. Técnica de la evaporación para el aluminio, 160. Espejo de vacío, 165. Películas uniformes, 167. Parabolización de un espejo esférico por aluminizado, 170. Películas semirreflectoras, 175.

V.

EL

uso

DEL CUARZO FUNDIDO

. . . . . • . . . • . •• . . • • •

Observaciones generales sobre el cuarzo fundido, 178. Propiedades químicas, 179. Propiedades físicas, 179. Equipo para hacer fibras de cuarzo y trabajar con ellas, 184. Cómo se hacen las fibras,

VIII

178

íNDICE

191. Cuidado y conservacwn de fibras pequeñas, 197. Algunos métodos útiles para hacer fibras, 197. Otras aplicaciones del cuarzo, 203.

VI.

ELECTRÓMETROS y

ELECTROSCOPIOS

. . . . . . . • • . . . .

204

Definiciones, 204. Teoría general, 204. Aplicación a los electroscopios, 205. Aplicación a los electrómetros, 206. Diferentes tipos de electroscopios, 212. Algunos tipos de electrómetros, 219. Algunas consideraciones prácticas acerca del uso de los electrómetros y electroscopios, 230. Medición a desviación constante, 234. Limitaciones de los diversos tipos de instrumentos, 235. Comparación de los diversos tipos de instrumentos, 238. Técnicas para hacer electroscopios y electrómetros, 239. Aisladores usados en la construcción de electrómetros y electroscopios, 242.

VII.

CoNTADORES

243

GEIGER

El contador de punta, 243. El contador proporcional, 244. El contador "Zahlvohv" o de GeigerMüller, 246. Sensibilidad de los contadores a las partículas ionizantes, 254. Tubos G-M para usos especiales, 255. Distintos métodos para medir el número de cómputos, 258. Circuitos de coincidencia, 270. Fuentes de alta tensión, 272. Reguladores de tensión, 274. Discusión acerca de las probabiliriArlo.c:

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IX

Tl:CNICAS DE F!SICA EXPERIMENTAL

INDICE ABREVIADO DEL TOMO 11

VIII. Pilas termoeléctricas en vacío y medición de la energía radiante. IX. Fuentes luminosas, filtros e instrumentos ópticos. X. Células fotoeléctricas y amplificadores. XI. La fotografía en el laboratorio. XII. Calor y alta temperatura. XIII. Notas acerca de materiales de investigación. XIV. Notas sobre construcción y diseño de instrumentos y aparatos. XV. Moldeo y fundición. ~DICE ALFABÉ~ICO

X

PREFACIO

Describir los procedimientos importantes empleados en la física experimental es d propó~ito de t.ste libro. Lús autores han elegido temas que han resultado de interés y valor especiales en s·us propias investigaciones. Muchas ck las técnicas y los resultados de 1.1.s investigaciones aparecen impresos aquí por vez primera. El sistema ideal para aprender los procedimien'ros utilizados en la física experimental es el contacto directr, con f'llos en el laboratorio. Al romprenderlo así hemos intentad,__ salvar, mediante el uso de abundantes figuras, la dl.,fancia que ext~te entre la.s demostraciones de laboratorio y la e:rperiencw, pm· un lado, y la e;rpoS1.ción, por el otro. Quiero exp1 esar mi reconocimiento al señor ]). O. Hendrix por la mayor parte de los rnétod.os presentados en el capitulo II, y al doctor R. M. Langer por el tratamiento del flujo no esta.cMfta.rio de calor expu~sto en el capítulo XII. He extractado material de muchos libros y revista& cientfficos. Espero que no haya incu1-rido en omisiones lf~ nombrar las di.fi1tfas fuentes del contenido de este libro. Me es muy grato reconocer aquí la ayuda de mi esposa, d.f la señora Elizabeth Hayward y del señor James T. Barkelew en la prepamción del manuscrito. As1"mismo, la ayuda y cortesía de la edit,,,.,nl Prentice-Hall.

J.

STRO.:\G

XI

CAPíTULO l

OPERACIONES FUNDAMENTALES PARA EL SOPLADO DEL VIDRIO

Las operaciones fundamentales para realizar el soplado del vidrio, en trabajos de laboratorio, son: cortar, rotar, doblar, soplar y soldar. Combinadas de diversos modos estas operaciones principales, se construyen aparatos con tubos o varillaJS de vidrio. Describiremos en este capítulo cómo se realizan aquPllas. Aetualme_nte se usa mucho el vidrio duro, el Pyrex por ejemplo, para hacPr aparatos de laboratorio. Es más difícil de manipular que el vidrio blando, porque su temperatura de trabajo es más alta y se enfría con rapidez cuando se lo aparta de la llama. Sin embargo. resulta menos difíc·il el recocido del vidrio duro, por su dilatación térmica pequPña y gran resistencia. Como esta ventaja compensa la dificultad ele la manipulación, nos ocuparemos más del vidrio duro 1 • La figura 1 muestra un banco df' trabajo para el soplado del vidrio. Se ven allí sopletes, o mecheros de fuego cruzado, para ca• lentar el vidrio hasta ablandarlo, método que denominaremo~ americano, puet'l los sopletes ale.nanes utilizan por lo general mecheros simples. Comparados con estos últimos, los sopletes de fuego cruzado calientan con más rapidez y uniformidad. Para la mayor parte de las operaciones puede usarse un método u otro, pero algunos trabajos requieren llama puntiforme, que se logra mejor con un mechero simple. Como nos ocupamos aquí del método americano, la llama puntiforme se obtiene con el soplete de mano, montado según lo indiea la línea de puntos de la figura l. Como combustible se usa gas natural o artificial. Para trabajar vidrio blando se utiliza aire oomprimido; pero la temperatura necesaria para trabajar el vidrio duro, se logra usando oxígeno o una mezela de oxígeno y aire. En un soplete común puede utilizarse acetilf'no con aire comprimido. Los accesorios del equipo de trabajo iacluyen tapones de varios tamaños, algunoo adaptados a tubos de vidrio cerrados, de mód(} 1 El vidrio puede ob1enerse en la Corning (.las~. Corning, Nueva York. Se ob· tiene también en el me1cado lo(al. [N. del T.J

OPJ:JtACIO:IOS FUNDAMIENTALJ:S PARA EL SOPLADO DEL VIDRIO

que puedan servir como mangos para rotar las piezas; otros se adaptan a tubos abiertos, para el soplado. También se usan trozo& de tubos de goma de tamaño adaptable a tubos cerrados de vidrio, para obturar los extremos de los tubos pequeños. •~ ~ck colgav el sopigo se caliPnta la circunferencia; queda prt>parada para lad interna del tubo más gorande y se mantiene en contacto con ella, a). Se calienta la superficie de la pared exterior del tubo mayor basta que los dos tubos queden soldados. Se sopla una comba y se la abre con una llama fuerte en el centro de la soldadura, b). Se moldea la abertura y se une un pequeño tubo lateral a sus bordes, para f01·mar una continuación de la parte interior como se ve en e) y d) . Soplado de bulbos. Los principiantes tropezarán con dificultades cuando tira PI tubo hasta que su diámPtro PXtPrno sea uniforme. mientras que, para hacer un cierre, se estira el tubo hasta que la pared adquiera espesor uniforme. Corrección de defectos. Por defectos de manipulación, con frecuencia las paredes de los aparatos de vidrio no son uniformes. Esta falta de uniformidad no sólo desmejora la apariencia del trabajo, sino que aumenta también la dificultad del recocido, puesto que las partes de distinto espesor se enfrían con velocidades diferentes, lo que origina tensionP'l en Pl vidrio. ~unp"'st4rtto

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f>vt-e>a el vidrio duro, soldado directant('lltc• al tun~~tt•no. No

22

OPERACIONES FUNDAMENTALES PARA EL SOPLADO DEL VIDRIO

obstante, a veces puede necesitarse un tubo de platino para introducir hidrógeno puro en un aparato de vidrio, por difusión. Pua éste y otros casos especiales, soldaduras de platino y vidrio blando. En la figura 24 se ve un electrodo de platino en un tubo de vidrio blando. Para hacer este sello de platino se funde primero sobre el alambre de platino una pequeña perla de vidrio blando (ya sea vidrio plomo() o vidrio soda) y se calientan la perla y el alambre hasta unos 1000°C, con el fin de obtener una buena unión metal-vidrio. Luego st> suelda esta perla a la pared del tubo, según se ve en la figura. Soldaduras de tungsteno-vidrio. El alambre de tungsteno puede 'lellarsP a través de Pyrex,con diámetro menor de l,nmm. El alambre 1118HQLdto Qle pyrex

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Fig. 26.

de tungsteno de diámetro mayor, hasta el doble, se suelda primero a una perla dP vidrio Nonex qué, a su vez, se suelda al apa· rato de vidrio. Esta última operación es necesaria, especialmente si la f.oldadura debe exponerse al calor de un horno de recocido. El vidrio Nonex tiene una temperatura de ablandamiento menor que el Pyrex y, entre el punto de tensión y la temperatura ambiente, el coeficiente de dilatación del Nonex es casi igual al coeficiente de dilatación del tungsteno. El alambre de tungsteno se prf':para para soldarlo al vidrio ca-

25

OPERACI•"JNES FUNDAMENTALES PARA EL SOPLADO DEL VIDRIO

lentándolo al blanco en una llama de gas. Si aÍ no se hiciera, aparecerían burbujas en la superficie de la soldadura. Se limpia la superficre del tuHgsteno calentándolo y tocándolo con un trozo de nitrito de potasio o de sodio. Se limpia el tungsteno y se funde una pequeña cuenta de Pyrex (o Nonex, según el tamaño del tubo) sobre él, como en la fig 25 a). El intenso Ctllor necesario para contraer el vidrio debe comenzar aplicándose ei:J. un extremo de la cuenta, de modo que la contracción avance desde ese extremo Esto evita la formación de burbujas de aire entre el metal y el vidrio. La cara interior entre el vidrio y el tungsteno es roia, porque el óxido de la superficie del tungsteno se disuelve en el vidrio y lo tiñe. Terminada la operación de soldadura entre el vidrio Y el metal, se suelda la perla al aparato, como en b). Al hacer sol-

Ftg 27 Soldadura metal-vtdno de Housekeeper

daduras de metal-vidrio, hay que enfriar lentamente el vidrio a fin de evitar tensione~ excesivas. El alambrr dr tn,lff~ÍPno e:,, con fr('cnemia. f1brrho. ' tl'lh' ranura" lon¡ntudinalP" por dondP puPdP habE'r p•~' rhda-, < nam1o o;;e lo smeril sintético y, por lo tanto, es mejor para Pl esmerilado final. En la escala de durezas de Mohs se indica la dureza de varios abrasivos (vPr cuadro I). 1 INCALLS, ALII~RT J. (editor), Amateur Telescope Making, Nueva York, Scien· tific American Publishing Cornpany, 19!1'>. pág. 74.

99

CUADRO 1 ESCALA DE DUREZAS

Eacala de dureza• de Mohe 8uetancla

~

........... .............. ............. . ..............

Ortoclasa Cuarzo Topacio Zafiro Diamante

..

...........

1

Valor 6

7 8

•

10

Eecala ampliada de Mo he

1

Sustancia Ortoclasa o pericias& Sflice vitrea pura .... Cuarzo . ...... . Topacio . ... . Granate ............ Circonio tundido Alúmina fundida Carburo de silicio .. Carburo de boro ..... Diamante ....

.

.... ..... .... .... . .... ~

Valor 6 7 8

9 10 11

12 13 14

15

RlllGWAY, R. R., BAU.ARD, A. H., ' 8AILH, B L., ''Hardness Values of Electro41aaical P'IWuc:u", estudio presentado a Electrochemical Society, mayo, 1933

Desde un punto de vista práctico, podemos considerar que el pulido es un proceso de aplanamiento 2 • Los granos del Abrasivo parecen :fija_rse automáticamente por sí mismos en el material blan~ do de la herramienta, por lo general brea, de manera que sus superficies cristalin&S quedan paralelas a la dirección del movimiento de la herramienta y al plano de su superficie. Se forma, así, un raspador más complejo. A lbedida que se mueven sobre el vidrio, la altura de cada partícula abrasiva se acomoda automáticamente a la base blanda y origina un corte fino El vidrio que se va raspando es arrastrado por el lubricante líquido, casi siempre agua. La acción de] aplanamiento comienza sobre las cúspides de las protuberancias que resultan del esmerilado fino y se produce así un pulido eompleto en el primer recorrido. La acción continua de la herramienta de pulido quita el vidrio obrante y las protuberancias se aplanan hasta alcanzar el nivel inferior. El carácter de la superficie plana no mejora aunque se continúe el pulido, y hay que considerarla terminada ron el pr1mt-r rP estaño ( C'enizas de e~ taño). Se recomienda el óxido de cromo ( Cr 2 0 8 ) para pulir ciertos metales, como el acero inoxidable, que son ''atacados'' por el roti(J' El material de la herramienta de pulir puede ser un metal blando: cobre, plomo o aluminio. A veces, s:e emplean herramienw hechas con dichos metales para pulir muestras delgadu de miMrales que deben exammarse en el microscopio. Generalmente, para trabajos de este tipo se emplea eomo abrasivo alúmina pulverizada.

JJ

ftCNICA PARA EL TALLER DE óPTICA

Las herramientas de pulido usadas en ópticas de precisión se hacen con brea, o oompuestos de brea y cera, en contraste con las revestidas con tela o papel, utilizadas para algunos productos comerciales. El vidrio se pule con rapidez sorprendente con un pulidor de tela, pero presenta, entonces, una superficie granulosa peculiar, como la "cáscara del limón". Este método para pulir sirvP para la fabricación de placas de vidrio. Los pulidores de papel producen, en general, una superficie mejor que los de tela, pero rara vez se los usa, excepto en la fabricación de lentes de poco precio, como lupas de mano, etc. Todas las herramientas pulidoras de naturaleza fibrosa producen una superficie como la de la "cáscara d~l limón". Técnicaa utiliza.da.s pa.ra. superficies 6pticaa de 8 a 15 centfmetros de diámetro y mayores. La técnica que es objeto de esta exposición debe emplearse para formar superficies de 8 a 15 centímetros de diámetro, o mayores, de vidrio o cuarzo. Los métodos son fundamentales, y se aplican igualmente a espejos, lentes o prismas. Tratamos aquí el usado por D. O. Hendri¡.., óptico asociado al Observatorio de Mount Wilson 8 . Este procedimiento es diferente, en ciertos aspectos, del descripto en el clásico libro sobre telescopios para aficionad()S de Ingalls, Porter y Ellison •. Por ejemplo, los autores recomiendan en su libro el empleo de la herramienta dPbajo de la pieza, mientras que aquí hablaremos del método que utiliza la herramienta sobre la pieza. Oorte y desbaata.d.o del objeto. La pieza, ya sea un espejo, una lente o un prisma, se corta de un trozo de placa de vidrio por medio de una ruedita de acero. Ésta es la h~>rramienta más común para cortar el vidrio, y se utiliza para cortar toda clase de vidrios pulidos de cualquier espesor. Se desliza el cortavidrios sobre la superficie con la suficiente presión como para marcarlo. El movimiento debe observar un solo sentido. Después de "marcadon, se corta el vidrio como se indica en la fig. 3. La pinza allí ilustrada es útil para cortar franjas angostas. El corte puede hacerse también golpeando ligeramente el vidrio, sobre el lado opuesto a la marca, con la perilla del mango del cortavidrios. Para cortar una placa de vidrio grueso hay que lubricar el cortavidrios con trementina o querosene. Después de marcarlo, se coa Expreso mi agradecimiento al señor D. O. HendrJA por los métodos aquf presentados 4 INGALLS, ALBEJlT G. (editor), Amateur Telescope Makmg, Nueva York. Scren· ufíc American Publíahing Company, 1955.

52

nCNICA PARA EL TALLER DE OPTICA

mienza a cortar con un formón sin filo. Se mantiene a éste firmemente contra el vidrio y se golpea con un martillo pequeño en el lado opuesto a la marca. El borde del formón debe colocarse paralelamente a la marca. Conviene que el vidrio esté sobre una cor~vidrios. con

Q

Nedita de acero

..:AJWJ~ ruedlta acero -1

superficie blanda, con la marca hacia abajo. Cuando comienza a rajarse, se ayuda con el formón (fig. 4). El vidrio muy delgado se corta mejor con una punta de diamante montada en forma especial y afilada con ese objeto 5 • 5 El cortav1dnos de d1amante puede obtenerse en la Standard Diamond Too! Corporauon. 64 West 48th. Street, Nueva York. Esta compañía tamb1én los afila.

Tl:CNICA PARA EL TALLER DE óPTICA

Si se quiere cortar un disco, primero se corta un cuadrado, y luego se hace otro tanto con los ángulo~ para darle una forma poligonal aproximada. Los bordes se pulen con un disco giratorio de hierro fundido, con una mezcla de carborundo y agua (fig. 5). p.!!f'a hacer" ta raaadur.a~

U5a mar~mo ~

fo1:.16"

Fig. 5.

También se puede pegar el disco de vidrio sobre una placa de metal montada en el plato de un torno. A medida que gira, los bordes se rectifican con una herramienta de hierro, qu~ se unta con carborundo y agua, fig. 6. Conviene que la herramienta sea liviana y elástica. Hay que usar un hule para proteger el torno y para que las sustancias abrasivas no penetren en las partes móviles .. Oortavidrios circular. Un método muy común para cortar pequeños discos (hasta unos 15 centímetros de diámétro) de una placa más grande, es el de cortarlos con un eortavi'drios circular. Éste es, simpleiJlente, un tubo de (hierro o bronce de paredes delgadas, mentado en el mandril de un taladro, como se ve en la fig. 7. Se hace avanzar el tubo giratorio sobre el vidrio, aplicándose carborundo y agua con una cuchara. En la figura se ve un método nuevo de alimentación central. Para evitar que el vidrio se astille a medida que el cortavidrios avanza, conviene pegar una placa auxiliar debajo de él. Hay que utilizar carborundo de grano 60 ó 90, excepto para cortes finos o cortes en piezas delicadas; en este caso se usa el carborundo de grano 120. El cort..avidrirdes del disco pa.l'"a que .tenli(a .Juego sufrcretile

forma,ha~

los borde.) de la stet'ra deben

~t'araunos ~oom por

minuto

Fig. 9

TI!:CNICA PARA EL TALLER DE óPTICA

para evitar que el abrasivo raye la superficie. El vidrio así cortado puede producir un borde levantado; pero si se pule dicha pestaña con madera y carborundo, el espejo quedará nuevamente plano (esto se denomina fenómeno Twyman). Sierras para. vidrio. Para cortar placas y tiras de vidrio de un trozo más grueso se usan sierras especiales. La más simple y la más fácil es la sierra que se ve en la fig. 9 a). Congjste en un disco giratorio de hierro blando, alimentado con una mezcla de carborundo y agua. A vecffi, se agrega a la mezcla azúcar, jarabe, talco, glicerina o bentonita (particularmente buena), para que el carborundo se adhiera a la hoja y los granos no salten del receptáculo. La construcción corriente permite que un borde de la sierra se hunda en el "barro", o mezcla de carborundo, dentro del depósito que está debajo del disco. La pieza que debe cortarse está sobre una plataforma con contrapeso y una leve presión la mantiene contra la sierra. La sierra de diamante es una buena herramienta para cortar láminas. La sierra de diamante de la parte inferior de la fig. 9 se construye de la siguiente manera: se pulvHizan los diamantes como se ve en b) y se cargan las ranuras de un disco circular preparado como en e). Las ranuras se cierran, d), para retener el polvo de diamante y dar a la sierra el suficiente juego. Durante el funcionamiento, se lubrica y lava la hoja de la sierra con agua o querosene. Máquina de Draper modifica.d&. Una vez cortado el prisma, lente, espejo, u otra pieza cualquiera, las operaciones comprendidas en el esmerilado, pulido y figurado de curvas pueden hacerse manualmente o con un torno para esmerilar y pulir. En la fig. 10 se ve una máquina Draper modHICada con ese objeto. La máquina mueve lateralmente la herramienta según un recorrido oval sobre la superficie del objeto. La amplitud del recorrido se controla mediante el ajuste de la excentricidad del cigüeñal. El recorrido se regula mediante el movimiento de una corredera variable, de manera que se realice sobre un diámetro o sobre una cuerda. La herramienta puede girar libremente, o sea impulsada mediante una correa. También puede cargársela para aUlllentar su presión sobre lª' pieza o equilibrarla para disminuirla. La placa sobre la cual · va montado el objeto debe girar a unas 2 r.p.m. Soporte d•la pieza. Es muy importante fijar la pieza en forma apropiada, pues de no hacerlo se produce astigmatismo, la pesadilla de quienes trabajan en óptica. El primer requisito consiste en que en la plataforma ~e la máquina Draper, modificada, se trabaje con una concavidad de 0,025 a 0,075 ~7

~NICA

PABA 11L TALLER DE óPTICA

plataforma ¡¡ir•torl•

. de. hierro ~~ndido de SU\)erfitiQ plana.

Fig 10. Obsérvese que la junta universal aquí mdicada ~lo se utiliza para un esmerilado grueso. Para el esmenlado fino y el pulido, se acopla la herramient~ al brazo mediante un pivote. Véame Id• figs. 16 a 20.

T&CNICA PARA EL TALLER DE OPTIC::A

milímetros, según el tamaño. Se cubre, luego, con una capa delgada de fieltro y hule, fig. 10. La superficie resultante es plana y soporta el vidrio en forma uniforme, impidiendo la flexión durante el trabajo. Cuando debe hacerse la segunda superficie de una lente, la herramienta de vidrio cóncavo-plana, utilizada en el esmerilado de la primera cara, se usa ahora para sostener la pieza en la plataforma. La herramienta se monta con el lado cóncavo hacia arriba. Después, SP rpcubrP con fiPltro y se coloca sobre ella la lente. El objPto SI' sujPta sobre la mesa mPdiante tres prensas, que deben ajustarse bien sin ejercer presión alguna sobre él, excepto la necesaria para equilibrar las fuerzas laterales producidas por la acción de la heiTamienta. Se mueve la pieza d!' vez en cuando, con respecto a los soportes laterales, durante el esmerilado y Pl pulido, con el fin de distribuir uniformementf' el efecto de dichas fuerzas en la periferia del objeto y evitar el astigmati~mo. Si la pieza que se trabaja es un espejo o una lente, se la prepara esmerilando sus dos car~ y haciéndolas paralelas con una pulidora giratoria de hierro fundido ron abrasivo, fig. 5. Luego se esmerilan los bordes y se los bisela un poco. Por último, se pulen los bordes con una hPrramienta de madPra y granos finos de carborundo.

Esmerilado de curvas. Cuando las herramientas de esmerilar, de gran tamaño y de metal resistente como cobre, bronee o hierro dulce, tienen un radio de curvatura definido, reproducirán este radio en el vidrio. La superficie de metal blando, cargada con la sustancia· abrasiva, no se gastat en forma apreciable cuando se la usa con material frágil como el vidrio. Por el contrario, las herramientas de hierro fundido varían lentamente durante el esmerilado y las de vidrio lo hacen casi a la misma velocidad que la pieza trabajada. El método tradicional para hacer a mano un espejo de 15 centímetros consiste en emplear dos discos iguales de vidrio, el primero como objeto y el segundo como herramienta. El esmerilado se realiza como se ve en la fig. 11, con el objeto montado en un pedestal fijo cuya altura es optativa. El óptico camina alrededor del objeto mientras lo recorre con la herramienta. Con el pulgar de la mano derecha se hace presión en el centro de la hPrramienta y después se gira ésta con los dedos, en sentido contrario a las agujas del reloj, a medida que se la avanza sobre el lado derecho del objeto. Cuando el recorrido se hace sobre una cuerda, el disco superior resulta cóncavo y el inferior convexo. De este modo, el operador tiene cierto control. Puede continuar esmerilando y aumentando la curvatura de las superficies hasta obtener el resultado deseado. Si se quiere disminuir la curvatura, se coloca debajo la 39

ftCNICA PARA EL TALLER DE óPTICA

hPrramif'nta v sP mueve Pl ob.ieto. O vueden invertirse periódicamente las posiciones relativa de los dos discos, si se desea mantener bien planas las superficies o constante el radio de curvatura Cuando se quiere mantener constante la curvatura. no se utiliza el recorrido sobre cuerdas, !lino el diametral.

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de la ft1esa. Fig. 11. Muchos operarios preferirán tener el objeto a un nivel más bajo. 1 a 1,!1 metros, que el mostrado aquí. :"JorA: El operano de la figUia es zurdo.

Con la máquina de Draper modificada, el esmerilado de un espejo, según 1m radio definido de curvatura, se efectúa con un~ herramienta pequ!lña. Las curvas cóncavas se cortan en el vidrio con una herramienta de 1/3, que recorre el objeto sobre su partl' central. La curvatura convexa se genera con una herramienta menor que el diámetro, que recorre cuerdas del objeto. A,unque también se origina una curvatura convexa si se hace pasar una. herramienta grande por el centro del objeto ( carrE'ra diametral). resulta convexa más pronto cuando se recorre sobre cuerdas. La velocidad con que varía la curvatura es proporcional a la amplitud del recorrido diametral o de su recorrido equivalente sobre cuerdas. 40

ftCNlCA PARA EL TALLER DE óPTICA

Esmerilado el objeto hasta un radio dl' curvatura arll'euado con carborunQo 90 y 60 para curvas pronunciadas, se utili.m una herramienta g-rande para corregir la superficie. El recorrido, en este caso, es un óvalo angosto sobre el centro del objeto. La amplitud es de un tercio a un sexto de su diámetro. Se continúa el esmerilado con la herramienta de tamaño grande hasta que ésta y e1 objeto sea:n. esféricos. Esto se comprueba pol" el ajuste entre la herramienta y el objeto y se verifica con una marca de lápiz sobre este último. El procedimiento puede producir rayaduras. Por eso, a menudo se hace una plantilla circular del radio requerido y se esmerila el objeto hasta que se ajuste al modelo. También se utilizan esferómetros para medir su esfericidad. Cuando el objeto es esférico, la lectura del e!íferómetro, d, el radio de la curvatura del objeto, R, y el radio del círculo que contienen los pies del esferómetro, r, están en esta relación :

En realidad, las superficies esféricas obtenidas mediante el esmerilado son tan buenas, que los ópticos que trabajaban cuando no se habían desarrollado los actuales métodos de pruebas dudaban antes de pulir los pequeños pozos del esmerilado, puf's constituían una ''marca'' a la cual referir la superficie. Para esmf'rilar curva.;; muy acentuadas como la-; nf'cesarias para una cámara Schmidt f /1, Sf' coloca una banda alrt>dt>dor dt>l borde dt>l t>spejo y se recubre su i'.uperficie con una capa de carborundo; esta banda mantiene los g-ranos sobre la superficie. A medida que el objeto g-ira lentamente, SE' mueve en sentido diametral, o casi diametral, sobre su superficie, en un recorrido oval angosto, una ht>rramit>nta anular de hierro fundido, de diámt>tro mt>nor y que gira con r'apidez. La amplitud del n>corrido se regula de modo Qllf' la hrrramienta anular lleg-ue al bordt> dt> la pit>za en los extrt>mos del rpcorrido. El Psmerilado final dt>bt> hacer!>e siemprt> eon una ht>rramienta dt> vidrio. Rt> usa vidrio rn wz dt> mrt1l, para qur• la hrrramienta se g-astr a la misma vt•locidad qur rl objrto aproximadamPntt>. asrgurando· aí una concordancia m¡'¡~ prrft>S para te'1b.:'" • Es decir, del mismo diámetro que el objeto por pulir. (N. del T.)

ftCNICA PARA EL TALLJ:B DE óPTICA

madera.

cómo se

limpia el cu-

~hillo ~:Jara

eliminar la. brea

hert'amientcs. típica. para pulir v1drio

het' ra m ien-

ta típica

pa.rá pulir metal

e&pecula.t'

facetas de 1,6m"' por z:; m m Fig 15.

Fig. 14.

~CA PARA EL TALLEll. DI: óPTICA

peraturas superiores a 25° e y de 2 a 4 cendmetros cuadrados para temperaturas inferiores a 25° C. Si el pulidor ha de usarse con material blando o que se raya con faei;idad, como la aleación metal" spéculum, se aconseja la brea más

h

l11

se rea Y se ~" ~t'e l;s.liet-rafftiet. ta. calentada

hel'l'ómienta típica deo? polit' ol>.3etos de vadio pequetlo

pa~a

Fig. 15.

dura, y que las facetas permiten que la brea se rouge o el agua tengan Para el metal spéculum 1,5 milímetros de ancho

sean más angostas. Los canales o estrÍ&I deslice uniformemente y, también, que el acceso- .libre a todas las partes del objeto. se recomienda que las facetas tengan 1 a · y 2 centímetros de largo.

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... 16.·

Ti:CNlCA PARA EL TALLER DE óPTICA

Para construir una herramienta de pulir de radio relativamente corto, las facetas se moldean, primero, en forma de tiras (ver fig. 14). Luego se oortan las tiras en cuadrados y se las asegura a la herramienta de metal, como se ve en la fig. 15. Hecho esto, se calienta la herramienta y se la aprieta contra la pieza, usándose, como lubricante, jabón en una solución de glicerina al 25 % para evitar que se adhiera. En la fig. 16 se ilustra esta operación. Se calienta poco a poco la herramienta sobre una plancha caliente, hasta que 'la b:t"ea se ablande. Se aplica, entonces, el objeto mojado con una mezcla de jabón y glicerina, y se deja enfriar. Este procedimiento establece contacto íntimo entre la 'herramienta y el objeto. Las herramientas para superficies planas se tornean antes de aplicarlas sobre la pieza. Después, conviene lavarlas en agua f.·ía. y, también, lavar y secar el objeto para quitarle el jabón y la glicerina.

Pulido. El pulido se realiza en el soporte de la má.quinh J)raper, modificada en la misma forma que el esmerilado, pero la herramienta de pulido gira libremente. De vez en cuando se agrega, con un cuentagotas, rouge y agua sobre el objeto, cerca del borde de la herramienta. El rouge debe estar lavado. El procedimiento para el lavado es igual al ya descripto para el esmeril o el talco, excepto · que el tiempo de estacionamiento es mayor: ha.sta una hora y media. Si las facetas son duras, pueden producir zonas agudas en el objeto durante el pulido. Para evitar los efectos de esa falta de homogeneidad en la superficie de la brea y la.s irregularidades resultantes en la acción de la herramienta, el objeto se ''divide en partes"; es_ decir, se gira la herramienta con frecuencia (y de manera iiTegular) . Las facetas deben formar un sistema descentrado. Para el pulido se utilizan rarreras diametrales. Una de las cararterístieas del torno óptico de pulir es el acoplamiento, obtenido por la correa que conecta la rotación del objeto con la fase de la carrera. :t!:sta es variada de vez en cuando, desde una carrera larga, de un cuarto de diámetro di.' la herramienta, hasta una corta. Si la ruperficie de la brea de una herramienta pulidora se impregna con ro-uge en tal forma que aparece dura y vidriosa, se reduce mucho la velocidad del pulido y, además, puede aparecer un rayado muy fino. La aparición de estas rayitas, semejantes a un finísimo encaje sobre la superficie pulida. está condicionada, probablemente, a la formación de bolitas de rouge, cera y, quizás, vidrio, que originan pequeñísimos canales superficiales. Las herramientas revestidas ron cera de abejas son particularmént~ mO'lesta& en este aspecto. U no de los métodos para evitarlas es dejar que la herramienta se deslice casi seca, antes de cada aplicación de rouge. El óptico ilama a este procedimiento "secar cada mojada". Esto, pro47

Tt:CNICA PARA EL TALLER DE óPTICA

bablemente, calienta bastante la superficie de la herramienta, y permitirá qpe la brea fluya fácilmente y se renueve por sí misma. Las lentes. grandes y los materiales muy blandos se pulen mejor revistiendo de vez en cuando la superficie del pulidor con brea o cera fresca. Este recubrimiento se realiza con intervalos de 1 hora a 3 horas. La cera se aplica a las facetas de la herramienta con un hisopo de tela de algodón. Conviene que la cera esté caliente y que la rapa sea lo más delgada posible. Al pulir una aleación spéculum, que se raya con facilidad, el revestimiento fresco de cera debe estar cargado con rouge seco. Se lo aplica a las facetas con la punta del dedo. Cuando se logra un pulido acabado, es decir, cuando se quitan 11or completo las irregularidades del esmerilado, el objeto queda liflto para su prueba y figurado. Una prueba simple y conveniente para el pulido es enfocar la luz solar sobre la superficie del vidrio· con una lente. El foco de esta lente no calienta mucho el vidrio, pero la luz dispersada por las irregularidades de la superficie es evidente si no está bien pulida. Para evitar el astigmatismo en el objeto durante el pulido, se lo hace girar una fracción de una vuelta con respecto al soporte, a fin de distribuir simétricamente alrededor de su periferia el efecto de los arcos laterales. Figurado. El figurado es el proceso por el cual se altera la forma de una superficie pulida mediante la acción local con herramientas de pulido. Por ejemplo: se hace no esférica una superficie esférica, o se hacen desaparecer zonas defectuósas o el astigmatismo. Algunas veces, al figurar láminas de caras paralelas o prismas, puede corr~>girse (en P.rimera aproximación) el efecto de irregularidades en las propied.lides físicas del vidrio por ligeras desviaciones de la naturaleza plana de las superficies. El procedimiento general para figurar una superficie es el de la prueba y el error. Las pruebas se alternan con el pulido local en regiones altas con respecto a la superficie que se desea. Zonas de corte y zonas de transición. El comportlhn.iento de la herramienta de pulido depende de su tamaño, de la naturaleza d~>l facetado, de su forma y del modo en que se maneje sobre el objeto. No se puede manejar la herramienta de manera que (>limine uniformemente el vidrio de una sup~>rficie. Más bien, diremos que cada manipulación, si se realiza sobre una superficie plana perfecta, tiende a producir sus zonas características propias, que llamaremos zonas de corte de la herramienta. Las figs. 17 y 18 ilustran las zonas de corte de algunas herramientas. Estas zonas 'son defecto'! en la superficie del espejo, y son simétricas con respecto al centro. El pro48

~CNICA

PARA EL TALLER DE óPTICA

ceso del figurado consiste en probar la superficie imperfecta y trabajarla con una herramienta a !ecuada, cuyas zonas de corte tenderán a anular las zonas revelana., por la prueba. Las zona agudas se ''suavizan'' primero con una herramienta grande revetStida con brea blanda. El procedimiento se aplica tanto a aquellas zonas resultantes del pulid'(), como a las que pueden aparecer durante el figurado. Estas últimas son, por lo general, zonas de transición resultantes de la anulación imperfecta de una zona lisa del objeto por la zona de corte de ]a herramienta, fig. 20. Después de suavizar las zonas agudas con una herramienta de brea blanda, el óptico hace otra prueba para determinar la figura de la superficie opttca. Para continuar el figurado se imagina una superficie tangente a los "valles" de la superficie y los picos relativos a esta superficie imaginaria se pulen mediante una heiTamienta y un rt>corrido apropiados. Este ciclo de control, de pulir en forma tal que las zonas de corte mejoren la figura, de controlar, suavizar las zonas de transición con una herramienta blanda, controlar de nuevo, etcétera, continúa hasta que se obtiene la superficie deseada.

Interpretación de la acción de las herramientas de pulido y configuración. Si pudiéramos asignar valores cuantitativos a todos los faetores que influyen sobre Ja acción de corte de cualquier herramienta y recorrido dados, podríamos predecir su zona de corte. Esto no es posible, pero, sin embargo, podemos describir los factores cualitativamente, en la forma que los ópticos los estiman. Primero : la herramienta de pulir corta el vidrio en razón directa al tiempo que tarda en pasar sobre él. Segundo : la herramienta corta con mayor rapidez a medida que aumenta la velocidad. Sin embargo, la velocidad de corte o de pulido no es proporcional a la velocidad con que la herramienta pasa por el objeto. Tercero : las secciones de la herramienta que sobresalen del objeto durante una parte del recorrido cortan relativamente más rápido que las secciones que no sobresalen. Cuarto: las primeras facetas de la herramienta cortan con mayor rapidez que las facetas siguientes porque el nuevo rouge que entra · en las primeras no queda en el camino de las facetas siguientes. Quinto: la herramienta corta al máximo donde la presión sobre ella es mayor. Esto se debe a la acción selectiva de la herramienta grande, o 1<ea, de tamaño total sobre zonas altlls, cuyo accionar es la base de todo el figurado. Es importante no subestimar este factor con el la~;reo de las superficies no esféricas, en las cuales la heiTamienta trabaja, naturalmente, en forma que tiende a hacerla esférica. 49

'I'&CNICA PARA EL TALLER DE óPTICA

' llerramientaa de figurado por zonas. En las figs. 17 y 18 se ven herramientas de diversas formas y también las zonas que producirán en una superficie plana perfecta cuando se las usa con una carrera corta y una carreFa larga. El recorrido es, en cada caso, un óvalo angosto sobre el centro de la pieza El recorrido oval tiene la ventaja, sobre el recorrido recto alternado, que la herramienta nunca llega a detenerse por completo. Podemos observar en la fig. 17 que la herramienta grande hace más convexo el objeto a medida que aumenta la longitud de la carrera Las herramientas de tamaño intermedio, 5/6, por ejemplo, apenas varían la curvatura total del objeto cuando la ser irregular. Conviene probarla durante períodos cortos y frecuentes para asegurarse de su eficacia. Como en el proceso del figurado no hay que apresurarse, no se deben usar herramientas revestidas con cera de abejas, que pulen tres veces más rápido que las otras Durante las etapas finales del figurado, en que las ,pruebas son delicadas, hay que dejar que el objeto des-

50

e¿:: : ; . . , .... r J . 1 recorrido c.orto

herram1enta dut'a.,tama.ño V•

recot"Yido

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t't'COt't'Hio sobre

hg 17 lonas os esta rapidPz or1gina zona" de transicióJl débil!:'., que SP ponPn Pn PYidPncia Pn sevPras condiciones de control. Es caractPrístico del óptico profPsJOnal qne prodmra nna superficie con una figura óptica tan buena, pero no mejor, que la exigida por las espeCificaciones. Procedimientos para figurar defectos zonales y hacer ll'llperficies de revolución no esféricas. En la'> fi!!.., 20, 21, 22 y 23 YPniO'- focogramas ,- perfiles con curvas exag-rradas que ejrmplifican el procedimiento para f1gurar diversos defectos ,'Hmétricos La interpre-

55

Tf:CNICA PARA EL TALLER DE óPTICA

tacit~ll dP

los foro~ramas st> dt>scribt> t>n un párrafo posterior. En 1a partl' "u¡wrior ÍZIJIIÍt•rtla clP la fi~. 20 vpmol'\ p] focograma y el perfil Pxa~t!'rado dP un ''"¡wjo c•on Pl hordP rebajado. Este dPferto se con-\¡¡:e a>,\.·. la lwrrl\m\(•\\ta d{'\w \o.\'l" ,\\' t\\ml\ñr la supprficie más cóneava. Re¡o,11lta de ello una variacwn en el pPrfil dP la curva llena dt> la parte supPrior izquierda dr la figura, o en rl prrfil dr la curva di' punto.., de la partE' superior central. con rPspPrto al pPrfil qur prPsrntan dos zona-; dP transición agudarramit>Jlta g-randp con borde recortado (para rvitar el borde rt>bajado Pll Pl espejo) y una earrera rorta. La hrrramiPnta de un tamaño dP 5/6, t•omo "e de~cribió antes, "irve para corrrg-ir rl bordr rPbajado rn un plano cirrular; como rl tratamiento final con uua herramit·nta blanda hacE' más convexo

§4

T&CNICA PARA J:L·TALLER DE óPTICA

el objeto ( fig. 17), se puede, examinando cuidadosamente el trabajo realizado con las dos herramientas, contrarrestar el aumento de la concavidad producida por la primera, con el aumento de la convexidad originada por la segunda. En la fig. 20 vemos el procedimiento aplicado a una superficie esférica. Los dibujos de la parte superior de la fig. 21 muestran c6100 un borde levantado se transforma en un borde rebajado con una herramienta blanda de tamaño grande. En la segunda serie de dibujos de la fig. 21 se ven dos métodos para figurar y eliminar una depresi6n intermedia. El perfil de línea llena de la izquierda, o de línea de puntos de la parte central, llega a ser, con el procedimiento repre!rentad.o en dicha parte, el perfil de línea llena del centro, o el perfil de línea de puntos de la derecha. A su vez, el tratamiento indicado los convierte en la curva esférica representada por el perfil de línea llena de la derecha. En el primer caso, el perfil de puntos, en el centro, se eleva en el centro y tiene un borde levantado con respecto a la curva imaginaria representada por el perfil de línea llena. Esta curva imaginaria se realiza con una herramienta de diámetro pequeño. A la derecha, la línea llena representa la superficie imaginaria que se obtiene al eliminar lag zonas agudas de transieión eon una herramienta blanda de tamaño grande. Como este método no ..-aria el radio del objeto, e& apropiado para figurar planos. Si seguimos un procedimiento alternado, que disminuye la concavidad del espejo, las zonas de corte de la herramienta blanda de tamaño grande varían la depresión intermedia (más baja con respecto a una superficie esférica imaginaria) y las convierte en dos zonas elevadas sobre una segunda superficie esférica imaginaria. Como se ve en dicha figura, estas zonas elevadas se tratan con una herramienta de diámetro pequeño. En la parte inferior de la fig. 21 se representan dos métodos para corregir una depresión pequeña eerca del centro. Según uno de ellos, la primera superficie imaginaria, que se halla completamente debajo de la superficie del vidrio, requiere la eliminación de una capa exterior representada por la diferencia entre el perfil de puntos, en el centro de la figura, Y el perfil final de línea llena, en el centro. La superficie imaginaria siguiente, ahora esférica, deja algunas zonas agudas que se suprimen con una herramienta blanda de tamaño grande. El tratamiento alternado va desde la superficie imperfecta primitiva hasta la que tiene una zona intermedia elevada con relación a la superficie esférica deseada. La carrerá. debe hacerse sobre cuerdas. La zona elevada se elimina mediante una segunda herramienta más grande. Al trabajar zonas pequeñas con espejos grandes, o zonas relativa-

55

TÉCNICA PARA

EL~

DE OPTICA

tt'atatmet1 to

trat.attti~ttto ~ttcrnsdo

acotfa

f¡g. 21

56

-e\ Ytkiio se

nCNICA PARA EL TALLE!l DE OPTICA

mente grandes de espejos pequeños, el óptico dispone de sus dedos y manos como herramienta. En la fig. 22 se ve éómo suprimir, mediantf' el pulgar, una zona eievada angosta y cómo hacer que df'.saparezca una depresión con herramientas a las que se ha quitado una de las facetas. El pulgar

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fuc:>t'i! del foco

éste es un l:íp1co espeJo con osttOmdtt~rno. El astigmatismo se detecta con 1~ pru{>l:>a de !=oucctult sólo cuando eb mu~ prol111t1CLddo

-

dentro dQI toco

..-...

.....

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Fig. 26. Prueba con ocul.Jr

64

....

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Ti:CNlCA PARA EL TALLER DE óPTICA

distancia sobre el lado opuesto al centro de curvatura. Cuando se coloca el ojo detrás de esta imagen, de modo que reciba luz de todas las partes del espejo. la abertura total aparece uniformemente iluminada. Entonce$, si una pantalla opaca, la dtada cuchilla, es movida lateralmente a través del punto focal, la abertura se tornará oscura uniformemente, si el espejo es verdaderamente ffi-

>llorde filo::;o

Clehtro del foco

borde fllo&O en orde ftlo~o den fuera. del foco tro del foco de b, en el foco d4 a ':1 fueta dd foco de e

Hg. 27.

férico, como en la fig. 27 ii). Si se mueve la cuchilla a través del cono de luz entre el foco y el espejo, su sombra, tal como aparece sobre el espejo, se mueve en el mismo '.lentido que la cuchilla (fig. 27 i) ; si se la coloca un poco más lejos, entre el foco y el ojo del observador, la sombra se mueve en sentido opuesto (fig. 27 iii). Mediante este método se puede localizar.con gran precisión el foco del espejo. En el caso de un esprjo imperfecto, como el de la fig-. 27 iv, todos los rayos no convergen en un punto y, si la cuchilla inbercepta los rayos convergentes de luz reflejados por el espejo, la abertura aparece iluminada en forma desigual; algunos rayOfl son interceptados por la cuchilla, mientras que otros pasan y llegan al

UCNICA' ..ARA EL TALLER DE óPTICA

fuent;e de ILJZ. mono..

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C:VOm;'L\ac.•

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t!epe.:JO ae pvuel:>., ptano ~~JO pavai:>ÓIICO(.p~t'­

pvado)

Ftg 28 n .. tmta~ dtsposicwncs para efectuar la prm.ba de ~OUt!'rminar cuándo se ha levantado una zona intermedia como la ilustrada en la fig. 23, lo suficiente como para parabolizar el espejo.

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Fig. 32.

Los diafragmas para espejos parabólicos muy grandes, o espejos de relación focal f 14,5 o mayores, se construyen de manera tal que puede medirse el radio de curvatura de muchas zonas. Casi siempre, los espejos con una abertura f /10 o menores no necesitan ser parabolizados, a menos que su diámetro sea mayor que 60 cm. E. Gaviola describió otro métdo para la aplicación cuantitativa de la prueba de la cuchilla de borde filoso 9 • Por este procedimiento se determina la inclinación de diferentes zonas con respecto a una superficie media, midiendo la posición de la cuchilla que interseca los rayos de luz reflejados por esas zonas. En cualquier prueba ron la cuchilla de borde filoso, sobre todo cuando hay que hacer mediciones cuantitativas de zonas, es importante evitar la paralaje. Aunque el montaje de la fig. 27, que utiliza un simple orificio y un borde filoso, sirve para pruebas cualitativas con espejos pequeños de radio grande, generalmente se requiere un dispositivo más complicado. La paralaje aparecerá siempre que se haga una prueba de Foucault sobre más de un espejo, tal como una prueba con un espejo parabólico en su foco con un plano auxiliar (ver fig. 28). Esta paralaje se origina porque un rayo proveniente del orificio toca en un punto del espejo parabólico y, subsiguientemente, se refleja, des1l GAVIOLA,

70

E., j.O.S.A., 26, 16!1 (19l$6).

ncNICA PARA EL TALLER DE óPTICA

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Ftg. !13 ComparaCión de las pruebas de Foucdult, del ocul.u de Ronch1 y de Hartmann para un espejo defectuoso.

71

T1:CN1CA PARA EL TALLER DE OPTICA

pués de tocar el plano, en un punto diferente del espejo parab6lico. El desplazamiento entre estos puntos del espejo parabólico es algo menor que el desplazamiento entre la fuente puntual y el borde filoso. Aun así, el desplazamiento puede bastar para producir resultados erróneos. Como consecuencia de la paralaje, no se obtiene indicación precisa sobre la naturaleza del espejo en uno u otro de los puntos indicados, sino más bien, un valor medio entre ambos. Esta información es de poco valor y puede ser engañadora si el efecto de los errores, en un punto del espejo parabólico, se compensa con errores opuestos en el otro.

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aa,.._o d• Fig 34.

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En la fig. 31 se ve un dispositivo de prueba con la cuchilla; en la fig. 32, dos dispositivos que pueden usarse parlt evitar la paralaje. El de la izquierda elimina la paralaje. suprimiendo el desplazamiento entre el borde de la cuchilla y la fuente puntual. La imagen virtual de la fuente puntual, formada mediante un sem1espejo, está situada exactamente sobre el borde. El semiespejo se hace dejando fluir laca sobre una lámina de vidrio inclinada: Una vez endurecida la laca, ert'ac•oh

1 CI'Ott1át Ín en centímetros cúbicos, siendo en ese ea.so, el valor de R igual a 62.370. Las ecuaciones 1 y 2 se basan en dos supue,;tos: primero, que las moléculas son infinitamente pequeñas; segundo, que no •existen fuerzas intermolculares. Pero, para los gases reales, no es válida ninguna de estas hipótesiH. Sin embargo, las ecuaciones describen el comportamiento de loto. 11:ases reales, t>specialmente del hidrógeno y del helio, con la suficiente precisión para nul'Stros fines. Aunque las ecuaciones no sean válidas para pre&iones elevadas (presiones mayores de 1 atmósfera), su prf'cisión aumf'nta con la reducción de la prf'sión. Y, con las presiones con que se trabaja en vacío, las ecuaciones 1 y 2 describen no sólo el comportamiento dr los gases, sino también el dt> muchos vaporrs no saturados. El camino libre medio. El camino librt> mt>dio t>s la dic;tancia media que recorren la" moléculas entrt> dos choques sucesivos. La magnitud de este valor está dett>rminada por el tamaño df' la molécula y está dada por la fórmula: (3)

donde u reprf'senta el diámetro molecular y n el número de moléculas por centímetro cúbico. En el cuadro I damos loo valores del camino libre medio del nitrógeno, calculados por la ~cuaci6n 3, usando 3,1 X IO-R cm para el diámetro molecular. CUADRO I CAMINO LIBRE MEDIO DEL NITRóGENO A 0° C

Presi6n en milímetros de mercurio

760 1 10-3 10--4 1()-5

10-fl 10-11

Camino libre medio

8,5 X 10 n cm 0,0065 cm 6,5 ctn 65 cm 6,5-r 65..-. 65 000 m

2 Generalmente, lo~ fi\¡co' explC\dll P en 111i!í111etto, de 111Cilll110. Otra' tuaison: 1 milibar= n.;-, 111111 1 1 01 = 1 111111 1 mirrón = 10 ;¡ mm

dad~s

88

LA Tli:CNICA DEL ALTO VACtO

Vilcoaid&d y conductividad térmica. La viscosidad y la conductividad térmica de un gas dependen, romo el camino libre medio, del diámetro molecular. Tenemos, entonces, la relación entre el camino libre medio y la viscosidad 7J, '11

=

ipt/med

(j)

X,

y la relación entre la viscosidad y la condu~'ri4ad; ~, . ,

(15)

K = 77CrE·

En estas ecuaciones, p es la densidad del gas, en gramos por cen~ tímetro cúbico; rv es el calor específico a volumen oonstante; y , es una constante, cuyo valor es 2,5 para gases llllOJlOatómieos y 1,9 para gases diatómicos; Vmed. es la velocidad med» de la& moléculas y se define por la ecuación

En el cuatln li se dan las l'tllacirlnes entre u, A, 7J y K para distintos gaBell. CUADRO II PROPIEDAIIES

Gaa Hidrógeno ............. N;itrógeno· ............. Oxigeno ............... Helio .................. Argón .................

DE

Dl6metl"o moleculu x 10i cm)

rcurio en el capilar calibrado. Al mismo tiempo, se determina la presión en el tubo de aspiración de la bomba con un manómetro df' vacío. La velocidad, dV /dt, a que pasa el gas por la bomba, se obtiene multiplicando el volumen que la gota de mercurio recorre por unidad de tiempo, por la relación entre la presión en el capilar (es decir, la presión barométrica) y la presión en el tubo de aspiración de la bomba. Conductancia de la.E linea.s de bombeo. Generalmente, se conecta la bomba con d aparato mediante un tubo, o sistema de tubos, que constituye la línea de bombeo. La velocidad medida de la bomba, que designaremos S 0 en un extremo de la línea de vacío, es mayor que la velocidad de bombeo eficaz, S, en el otro extremo de la línea. Claro está que la diferf'ncia entrf' S 0 y S es pequeña si Jo~ tubos de bombeo son cortos y de diámetro grande. La diferencia entre S- 1 y 8 0- 1 determina la capacidad de una línea de vacío. La capacidad es Ja inversa de W, la resistencia de la línea de vacío al flujo de gas. I..a rt>lación entre S 0 , 8 y W está dada por la fórmula

1

1

-=-+W S So ·

(8}

W, a su vez, está definida en función de las dimensionea del tubo por la fórmula de Knudsen W

= 1,59

~/273M ( l X 10-6,--T d'

4

)seg.

(&)

+3d: cm''

donde l t>s la longitud de la línea de bombeo y d su diámetro, expresados en centímetros 6 • El primer término del paréntesis representa la resistencia de la línea ; el segundo término, la resistencia de los do:, extremos de la línea (o la resistencia de una curvatura aguda Pn la línea). El segundo término es, por lo general, muy pequeño con relación al primero y puede despreciarse. Por ejemplo, W. K f0se comprobó que una línPa de bombeo recta, con cuatro curvas en ¡iJlg,¡]o recto, una de ellas con cuatro uniones en T y un tubo curvado de igual diámetro, presentan, prácticamente, la misma vPlocidad de bombeo 1 • El coeficiente de la ecuación 9 se hace unitario si M se sustituye por 29, f"l peso molecular del aire, T, se sustituye por la temperatura ambiente dt> 300° K y d 3 por Br?, donde r es el radio del 6 KNVDSE!'., M. Asm d Phys1k ·~8. 75, 999 (1908). Esta fórmula ruando d es menor t.¡ue el camino libre medío. 7 KwsE. W., Phys Zeits., !1, 50~ ~1930).

92

e~

válida

LA HCNICA DEL ALTO V ACtO

tubo. M~ adelaJite será necesario expresar l' y r en milímetros y W en seg/litro, en vez de seg 1 cm 3 • Después de sustituir y, despreciando el segundo término del paréntesis, la ecuación 9 se reduce a

W'- !.:_ seg.. - r 3 litro

(10)

Como ejemplo de la aplicación de la ecuación 10, tomemos una línea de bombeo de 250 mm de largo y 5 mm de radio. Esto da un valor de lV' igual a 2 seg/litro. Sustituyrndo f'f!te valor en la ecuación 8, vemos que la velocidad de bombeo, S, nunca puede exceder de :t¡2 litro;seg, aun cuando se use una bomba muy rápich, para lo cual 1/So es prácticamente eero. Bva.cua.ción. Los factores detPrminantes de la velocidad rrn1 que se evaeua un aparato son: rl volumen del aparato, V, la vPll)('ldad eficaz del sistema de bombeo, 8, y la presión final, Po, quE' l-. bomra puede alcanzar. Resulta obvio el método para determinar el primer factor, V. El valor de 8 puede calcularse, mediante los valores de S 9 y W, por las ecuaciones 8 y 10; o puede medirse ooneetando el escape y el manómetro con el aparato. El valor de P 0 no es fácil de estimar, de manera que es preciso medirlo con un manómetro. En sistemas hermeticos, desgasif.icados, Po no depende de la velocidad de bombeo de las bombag. Cuando el sistema tiE:'ne una pérdida, Po depende tanto del régimen de esta pérdida como de la velocidad de bombeo. En un sistema hermético desgasificado, la presión final para bombas de difusión de mercurio, equipadas con trampa de aire líquido, es de 1o-1 mm o menor. Para bombas de difusión de aceite sin trampas, la presión final varía de JQ-l'i a Jo-6 mm, aunque a veces se registran valores menores. El vacío que se obtiene con una bomba mecánica es, generalmente, de 10-2 a 1(}-4 mm El funcionamiento de las bombas aspiradora¡, de agua, o trompas qe agua, está limitado por la tensión de va.por dP agua, unos 25 mm de mercurio a la temperatura ambiente. El experimento descripto por Dushman 8 ilustra el efectv de la dt>sgas1ficación sobrr P 0 • DuS'hman comprobó una presión final de 0,033 bar para una bomba rotativa de Gaede conectada a un manómetro de vacío, cuando el tubo· de conexión de vidrio no estaba desgasificado.• Sin embargo, cuando Sf' calentó t>l tubo hasta que su superficie estuvo libre de humedad absorbida, y de otros gases, la presión final SP redujo a 0,0007 bar. El régimen a que se reduce la presión en un aparato, determi8 DusHMAN,

S, Phys. Rev., 5, 225 (1915). 9~

LA 'N:CNICA DEL ALTO VACto

nad0 por la velocidad dP bombeo S, el volumen V y la presión final Po,, está dado por la ecuaci6n dP S dt = - y(P - Po).

(11)

La integración de esta Pt·uación da (tt - tr) = _!:" log. (P1

P~\.

-

(12)

P~

P2-

S

La ecuación 12 se usa, por ejemplo, para predecir el tiPmpo ma de vacío y se enfría el carbón (preferiblemente con aire líquido) a fin de que desarrolle su capacidad de absorción. En el cuadro IV se detalla el poder

97

LA HCNICA DJ!lL ALTO VACfO

de absorción del carbón para 'Nrios peratura del aire líquido). ' ·

(l'atft'a,

a 0°0 y -185°C (tfJiiJ¡. '

CUADRO IV CAPACIDAD DE ABSORCióN DEL CARBóN DE COCO: VOLUMEN DEL GAS, EN CONDICIONES NORMALES DE TEMPERATURA Y PRESióN, ABSORBIDO POR UNIDAD DE VOLUMEN DEL CARBóN

oo e

Gaa

Helio ....................... . Hidrógeno .................. . Argón ...................... . Nitrógeno ................... . Oxígeno .................... . Anhídrido carbónico ........ . DEWAR, SIR JAMES,

-185"

2

4 12 15 18 21

e

15 135 175 155 230 190

Encyrlopaedia Bntannica, 16, 751 (1911).

De los absorbentes de metal, el tantalio presenta interés especial. Absorbe hidrógeno en grandes volúmenes; puede absorber hasta 7.40 veces su propio volumen del gas a temperaturas de alrededor de 600°C. Cuando se calienta el metal en vacío, a temperaturas superiores a 800°C, se emite el gas absorbido. A temperaturas mayores, el tantalio es uno de los metales que se desgasifica con más facilidad. A temperaturas elevadas, por combinación química con el tantalio, también se eliminan los gases residuales, oxígeno y nitrógeno. A causa de estas propiedades, se lo usa, con frecuencia, para los ánodos de los tubos electrónicos. Los metales columbio y circonio se comportan en forma parecida al tantalio. El tungsteno y el molibdeno, a tPmperaturas superiores a 1000°C, son absorbentes eficaces 17 • Dichos metales eliminan el oxígeno mediante la formación de óxidos, que son volátiles a temperaturas superiores a 1000°C. El hidrógeno se disocia por la alta temperatura y se condensa, como hidrógeno atómico, en las parPdes del recipiente, especialmente si se las enfría con aire líquido. Los metales alcalinos n•accionan con nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y vapor de mercurio. La absorción de nitrógeno, oxígeno e hidrógeno es fuerte, sobre todo cuando Pl metal alcalino es el cátodo de una descarga luminosa. El bario, el calcio y Pl magnesio se usan mucho como absorbentPs, pues se combinan químicamPnte con todos los gases residuales (ex17 LAN'GMUIR,

1. 348 (1915).

98

l., A m. Chem. Soc. ] .. 37. 1139 (1915); lndust. tmd Engw. Chem.,

LA T1:CNICA DEL ALTO V ACto

cepto los gases nobles). El bario es químicamente más activo que el calcio. Estos metales se introducen por diversos medios rn los tubos de vacío en que deben actuar. El calcio puede introducirsr en forma de limaduras. El bario, como recubrimiento de alambres de níqurl o cobre. Estos metales sr purdPn obtener dirertamente rn vacío, reduciéndolos de algunos dr sus compue¡,tos a trmperatura" elevadas. Por lo general. el metal introducido se rvapora y condensa en las paredrs dr un sistema de vacío sellado, donde forma un espejo. La acción absorbente del metal es mayor en la fase vapor, aunque la película especular condensada, t>sprcialmentr una película de bario, reaccione químicamente con los gases rt>ner importancia considerable. Esta acción física, la adsorción de gases, es fuerte porque la supt>rficie dt>l metal está limpia. Dnshman da un cálculo elemental que ilustra esta acción 18 . Un bulbo esférico de 5 cm de radio que contiene gas residual a una presión de alrededor dr 1/10 mm dt> mercurio, resultará completamente evacuado cuando el gas sea adsorbido en la superficir interna del bulbo, o sobrr una película metálica limpia para formar una capa monomolecular. El vapor de agua y otros vapores pueden eliminarse eficazmente mediante una trampa de aire líquido. La densidad del vapor de agua Pn un gas, despué> de pasar por una trampa de aire líquido, es de 10-23 mgjlitros. En el cuadro V se da la eficacia relativa de los agentes desecadores más usados 19 . De éstos, el pentóxido de fósforo es el que más se usa en la técnica de vacío. Se lo funde para reducir su tensión de vapor e imprdir que desaparezca cuando se evacua el sistema. Sístemas de.-va.cío estáticos y dinámicos. La mayoría dr los sis8 temas dr v~il utilizados en las investigaciones de física se clasifican en dos tipos generales. En la primera clase tenemos aquellos sistemas que requieren una desgasificación completa y un hermetismo absoluto para obtener un .alto grado de vacío. Llamaremos a los de este tipo sistemas rstáticos de vacío, en contraste con los sistemas en que puede ,tolerarse una desgasificación parcial del vidrio y de la~ partes metálica~ y, aun, prqneilas pérdidas, por ('l uso de bombas extremadamente rápidas. A estos últimos los desig: naremos sistrmas dP vacío dinámicos. Dum'\f \N, S., Frank. lnst. ]., 211, 737 (1931). Una sustancia secadora que tiene la ventaja de ser sólida. tanto cuando está saturada como cuando está "seca", es el perclorato de magnesio. Se fabric¡¡. en Arthur H. '1 homas Company, l'iladelfia, Pensilvania. 18

19

99

CUADRO V AGENTES DESECADORES

Agentes desecadores

Trampa a la temp. del aire liquido ..

P.o•..............................

Mg(Cl0,) 2 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Mg(ClO,) •. 3H,O ................. .

H.so, ............................. . H,SO, al 95 por ciento ............. . CaCl, (gran.) ...................... .

Mg de agua por litro del gas secado a 2&• C 1,6 X 1(1->1

< 2 X 10-"

a ded, ~o 'fO .so t. O 10 Fus16n de alve o,;s "''" dt: "'~~"""CUVIO o menos pata

'fLIII' COmlt:MCtr

l•aec,ón d4l' bo11!t>eo

'"f"IJ!'ÍPt"dciÓI't

,,.-.,.__POr ~a 2 ,•c

F1g. !'í Esquema de la bomba de difusión de Langmuir.

Bombas .de difusión. Las bombas de difusión funcionan solamente si la presión es menor que unos décimos de milímetro dt mercurio, y trabajan mejor con una '' prestón preliminar'' de unos centésimos de milímetro de mercurio. La "presión preliminar" se obtiene mediante bombas mecánicas. En la hg. 5 vemo, cómo funciona una bomba de difusión de mercurio. La bomba allí dibujada ilustra la adaptación práctica de Langmuir del descubrimiento de Gaede acerca del principio de las bombas de difusión 20• La explicación de su funcionamiento es válida también para las bombas de difusión de aceite. Calentando el mercurio líquido del recipiente B, hasta una temperatura de unos l10°C, se obtiene un chorro de vapor de me:t:curio. La corriente de vapor que sale del conducto se indica con las flechas. Esta corriente constituye una separación entre la cámara N y la cámara M. Fina,mente, el vapor se condensa sobre las paredes, refrigeradas por agua, de la cámara N y retorna como líquido, por gravedad, a la calderilla B. Las moléculas del gas en 20 LAN"GMUIR, I, Phys Rev., 8, 48 (1916) GAEDE, W., Ann. d. Physilc, 46, !157 (1915).

103

LA T:tCNICA DEL ALTO V ACtO

la cámara N, que se difunden hacia la parPd de vapor, tiPnen poca probabilidad de penptrar Pn ella y pasar a la cámara .'11. Es más probable que la corriente dP ntpor los arrastre nuevamentP a la cámara N. Sin embarg-o. las moleeuias de ¡!él., e u JI, que sr di! llll· den hacia el vapor, son impulsadas hacia N por el bombardeo molecular del mercurio, de donde las extrae la bomba mecánica. La presión en N debe ser unas 100 veces mayor que la que hay en Jlil, para que el régimen de difusión a ambos lados de la pared de vapor sea el mismo. Cuando se evacua N por medio de una bomba de difusión auxiliar, en vez de la bomba mecánica pueden obtenerse presiones de 1Q-7 mm de mercurio, o menores, en un aparato de vidrio hermético conectado a M (siempre que se elimine el vapor de mercurio con una trampa de aire líquido). Muchos investigadores han estudiado las bombas de mercurio 21 . Las figs. 6 a 12 representan los aparatos desarrollados como resultado de esos estudios. No explicaremos en detalle estas bombas, pues en este cnpítulo nos interesa principalmente hablar de los sistemas de vacío dinámicos y de las bombas de difusión de aeeite. Con las bombas de aceite es común obtener velocidades de bombeo de decenas y centenas de litros por se¡!"undo mientras que, con las bombas de difusión de mercurio, las velocidades oscilan, ¡rPneralmente, entre una fracción de litro por S!:'gundo hasht unos pocos litros por s!:'gundo.

B1 uso de aceites como fluidos -en la.s bombas de difusión. Muchas veces ~e ha tratado di:' !:'neontrar un sustituto para el m!:'rcmio como fluido de bombeo, pues el mercurio tiene en ese easo una d!:'sventaJa, a ~abPr: su tens1óu de vapor e;, tan a.tn que haePn falta trampas para impedir qup se difunda hacia el sistema di:' vacío y e~ew la prPsión. Estas trampas pr!:'Pntan g-ran rPsi-;tPncia al flujo de gas y oL petróleo dE' refinación !:'special, o 1"1 tipo nafteno, desarrollados por C. R. Burch 22 • o de Jo contrar.o, ·rompuP-;tos or¡Iánicos I'Omo f"l W. W., Phvs. Rro., 10. 558 (1917) H., Ze1t1. f. tPJ:hn. Ph)•sik, 17, 201 (1936) MOLTHAN, W., Zeils f techn. Pll\ ~ilt, 7, 377. 4j2 (1926) STI!\"'ZIM·, H., Zetts r techn Ph~lllr., 3. 369 (1922). Ver las refcrenctas sobre la tt'Lnica de ~ac10, dadds en Id nota l. páJI. -·", otras referencias allí citadas. Ver tambien los· catálogo; de E. Leybo)'4 ~ 21 CRAWFORD,

KLUMB,

folger. GAEDI:, W., Ze1ts. f. techr¡ Phystk, 4, 33/ (1923). Ho, T. L., Rev. Sci. lnstruments, 3, 133 (1932); Phy;¡cs, 2, 386 (1932) 22 BVRCH, C. R. Nature. 122. 729 (1928); Rov. \or. l'wc. 123, 271 (I9!!!J).

104

LA ncN1CA DEL ALTO V ActO

ftalato de butilo, desarrollado por Hickman y Sanford 23 , de los laboratorios Eastman Kodak. Hace poco, Hickman recomendó un nuevo aceite orgánico sintético, llamado Octoil, que parece superior al ftalato de bu tilo 24 • Los aceites del tipo desarrollado por Burch son manufacturados con patente de la Metropolitan Vickers, con

Fig. 6. Bomoa Ue Langmuir ae somonlla.

el nombre comercial de Aceites Apiezón 25 . En los EE. UU. se consiguen aceites similares, que dan presiones inferiores a I0-6 mm de mercurio 26 . Las bombas de aceite tienen la ventaja, sobre las de mercurio, que no necesitan trampas, excepto en determinadas aplicaciones. Otra ventaja es que las bombas de aceite pueden fabricarse con acero, o con bronce y cobre, mientras que las de mercurio, metálicas, tienen que SPr de acero con uniones soldadas. Las bombas de bronce y cobre pueden armarse mediante soldadura blanda, excepto la calderilla y el conducto del vapor, donde es preciso usar soldadura de plata. Aparte de las cuestiones de las trampas y de la con~trucción, las bombas de aceite y las de mercurio son po('O diferentes. Las bombas de aceite sin trampas no dan presión final tan baja como las bombas de mercurio con trampas, aunque su velocidad pueda ser muchas veces· mayor. Cuando se utilizan trampas, probablemente hay poca diferencia entre las presiones finales obtenibles. Las bombas de aceite tienen la ventaja de que un tubo obstruido con carbón activado, a la temperatura ambiente. es tan eficaz ~3

K. c. D. y SANFORD. e R. Rev. Sn. ¡,struments, 1, 140 (19~0). K. c. n. Frallh Tnst T' 221, 215, 383 (1936). • :!> Este ace•te puede. obtenerse en la James G. Biddle Company, Filadelfia, Pensilvania. 2H Con relaoón a lo~ aceites para bombas, consultar: , Vo:-. BR \:o.JDENSTEI~~CHA \ h.LU'\Iti, H., Pilvs. leit•. 33, 88 (1932). KL~.>MB, H , y GLI'I '>1, H. e , Phw leits, 34, 64 (1933). Estos aceites pueden obtener;e en los LJtton Laboratoric•, Redwood City. California, Y en la Central 'iuenufic Company, Chicap¡o, lllinoh. HJCKMA!Id 1lP condensa1·ión, no l''> crítica, aunque !'XI-;ta nna idad de bombeo, la bomba trabajará a una velocidad de 4 litros por segundo, con una presión preliminar de % mm de mercurio. Si la temperatura de la calderilla es muy alta, el funcionamiento de la bomba será irregular, pues el aceite condensado, al volver, obstaculiza el funcionamiento de la tobera de vapor.

Fig. 14.

Un modelo que combina el viC:do con eJ metal, desarrollado por Joseph E. Henderson 81, es el represen-:..ado en la fig. 16. Henderson afirma que esta bomba es capaz de trabajar con una presión preliminar de unos pocos décimos de milímetro, en contraste con la presión del orden de 1/100 mm, necesaria para las l)ombas de aceite con una abertura de garl(anta d.e 3 mm, o mayor. Se obtuv~­ ron presiones de 10-8 mm de mercurio cuando las bombas funcionaron utilizando trampas con carbón. ao Comunicación privada. 31 HENDEJUION, J. E., Rev. Sea. lnstr., 6,' 66 (1955).

112

LA 'N:CNIOol\. DEL ALTO VACíO

La fig. 17 muestra una bomba desarrollada por Zabel, con un nuevo calefactor de aceite, at!rtgado por James A. Bearden 32 . La ventaja de este tipo de hoi!.!ba estriba en que comienza a trabajar rápidamente después de .. onectar el calefactor. Hace poco, K. C. D. Hickman y otros han trabajado con bombas

Fig. 15. Bombas de Mc\1illan wn tohe1a hacia arrih;¡ Fl agujero de la parte supuior (mtruyr con chapas y tubo.., dP este metal, atornillado" y ''pintado~>'' exteriormente de plomo con cera y resina; o se puedrn nnir la-, pirzas con g-oma o con empJquetaduras de alambrr Jl>nl:.as con sol dadu...-a dcz plat:a

A

B

e hg 21

d!' fu..,rblP.,. Las partrs de latón pueden tener soldadura blanda o dP plata, . . rg-ím 'iean la tPmperatura y la rristencia mecánica de trabajo Lo-. aparatos dP acrro purdrn trnrr soldadura blanda, soldadúra dr plata, -.oldadnra l'aiio-; dr g-oma qtw, ron una pinza, 'lirvPn (•omo di-.po ... itivo dP purg-a. No debe PmplrarRr l!.'oma Pn )a.., par·te~ dt• alto vaeío, 'i'i M' clP-;I'all ¡n·p-,ionP.., clPI ordPn l0-6 mm, o mi' 110 re-;.

Uniones. PodPrno.., 1111ir do-, tuboo., dl' vidrio o

¡Jp rnrtal, P!lfrl'ntando ..,rel'iOill''- ,. l'll\"OiviPrHlo la nniím con una tira arwha dr catwho. l.a ..,nperfic·ic.' d1·l c·au.HjiiUJthll.l

guarniciones suministradas con las válvulas a menudo son demasiado duras para los trabajos dr vaeío, ¡,e las purdr remplazar por goma blanda. E rf'comrndable hacrr un soportr nuevo en rl rxtrrmo de la válvula, de manrra qur la goma nueva de la guarnieiún ~r mantrnga rn la ranura Sr pinta rl rxtrrior con goma Jara o con laca Glyptal, eomo protección contra la.-. pérdida-,, o xpresión que relaciona la pre~ión desconocida con la dift>rt>ncia observada en el manómetro, t:.h : (1~)

donde V1 y a son constantE''! drl vacuómetro, drterminadas cuando lo CO!ll'\tl uyr; o 'e obtirnr midiendo la lon¡.otud de un volumen conocido, o pt>so, de mercurio E'll el rapilar. Y 1 sr detrrmina llenando el vacuómrtro con mercurio. E-.to.., datos ori¡úHalt>s pueden registrarse en t'l tablerv drl vacuómetro. Lo~ valorE>-; dr P~, determinados por la ecuación 14, "~' regi.,tran, por lo gent>ral, rn una escala no lineal, fija detrás drl ¡•apilar A para podPr lrrr directamf'nte la'! prcsionr.,. El srgoundo procedimirnto para hacer ob..,rrvacione-. dP V.! y P.! ~e reprr!lt>nta a la derPcha dr la fig ::l4. Sr comprimP rl ga'l hasta una marea fija Pll rl capilar A, a una di-.tancia t:.h, dr'ld el tope, ur modo qur el volumen final, Y.!, sra igual para toda'! las mt>di-cimw~. La prrsión final nrcr¡.¡aria para eonfprimir Pl volumt'n V 1 hasta y .1 es ~h. y la pre-;ión Pt del sistema e... tá urtPrminada por rsto!'. valore;., de acut-rdo con la ecuación ..,¡~uírnte ·

~r

11

~~ 0Ah.

(15)

133

LA 'HCNICA DEL ALTO VACfO

Detrás del capilar B hay una escala lineal de presiones calculadas con esta fórmula. El vacuómetro de McLeod es completamente seguro para gases permanentes de 1o-1 mm a 10-4 mm de mercurio. Es menos seguro a 1~ mm. Debajo de este valor, las indicaciones sólo son cualitativas y, a 10-6 mm, el mercurio a menudo llega al tope del capilar A.. El vacuómetro es muy seguro previa desgasificación, calentándolo un poco con una llama suave. Son necesarios tres vacuómetros, con valores diferentes de V 1o para cubrir el rango completo de presiones desde 1o-1 hasta 10-6 mm. Otras formas del vacuómetro de McLeod son más complicadas que el representado en la fig. 34. Por ejemplo, pueden montarse tres bulbos juntos con un solo depósito, uno para bajas presiones, otro para presiones intermedias y otro para altas presiones. El vacuómetro de McLeod es frágil. Si se rompe, no sólo se pierde el vacuómetro sino que --lo que aún es más serio--, el mercurio puede entrar en el sistema de vacío. En los sistemas de vacío de vidrio con bombas de mercurio, esto no es tan perjudicial como lo sería en los sistemas dinámicos de vacío. Estos sistemas, hechos de latón y con juntas de soldadura blanda, son atacados por el mercurio y destruidas las juntas. Los accidentes con el vae116metro de este tipo ocurren, generalmente, por elevar el depósito demasiado rápido. Entonces, el mercurio en V 1 adquiere un impulso suficiente para romper el bulbo, cuando la superficie metálica llega a la entrada del tubo capilar, sin flrotección del aire para amortiguar el choque. No hay que admitir aire en el sistema de vacío hasta que el mercurio no esté completamente afuera de V1. La. admisión de aire origina los mintt>. Estos iones se dirigrn hacia la placa y sr los midP eon nn galvanómrtro ~emiblr. La relación entrr rsta corrirntr de ione-; y la corrirnte dt> elt>ctronrs. o corriente dP grilla. es propormperatura dfl filamento, una variación de su temperatura, originada por una variación en la conductividad térmica del gas residual, lo desequilibra. En consecuencia, la deflexión observada fn el galvanómetro del puente indica la presión de los gases residuales. Generalmente, el filamento está montado en un bulbo fijo con un tubo de conexión y se lo equilibra con un filamento de compensación idéntico, intercalado en una rama adyacente del puente. El bulbo auxiliar se evacua y sella a una presión muy baja. El J.ff!l

lo-4

)

~o-:s

_... ....-/

,so-.a

•oY o

V

~ 2.

3

4

~

dotsviación áel ~olvanómeh-o Fig. !18.

bulbo auxiliar sirve para que el vacuómetro sea insensible a las variaciones de la temperatura ambiente. Las variaciones de la temperatura total de un bulbo son iguales a las variaciones en el otro, de modo que el galvanómetro uo responde a ellas, sino & las originadas por el gas residual en el primer bulbo. La fig. 38 demuestra la curva de calibración de un vacuómetro de Pirani fabricado por E. Leybold Nachfolger. El rango de presiones en que es útil se extiende desde 1/10 mm hasta 1D-4 mm. Muchos autores han explicado la construcción del vacuómetro de Pirani y la teoría de su funcionamiento. El lector puede consultarlos si tiene que usar el vacuómetro para mediciones cuantitativas. Es posible improvisar un instrumento satisfactorio, tanto para indicaciones cualitativas como para la detección de pérdidas, mediante dos lámparas incadescentes comunes con filamento de tungsteno, de 20 a 40 vatios, a una de las cuales ·se le pone un tubo de conexión. En la fig. 39 vemos los detalles de construeción de este vacuómetro. El galvanómetro del puente debe tener una sensibilidad de unos 10-8 amperios por división. A veces, el contacto flojo con los alambres de sostén puede producir una pérdida térmica variable del filamento y hay que pensar en ello cuando el vacuómetro es irregular. Esto se evita asegurando el contacto.

ISS

LA T&CNICA DEL ALTO V ACtO

El va.cuómetro de La.ngmuir 48 • El vacuómetro de viscosidad de Langmuir se hace con una fibra plana dt> cuarzo de unos 50 p. de espesor y de un ancho entre 5 y 10 veces mayor. Esta cinta de cuarzo tiene unos 5 cm de largo y está montada en el extremo de un tubo de vidrio de unos 25 mm de diámetro, como se ve en la fig. 40. Cuando esta cinta vibra en alto vacío, la amplitud varía muy lentamente, pues el amortiguamiento producido por el gas residual es casi despreciabl(' y, a causa d(' la viscosidad pequeña del cuarzo fundido, la pérdida de energía de la vibración, de este origen, es también pequeña. El amortiguamiento producido por las moléculas del gas residual es casi independiente de la presión, desde la presión atmosférica hasta unos pocos milímetros de

fibra planad~

cuarzo

irnátt de

hierro paYd

mover

laHwa deM ro

del vidrio'

1ámpat'a a

de Pil'atli evacuada

-t.0- 6

m,.,-"

Fig. 39.

Fig. 40.

mercurio. En el rango de transición de las presiones, donde el amortiguamiento varía desde este valor constante hagta cero, el tiempo necesario para que la amplitud de la vibr.ación disminuya a la mitad del valor es un índicr de l'a presión. Dentro de este 0., j.O.!l.A., 16, 276 (1928). F. y KERS un xtremo, de un tubo rlP l'narzo; o ~i~niPndo Pl mMorlo descripto en el capítulo V. 140

LA T1:CNICA DJIL AL'l'O V ACtO

tl'a.H1pa de ait'e liQuido

1.. raleta de .::tlumil1io de 0,7 '""'

z e..]e de alatt1bt'e de alutt1it1ío ae o,amm pas1•>10 J ••

'1 ~chelle se necesitan dos soluciones. La solución A se prepara así: se disuelven 5 gr de nitrato de plata en 300 cm 8 de agua y se añade amoníaco, como en el proceso de Brashear, de manera que el precipitado de óxido de plata formado al principio est~ o de la lleposición puedr juz¡.rar-,p por mt•dio dP placa-., dP vidrio auxiliarrs, que se ~aean de YPZ en cuando a fin dP detPrminar el progrPSo del revestimiento en )aimple para wr l>Í la película de plata p¡., M'nlirrPfl(•(•tora (para un ángulo de incidencia de 45°). Le:. Fuwnte luminosa debe estar áiredamen~e sobre

mda que somiplateado

Fig. 3.

Las láminas semirreflectoras se lavan con agua detilada y se secan. Después, se pulen frotando suavemente con un cisne para polvo, cargado con rouge óptico, como lo rrcomienda Pfund. Para evitar la formación de manchas sobre las películas de plata se las cubre con papel de filtro empapado en una solución de acetato de plomo y secado. La protección se aplica siPmpre que la lámina metálica no esté en uso. Barnizado. Otro proePtlimil'llto pata protegrr de la-; matH·ha-., la suprrficir platrada consis. Estas ondulacimws se pueden observar dirPctamrnte sólo con microscopios de muehos aumentos. "' ood dice qur no hay ondulaciont>s y qur, por lo tanto, no se product>n colort>s de intrrferencia, cuando st> u~a l'Olodión disnlto en Mer. bidestiladtt ,. . químicamente puro, para barnizar Pl t>spejo. 6 Woon, RosEill W., Phvsical OJ1Ii11·, ).íueu York. The Macmillan Compan), 19S4; S:J edición.

149

REVESTIMIEN'l'O DE SUPERFICIES EVAPORACloN Y PROYECCióN CATóDICA

Con el fin de obtener películas barnizadas uniforme. del mPtal, lo que es similar al mecanismo mediante el eual un euanto de luz e~ transformado en la HnnriL> rlc1 fxJ> Phystk, l, 'l'ií (1926) H, Optmd \nr Fr1111', 2~. 22l cuadro I y en la fig. 6 damos el ré~imen relativo de proyeeción catódica para varios metales con diferentes gases residuales. 154

REVESTIMIENTO DE SUPERFICIES: EVAPORACióN Y PROYECCióN CATóDICA

E. O. Hulburt 11 hizo hace poco un estudio sobre la proyección. Determinó el régimen de proyección catódica en una atmósfera residual de aire, a una presión que daba un espacio oscuro de 5 cm. La tensión usada fue de 1.000 a 3.000 voltios y la corriente. de 50 mtliamperios. El cátodo tenía 5 cm de diámetro y estaba unos 2 a 4 cm de la superficie revestida. En el cuadro II damos sus resultados. Hulburt determinó que mediante el vapor de mercurio, se aumenta enormemente el régimen de proyec·ción catódica del cromo. t>l alummio v el -,ilicio. Con PstE• vapor &e obtuvieron películas óptieato. de estos metale¡, en menos de 15 horas. Después de una proyección catódica de 60 hora:- en vapor de hidrógeno y de mercurio, se lograron buenas pt>lículas ópticas de berilio, pero no del todo opacas Superficies secas y limpias y superficies em.pa.ña.das. Limpiar y una superficie (•omo la que st' rt'quiere para la proyección catódica y la evaporación PS mucho más difícil que para el proceso del platPado químico descripto antes. La mayoría de las supPrficies que se limpian y secan con algodón hidrófilo, o con toalla, condensan el aliento en una película gris. La causa de esto radica en que, durante el proceso de secado, la superficie del vidrio admite una capa de impurezas que, probablemente, sea una película monomolecular de ácido graso que ju-!1-til el algodón. El agua sP condensa allí en gotitas m.ien.tras que,' en una superficie realmPnte limpia, se condensa en una película uniforme invisible. Las supt>rficies se limpian y secan químicamPnte en un desPeadar. Dichas superficies dan, cuando se las empaña con el aliento, una lámina continua. Asimismo, se secan sin contaminarlas con un trozo de tela de lino, como Jo hizo Wm. B. H,ardy con todo éxito. Pero utilizó un trozo del cual se habían extraído todos los componentes oleosos mediante benzol puro. No obstante, resulta más práctico eliminar las sustancias de contaminación que deja la toalla con que se se~a el espejo que evitarlas. La limpieza en seco puede efectuarse por acción de los iones. El egtudio de esta acción de los iones sobre la superficie del vidrio comenzó con Aitken y Lord Rayleigh 12 . Estos investigadores comprobaron que, cuando se hacía pasar rápidamente sobre la superfirie del vidrio la punta de la llama de un soplete, limpiaba ra superficie y producía una figura empañada; es decir, si se empañaba el vidrio con el aliento, la humedad se condensaba en una película gris de gotitas, pero donde la llama había tocado la su~ecar

Rro \ct lnstr, 7. 85 (1934). Scientlfic Papers, Cambridge Uni'VeMity Press, Vol. 6, 1920, págs. 26 y 127; AITKEN, Roy Soc Edin. Proc. 94, (1893). 11 Hl!LBURT, E 0., 12 LoRD RAYLEIGH,

155

REVESTIMIENTO DE SUPERFICIES: EVAPORACióN Y PROYECCióN CATóDICA

perficie, la humedad se condensaba en forma de una película e e 08cura" continua. T. J. Balter y otros hicieron un estudio sobre figuras empañadas 18 • Por ejemplo, Baker halló que eran producidas sólo por las llamas más calientes, ricas en iones. Entre los muchoe fenómenos revelados por sus investigaciones se contaba el de que las figuras empañadas podían originarse por chispas y, lo que es· más raro, que pasaban de una plaea de vidrio a otra si se las mantenía juntas, pero no en contacto íntimo. Descubrió también que la zona oscura es un conductor eléctrico relativamente bueno y qu~ el coeficiente de'\, frotamiento entre vidrio y vidrio en aquel1a zona era muy grande. En la fig. 7 se ve un experimento simple para demostrar esta diferencia en el frotamiento entre el vidrio que no ha pasado por la llama y el que sí ha pasado. %OM11. ~"'PU4rtiO~a

a la llatl\ala pUttl:a de vidt-io ~itta y l'a~a

la

plac~

%Onas "o ~p~a'S a la llamafa puNa:: a cte vidl'io sedE'&I•za ron ORACION Y PROYECCION CATODICA

drófilo. Hay quP tener la precaución de no contaminar la toalla recién lavada al tocarla con las manos. Por último, se expone el vidrio a una dPsearga durante la evacuación. Evaporación. El mf.todo de Pvaporación para producir películas finas sobre vidrio, cuarzo, etc., es simple, tanto en su mecanismo como Pn :,u aplicación práctica. Se calienta un trozo pequeño del nwtal (o no metal) en un alto vacío, hasta que su tensión de vapor tro del recipiente donde se hace el vacío. Por eso, los rayo:. moleculare~;, se propagan desde ~u fuente sin ningún obstáculo, hasta que chocan con las paredes del recipiente, o con algún objeto dentro de él. He expone la superficie a esos rayos moleculare~;,, que se condensan para formar la película deseada. Esta lámina eomlensaaa tiene Ja- característica de qne, aparentemente, preo;enta el mismo grado de pulido que el vidrio y, por tanto, no requiere pulido posterior, como el plateado químico. Asimismo, esta película se forma prácticamente sin calentamiento del espejo. Aunque el método de evaporación se conocía ya en 1912, por alguna razón permaneció ignorado znucho tiempo, si bien ya entonces debía sPr una "herramienta" práctica en el laboratorio 16 • Entre los factores que influyen para que se lo use actualmente figuran: el desarrollo de la técnica de los calefactores de tungsteno 17 , la adaptabilidad del proceso a los no metales y también para la aplicación del aluminio 18 y el desarrollo de las bombas de vacío de gran veloridad (ver capítulo III). El que un material determinado se adapte para producir películas por el proceso de Pvaporaci6n debe determinarse por la estabilidad térmica y la tensión de vapor del material y por la posibilidad de llevar a éste a la temperatura de evaporación, en vacío. En laf" figs. 12 y 15 a .20 sP ven calefactores de tungsteno usados para llevar a algunos mPtales a la temperatura de evaporación. En el cuadro 111 se dan las temperaturas de evaporación de los metales. La mayoría dP los mPtales se funden antes de evaporarse, y la1 tem:ión supPrficial impidP que el znetal fundido caiga del calefactor. Otros rnPtales, como el magnesio, se subliman. De éstos, algunos :,P subliman muy lentamentP, porque el metal no se funde sobre el alambrP dP tungsteno en vacío. El cromo Ps un ejemplo. I.Ja eva16 PRINt.SHEIM,

P., y POHL, R, Deutsrh Phys. Gesel/. Ver/1., 14, 506 (1912). Zeits, f. Physik, 69, 578 (1931). Astróphys. ]., 83. 401 (l936).

17 R1TSCHL, R., 1~ SfR.ONG,

158

J.,

REVESTDIIIENTO DE SUPERFICIES: EVAPORACióN Y PROYECCióN CATóDICA

CUADRO III TEMPERATURA u DE EVAPORACióN DE DIFERENTES METALES

Material

Temperatura de evaporacl6n T 0 abaolutaa

Hg Ca Rb

K

Cd

Na Zn

Mg Sr L1 Ca Ba Bi

Sb

320 433 450 480 541 565 623 712 811 821 878 9()5 913 973

Material

Pb Sn Cr Ag Au Al Cu Fe

Ni

Pt Mo

e

w

Temperatura de evaporacl6n TO absoluta •

1ÓOO 1148 1190 1319 1445 1461 1542 1694 1717 2332 2755 2795 3505

Temperatura a la cual la tensión de vapor es igual a lQ--2 mm de mercurio. E. y BRUNNER, R., Helv. chim. Acta. 17, 959 (19~4). EsPE, W. y KNOLL, M., Werlcstoftltunde der Hochvakummtechnílt, Berlln, JuIius Springer, 1956, pág. ~58. KNOLL, M., OLLENOORFF, F. y ROMPE, E., Gasentladungs-Tabellen, Berlln, Julius Springer, 19~5. LANooLT-B0AA'5TEIN, Phys. Chem. Tabellen, Berlln, Julius Springer, 1925-1956, P edición. LEITGE.dL, W., Metallwirt~haft, 14, 267 (1955). BAUR,

poración de este metal se hace así: se lo lleva, primero, a la temperatura de fusión en el calefactor de tungsteno y en una atmósfera de hidróg~no o helio. Estos gases facilitan la transferencia de calor entre el tungsteno y el cromo u otro metal y, además, limitan la evaporación del metal (ver fig. 9). Establecido un contacto íntimo con el alambre de tungsteno, el metal se sublima más rápido en vacío, porque el calor se transmite mejor. Otro ·método para llegar al mismo fin es depositar electrolíticamente el cromo u otro metal sobre el calefactor de tungsteno 1e _ Además del cromo, los metales 19 Esta técnica de la sé_rvense las referencias respectivamente: STaoNc, J., Phys. Rev., Wit.LIAMI, ROlLE\" C.,

electrodeposición es, aparentemente muy utilizada. Obsiguientes Sobre su aplicación al platino y al cromo ~9. 1012 (1952). Phys Rev., 41, 255 (1952).

159

REVESTIMIENTO DZ SUPEBFICIZS: EVAPORACION Y Pl'tOYJ:CCION CATóDICA

que mejor se adaptan a estos procedimientos son el platino y el berilio. Muchas veces es mejor prefundir un metal, que de lo contrario se sublima, a fin de eliminar las impurezas. El prefundido de mellama de h1dt'ó'g'et10 ~apón de B'Otna

tiO

Fig. 9. Dispositivo para la prefusión de metal sobre una bobina de tungsteno.

tales como el calcio, el magnesio y el l.'admio puede hacerse en helio, para desgasificarlos y prepararlos para la evaporación. Una gran parte de los metales reaccionan con el tungsteno como, por ejemplo, el hierro, el níquel, el berilio, el cromo, el platino y el aluminio. A pesar de ello, es posible evaporarlos para la preparación de pequeños espejos de laboratorio.

Fig. 10.

En la fig. 10 se representa un soporte simple, aislado, para alambre, en vacío. Técnica de la. evaporación para el aluminio. La técnica de la evaporación para el aluminio con calefactores de tungsteno es de interés especial, pues dicho metal es muy importante para recubrir supPrficies en que se necesite gran reflectividad al visible y al ultravioleta y, además, superficies que no se manchen.

160

REVESTIMII:NTO DI\ SUPJCBJ'ICU:S: 11\VAPORACION Y PROYI\CCION CATODICA

Pringsheim y Pohl descubrieron que varios metales (incluso el aluminio) podían evaporane en vacío y condensarse sobre la superficie de un vidrio en forma de película reflectora pulida. Para destilar el metal usaron un crisol de magnesia 20 • R. Ritschl, en 1928, al aplicar el método de evaporación en la preparación de semiespejos para interferómetros, calentó la plata en un calefactor de tungsteno puro 21 • Este cambio tiene la ventaja de que, en vacío, el tungsteno ll.o se enpora ni desgasifica como el crisol de magnesia. Siguiendo esta técnica, Cartwright y Strong desarrollaron un dispositivo simple para efectuar en el laboratorio el proceso de evaporación, e investigaron su adaptabilidad a diferentes metales 21• La técnica corriente, en que el metal para evaporarse se calentaba en una hélice de alambre de tungsteno, resultó muy buena, excepto con el aluminio y el berilio, que disolvían el arrollamiento de tungsteno. Se realizaron otras tentativas para mejorar esta técnica de evaporación del aluminio u. Algunos se llevaron a cabo con crisoles de grafito, magnesia fundida pura y alúmina (zafiro), así como con crisoles fundidos de óxido de torio. Estos experimentos demostraron que era poco práctico calentar el metal en crisoles, pues o reaccionaban químicamente con el material del crisol, o este último se evaporaba cuando se calentaba el aluminio. El descubrimiento de que el tungsteno tenía solubilidad limitada en el aluminio fundido condujo al método de evaporación con tunggteno puro, el más práctico de todos ellos 24• El análisis químico de la aleación de tungsteno, formada cuando se funde el aluminio en una hélice de tungsteno, demostró que la solubilidad de éste, en aluminio, es de un 3 por ciento en volumen. Por consiguiente, se evita que el alambre de tungsteno se queme haciéndolo simplemente de un diámetro relativamente grande y tratando de que la carga se regule de modo que se satisfaga la condición de solubilidad sin reducir demasiado el diámetro del alambre. En ese caso, se podría suponer que parte del tungsteno disuelto se evapora, ~obre todo porquP se ha observado su Pspectro durante la evaporación 26 • Para probar esta hipótesis, se pf'só un filamento de tungsteno antes y después de evaporar varias cargas de aluminio. Se observó un aumento, en lugar de una disminución en· el peso, lo cual indicaba que parte del aluminio se difundía en el 20 21

Ver nota 16. Ver nota 17.

22 CARTWIUGHT, 23 CAJtTWtuGHT, 24 STJtONG,

J.,

25 GAVIOLA,

C. HAWLEY, y SCRONC., J., Rt:tl. !tci. lnstr., 2, 189 (19~1). C., HAWLEY, Rev. Sci. Instr., !1, !102 (19!2).

Phys. Rrv., 4!1, 498 (1933). J., Phys. Rro., 48, U6 (19!15).

E., y STIIiONG,

161

REVIlSTIMIENTO DE SUPERFICIES: EVAPORACióN Y PROYECCióN CATóDICA

tungsteno. Sin embargo, si se aumentaba el tiempo de calentamiento en vacío, a una temperatura muy alta, el peso disminuía hasta que, dentro del error experimental, llegaba a ser igual que al prinmandnl- Bmmdlám ~tocmtargo

~tC\tC\I

O

ranuYc5,'Pa~ 61ttm 1

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Cll\:!>~ 41a~-

o

t:-eno, 1m m ~rro liado sol:we el mandvtl

hg. 11.

cxpxo. Se hizo, entonces, un anállSls químico de la película metálica condensada para probar si el tungsteno se había evaporado o no. El análisis no dio indicación definitiva: una concentración

Ji lamento

despu~s

&zl ca-

letTtamiettt;o pvelrmtnaY S.

tO

t!...Z02S

so

escala en mm

Ftg. 12.

de 0,03%, en peeo, si ae detectaba. Pareee 411111 el tungstao aai disuelto ae precipita eaai por completo sobre el filamento, a medida 162

REVESTIMIENTO DE SUPERFICIES EV APORAClóN Y PROYECCióN CATóDICA

que Sf' rt>aliza la evaporapositarse exactamente en el mJ">mo lugar, compensa, en gran partP, la disminución del diámetrn del alambre de tungsteno. lhn las f1gs. 11 y 12 se representa el dispositivo usado inicialmente en el Instituto Tecnoló~ico de California para aluminizar espejos. Tiene la forma de una hélice, que consiste en 10 vueltas de alambre de tungsteno de 0,75 milímetros, 7,5 milímetros de diámetro y con un paso de 1,6 vuPltas por centímetro. En ~ada vuelta se asegura un trozo ae alambre de aluminio en forma de U, de 1 mm de diámetro y unos 10 mm de longitud total, fig. 11. Al aplicar un potencial de 20 voltios, en vacío y durante 4 segundos, se funden los trozos (fig. 12). En Psta Ptapa del proct>so, la tPnsión

donde M es la masa total del mf'tal eYaporado y r es la desde P hasta el filamento, representada por el subíndice El doctor Edward M. Thorndike hizo el mismo cálculo, do una fuente circular continua. El t;spesor, en este caso, por

distancia $.

suponienestá dado

(4) dondP la fuente puntnal, a una distan~ia r del p1mto P. o;e remplaza por una fuente lineal, repre&entada por el elemento de ángulo d8 a la distancia r, como antes. Este cálculo comprende la integración r2rd(J (2.d8 Jo r3 = Jo (1 + a2 + p2 - 2a cos 0) 112 =

__ 4-=--E( v' (a +2Va ) + p ]V (a + 1)2 -¡--P-; 1)2 + p2 '

[(a - 1)2

2

CUADRO IV VALORES DE

a 0,00 0,25 0,50 0,75 0,80 0,90 1,00 1,50 2,00 3,00

168

Q

= lf2

4,50 4,82 3,96 7,74

.. . . . . ..

8,28 3,40 1,20 0,28

(lr~

Jo Q

PARA DIFERENTES PARAMETROS

r' = 1

2,22 2,24 2,29 2.28 2,27 2,22 2,11 1,38 0,74 0,24

Q

= 1,1

1,91 1,93 1,93 1,89

Q

= 1,2

Q=2

Q=4

1,65 1,65 1,63 1,57

0,560 0,555 0,540 0,515

0,090 0,090 0,088 0,085

. ...

,. ...

0,480 0,385 0,285 0,145

0,082 0,072 0,068 0,050

.. .. . ...

. ... ....

1,74 1,09¡ 0,67 0,23

1,45 1,02 0,61 0,22

....

~

...

(l

)

REVESTIMIENTO D:t SUPERFICIES: J:VAP08ACI6N Y PROYECCióN CATóDICA

en donde E representa la función elíptica 28 • En el cuadro IV se dan los valores de esta integral, calculados por ThorndikP. Por conveniencia, se considera aquí como unidad el radio de la fuentr cirrular. He VP en el ruadro que para p = 1, la película es completamente uniforme hasta para a=l. Esta experiencia se hizo en una campana para aluroinizar dr 100 centímetros, con una dtstribución circular de doce filamentos normales (ver fig. 21), espatc;rmadG egmo u"ida~d

..,.,1-'-'--'-'- '../__

.:,/

-~

,,: ',"

,;r - -'-J_- -.,¡_ - ..-.-;

/filamento•

:

CSPC.J'O $0~1'4t ~1 Cllt~<&y que dcposi t4 r

Fig. 21.

ciados sobre una circunferencia de 90 centímetros de diámetro y a 45 cPntímetros de la cara de un reflector astronómico que debía recubrirse ( fig. 22). Las pruebas de transmisión de una película producida por filamentos con carga parcial confirmaron el cálculo. puesto que el recubrimiento presentaba la uniformidad esperada. Cuando se utilizó una campana de 270 centímetros, ya no resultó conveniente la disposición similar de los filamentos, situados a 125 centímetros de la cara del espejo. Se usaron, entonces, tres distribuciones, a 50 eentímetros del espejo, fig. 22. Tanto de las expresiones anteriores, como por las pruebas experimentales, se comprobó que la carga apropiada la daban cuatro filamentos en el centro, doce en una circunferencia de 125 centímetros de diámetro y 60 en una cir.cunferencia de 250 centímetros dl' diámetro. Eta r1 :stribucióp. producía una película uniforme, de espesor adecuado, sobre un espejo de 250 centímetros, siendo la película algo más gruesa que lo necesario para ser opaca a la luz solar. Este espesor es el convPniente (alrededor de 1000 A), puesto que las películas más gruesas se rayan con facilidad y las más delgadas pueden, con 211

BIEREN

DE

HAAN,

DAVID,

Nouvelles tables d'mtegrales defintes, tabla 6i.

ecuac. !J, pág. 102, Leyden, P. Engels, 1867.

169

REVESTIMIENTO DE SUPERFICIES: EVAPORACION Y PROYECCION CATODICA

el tiempo, volverse transparentes, por el crecimiento gradual de la capa de óxido que se forma sobre el revestimiento de aluminio. Para.bol.imción de un espejo esférico por a.luminiza.do. lT na vrz perfeccionada la técnica para la obtención de películas uniformes, surgió la posibilidad de preparar películas no uniformes, cuyo es~~w~· 1.1'1( %4 filatnentos ~

~

:~

1 1

.....

1% filatnet1tos +

...

-

1~

1

'

ftlamentm-.

1

\

lf

:nt.o.

.,:

'f:SC':,.I

1

qo cm

Fig. 21:. Posición de las bobmas de evaporación para espqos grandes

pesor variara como para parabolizar un espéjo esférico. La diferencia T entre la circunferencia y la parábola de la fig. 23 está dada, con bastante aproximación, por la expresión T

'-.lllf-~::-.-

2 .;l

=

Y ( yo

2) 1 Y SRa'

(6)

tJ•rabo/orde e s f'e. ra

e=~

--?~------· "'/_.,

/

"'

Foco del

·

paraboloide

--------------Fig. 25.

uo

REVESTIMIENTO DE SUPERFICIES. EVAPORACióN Y PROYECCióN CATóDICA

donde y es la ordenada y R es el radio de curvatura de la cireunferPJH·ia, y., rPprspt>jos mal configurados por ~t>guir mrtodos convencionales SP pueden mejorar por ~>stP proct>dimiento. En PstP caso, t>l diseño de la pantalla SP dt>termina por un t>studio cuantitativo preliminar dt>l Psppjo mPdiante un aparato dP Foucault (ver capítulo II). Ri se aplin un tPlt>scopio Cassegrain. La fórmula para calcular la difert>neia t>ntre la hipérbola, o cualquier ficiencia. lndican tambi~n, en forma aproximada, la cantidad de mt>tal quP habrá qur rvaporar para lograr cua!quier r~>lación conveninte entre la rrflrxión y la transmisión. Las curvaH para la plata SP rfierrn a drpo-,icionrs frescas, mientras que las curvas para el aluminio sr rrirrrn a pPlículas hata de 6 me;.es, que han alcanzado, más o mno-;, sus ca racterístiras de rqui:ribrio óptico. Pero, no rs muy srguro que pnrda rrproducirsr cualquier pelírnla dt'tPrminada ron la mfonnarión dada n las figs. 29 y 30. I,as varia sumPrgirlo otra vez. La absorción de carga eléctrica Ps muy baja: siendo un 10 por ciento menor que la del ámbar.

El uso del cua.rzo en forma de fibras. I.Ja notable propiedad de retener, y aun aumentar, su resistencia cuando se lo estira en forma de fibras delgadas hace que el cuarzo resulte útil para hacer muchos instrumentos delicados. Pero parece que pocos científicos han apreciado y comprendido su valor. Más resistente que cualquiera de los metales utilizados para suspensiones, con excepción del tungsteno, tiene la ventaja de que se le puede dar la forma que se desee. Aunque se requiere cierta práctica para adquirir la habilidad necesaria, vale la pena, a juzgar por los resultados. puntas 2,8 m m di á m 8 "'"' la.-go OYifÍCÍOS-0,05. a O,::t mm

~opld:.~ .r-aya•l ttticYomanipuladOt'

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-

Fíg. l. Sopletes grandu v chicos para trabajar el ruarzo fundido

Bquipo pa.ra. hacer fibras de cuarzo y tra.ba.ja.r con ellas. Damos aquí la descripción del soplete de g-as natural y oxígeno usado por Pl autor de este capítulo. Cuando se utilizan otros gases, puede l'P!'.ultar necesai.lio modificar la técnica, si se quiere cumplir con las condicione.~~ especificadas. El soplete es un trozo de tubo de latón curvado como se ve en la. fig. 1, con un extremo roscado para poder cambiar el pico. Ei agujero más apropiado para trabajar t>l cuarzo t>s dto unos 2 mm

184

EL USO DEL CUARZO FUNDIDO

de diámetro. También son comunes los picos de 1 a 3 mm de diámetro. Cuando se quiere obtener una llama larga y uniforme. la longitud del conducto ha de ser, por lo menos, cinco veces mayor que su diámetro. La mezcla de oxígeno y gas se hace a cierta distancia del soplete. Una "T" común es suficiente para esta mezcla. Hay que tener al alcance un medio de control para el gas y el oxígeno. Si este último se somete a alta presión, la válvula de reducción de aguja proporciona mejor la regulación. En la fig. 2 se ve una combinación de dos válvulas de aguja y una "T ", dispositivo que resultó práctico. ~

ox~no

~

comtxl5tibl~

al soplete

escala en m m Fig. 2. Combinación de válvulas

lle

aguja y mezclador.

Al usar el soplete, debe tenerse cuidado de abrir primero la llave gas, encenderlo y, luego, dejar salir gradualmente el oxígeno hasta producir la llama adecuada. Para apagarla, se cierra la llave de oxígeno y luego, la del gas. Si no se siguen estas indicaciones, puede producirse una explosión, pero, generalmente, no hay peli~ro. Este soplete es una herramienta útil en cualquier laboratorio, sobre todo cuando tiene picos de varios tamaños. Es ideal para trabajar el vidrio Pyrex y el cuarzo. Cuando se hacen fibras de cuarzo, se sostiene el soplete con una grampa a fin de que la llama quede Yertical. El soplete peQueño de la fig. 1 es indispensable para trabajar trozos pequeños de cuarzo; es idéntico al más grande, excepto en el tamaño, y admite los mismos gases, controlados por válvulas de aguja separadas. El latón y el cobre de 1,5 milímetros de diámetro interno son los mejores metales para estos sopletes. J.JOS gases pasan del mezclador al soplete por un tubo de goma de 1,5 milí'IIletros. Es importante que los volúmenes sean pequeños para que ~e produzcan rápidamente las mezclas que llegan al piro. Los picos tieben ser intercambiables, y con agujeros, desde 0,05 hata 0,2 mm de diámetro. Una pequeña modificación en el diseño (ver figura) d~l

185

EL USO DEL CUARZO FUNDIDO

permite que el soplete pueda montarse y mampularse por mediOS mecámcos. Más adelante el lector podrá apreciar la utilidad de este ~uplete dt> tamaño reducido · Cuando hay que medir f1bras, es conveniente un m1eroscop1o copuntas dcz cuavzo so a. 150 .AL

•

·~2015

••

escala en mm

F1g 3 HorqUilla simple para sostener las f1bras mientras se las monta

mún con micrómetro ocular y aumentos desde 300 hasta 1000. Temendo cierta experiencia, se puede calcular el tamaño de las fibras, dentro del 20' al 50 por ciento, por la dispersión de la luz, c..-mento

ttJango~

S tttm vay11Ja redo11aa 1scrn de lay~0

1

lOII

~0~

e""cala ~e:n m m f¡g 4 Horquilla de puntas

unos poco¡, eentímetros y con fibra.., dt> 10 ó, ann, ~O largo. En ""to.., ('a-os. ]a.., fibras Yan montadas rn una horquilla dr do puntal>, .fig. a. El Pxtremo dr cada punta va perforado y lleva un trozo dr cuarzo (;JO p. a 150p.) a•wgnra,lo (•on cpmento dnro. E..,ta.., punta~ dt> e nuzo pt>rmiten cit>rta libt>rtad a la fibra, put>sto qut> '>P eurvan euando rsta sr rstira. Ri los P contraPn amba¡., y ;.ario, t>ntoncrtc., y dP un dt> 1 a 6 voltios. Es práctico tenPr un interruptor de• pedal, pUP'> arnba-. nutno-. pnNlen r-,tar ocuparlas Pll el momento de calrntar.

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Para probar la conduetividad de la.., fibnJ-. dt-> cmtr?n t•on rrve-.timirnto mPtálico (\'Pr fig-. 6) :-,¡• xtrrmo de una varilla metálica tiene muchas aplicaciones. Debe di..,poiH'r"e de vdrw;. mang-os dr estP tipl), para cuarzo y agujas. Cuando !\e trabaja eou objetos pequeños, conviene tener a mano bucela-. de varios tamaños. Se venden en las casas de artículos para joyeros o en las di:' aparatos científicos. Para trabajos muy delicados se recomiendan las bucela.'l de relojero 3C de Dumont

188

EL USO DEL CUARZO FUNDIDO

Fils, Suiza. Para cortar las fibra& SP lLan tijeras pequrñas. Pueden ser tijeras de manicura o las tijeras de di~ección utilizadas en biolo~ía. í::ie hace una muesca en una de las uojas para impedir que la fibra resbale. Cuando las tijrra-. se ~nían nweánieamente. sr puedr cortar bajo el microscopio 0.01 mm fibras hasta de 40 JL· Al manipular fibras deb!:' fijarse su posieión con cierta exactitud. PequPños, trípodes con piPs rPgulables y. también, ~rampas y varillas, fig-. H. sirwn para sostener las horquillas y aguja& utilizadas Pn Pl proceso dP montar las fibras. Es muy difícil sostenl:'r una fibra con la mano y, siempre que sea posible. resulta mejor disponer dP un dispo&itivo mecánico. Pt

l'ig. 11. Spporte para

sos~ener c1

objeto o lijar la posición de la' fibras.

Las fibras muy p('queñas (I p. y mrnor('s) pued('n verse muy bien iluminadas sobre un fondo nP~ro. Lo mrjor es un fondo de tl'rciopelo negro. Si hay que ml'dir en el microscopio el diámetro de una fibra. S(' necesita un fondo claro; iluminada la fibra sobre Pl fondo n~:>gro, produel:' una falsa impr('sióu de tamaño, puesto que no se ve PI contorno rPal dt>l objeto. Si sP desPa rPcubrir Pl cuarzo con una capa mPtálica ronductora, se usa cualquiera de los métodos. conocidos. El más simple, adecuado para fibras hasta dP 20 p. dP diánwtro, coni'IÍ!-.te ('ll utiliza¡· cualquiPra dP los Psmaltes chinos para porcPlana. La mayor parte de los mPtalPs nobles. como Pl platino, PI oro, rl iridio, Ptc., sp obtit>ll('ll de ('Sta manera. El PMnalte se hace disolviPndo saiPs mrtálicas t>n un líquido or~ánico. Los dt>coradore¡.; ü• produzca una llama con silbido, y el pequeño cono, justo sobre el orificio del pico del soplete, ¡o,e acorta hasta que ~u altura sea dos o tres veces su ancho. La porción más caliente de la llama está justo encima de ese pequeño cono. Se funde una varilla de cuarzo y, luego, se separan las partes, de modo que el trozo blando que los una tenga

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11111,1\ es el ángulo de torsión. en radianes, y l es la }()ngünrl de la torsión, y e0mo t>l valor máximo de ésta es alrrdedor de 0,05, se calcula fácilmente la carga máxima que puede soportar la balanza. En la fig. 20 ~e ve una balanza de torsión ~imple. Si todas las uniones se hacen de cuarzo fundido, no puede haber variaciones en el "cero", puesto que rl límite de elasticidad cOoincide con el punto de rotura.

202

EL USO DEL CUARZO FUNDIDO

Otras a.plica.ciones del cuarzo. La varilla y la fibra de cuarzo se usan a mrnudo como transmisores dr la luz visiblr, ultravioleta e infrarroja. Las rPflrximw-; internas mantienen la luz dentro del cuarzo y la conduern por los ángulos., siempr{' qur éstos no sean muy pronunciados. Cuando es importante mantener la forma o la posición. el cuarzo resulta un material valioso. Todos lo" metales varían -.us dimensiones con el tiempo, sobre todo cuando st' somctt'n a tem;iont's. Esta variación disminuyt' con el rt'corido, que consistP t'll someter al metal, alternadamPntP, a tempPraturas superiores e inferiores a la temperatura ambiente. En casos extremos, el tratamiento puede durar días o semanas. El cuarzo fundido y recocido no varía sus dimensiones, puesto que el cambio, en condiciones de tensión, es menor que 10-3 dt'l dE' los metales.

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Actualmentt', el euarzo fundido encuentra nuevas aplicaciones E'n dif¡arentes clases de lámpara;; en que es importante la transmisión de la luz ultravioleta. Por la misma razón se hacen de cuarzo muchas células fotorléetricas. Aunque las m cuerpos están a tierra y 1 tiene un potencial um tano Análogamente, c12 e( op10 ) la e aJa, f t!PIW qur a mediante una fuerza proporciondl al despla.tarniPnto, Pntonce kÉ = y2 b V 2 y la df' rf'•mltar nula en cierto punto dU manuabilidad, ~u manejo fácil, etcétera. Hay qne tener bien prPsPiltP qm' la tPoría Pxpuesta contiene muchas hipótesis que la simplifiean y que el comportamiento verdadero del in-.trumento suele ser a veces Lai>tante dtfPrrnte. Las diferencias principalec,; se deben: 1) a una dependencia más

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com_Plicada de la capacidad entre las partes fija oro cerca de la parte superior, o eon dos hojuelas de oro que se repelen mutuamente. eomo en la fig. ;t 212

ELECTRóMETROS Y ELECTROSCOPIOs

El conductor .se aísla de la caja metálira mediante un manguito de ámbar o de azufre La capacidad será de 3 a 5 cm y el potell Ciai nrcr'>ano para obtrner una drsviación de 4:>" drbe 'lf'r de 300 a 300 voltiO'> 8i ..,r adapta un microscopio o un t~;.>lescopio para observar el desplazamiento dr las hojuelas, se convierte en un ins trumento cuantitativo. qm• re•mlta útil t>n los casos que no es importante una gran sensibilidad a la carga. Al final dt>l capítulo hablaremos del método para el montaje de las hojuelala de oro de la f¡g 4 a) cuelga norma1mente casquet-e de rneral pe"'~ do a la váYI-

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F1g " Electroscopio b¡f¡Jar d-e \\; ult

hacia abajo y 'le la observa por medio de un microscopio con ocular micrométrico. Se aplica a la placa un potencial de unos 200 voltios. La placa es regulable, es decir, se puede mover a lo largo del eje

e T. R, Cam/mdge Pi!ll ~oc P1oc, 12, 135 (1903) G w e' Phys Soc. Proc' 23, 209 (1911) Este mstrumento se hace en la eambndge ScJentiflc Instrument eompany Ltd e ambndge, lr¡glaterra. 3 WILSON

4 KAYE,

21S

ELECTRóMETROS Y ELECTROSCOPIOS

del soporte. La proximidad dP la placa y PI potrncial aplicado en ella prbporciouan ,un control elrctro!';tátieo que tila. En genrral, podemO\o\ citar trP~ ea~o-. Pll nwnto a la -.;rdad "obre una parte drl dr"plazamirnto: caso III, Pll t'l eual PXiHtt' uua rrgión IliPstahle y, ru eonsecurncia, dos "ceros". El cas-o 11 rs rl más útil y si ~r consideran la de:.oviacionPs l:'n las mi"mas rE>giones dE> la
214

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J..olu

'LECTRóMETROS Y ELECTROSCOPIOS

producirá una separación de 3 mm con unos 300 voltios. La capacidad será casi de 1 cm. El plano de movimiento de las fibras debe ser perpendicular al eje óptico del microscopio y el ajuste necesario se hace rotando la pieza asegurada por el tornillo. La sensibilidad del electroS{'opio de Wülf se puede aumentar usando mayor aumento en el mi( roscopio o disminuyendo el diámetro de las fibras. Sin embargo, esto está limitarlo por el hecho de que el potencial colector de iones no debe caer demasiado. según la naturaleza del gas y su presión. Se acostumbra trabajar con un potencial colector no menor de 100 voltios. Por la ecuación 8, la sensibilidad a la carga es

SQ = Sv, e

y si n es el promedio de iones por segundo y por cada centímetro cúbico de gas, entonces,

e di; n = -Sv-• ev dt donde v es el volumen de la cámara de iones y e la carga de los iones. La capacidad e varía con la separación de las fibras. La determinación de e, para diferentes desplazamientos, es igual a la determinación de b en e = c0 be.

+

arco qut>ño electroscopio con fibra dr cuarzo no !,Ó]o rn dosímetroo;; de bolsillo para trabajos de rayo" X, ~ino tambif.n para medir radiacione~ en investigaciones nuclpare-.;. Ru earaetPrí-.;tica sobresalirntl:' es ),U '-implieidad. Se aplana uu Pxt1·rmo dP un alamhrP, r¡nP luego se dobla en ángulo recto. A rsta parte plana se pega con goma laca, o con grafito coloidal, alarnbYc ac mot-al aplasopo ... t;e de .:!rn~a,- \.nado en un