Una campana de cristal es un frasco de vidrio , de forma similar a una campana (es decir, en su forma más conocida está abierta en la parte inferior, mientras que su parte superior y los lados juntos son una sola pieza), y puede fabricarse a partir de una variedad de materiales (que van desde el vidrio hasta diferentes tipos de metales). Las campanas de cristal se utilizan a menudo en laboratorios para formar y contener un vacío . Es un aparato científico común utilizado en experimentos. [1] Las campanas de cristal tienen una capacidad limitada para crear vacíos fuertes; las cámaras de vacío están disponibles cuando se necesita un mayor rendimiento. Se han utilizado para demostrar el efecto del vacío en la propagación del sonido.
Además de sus aplicaciones científicas, las campanas de cristal también pueden servir como vitrinas o cubiertas transparentes contra el polvo. En estas situaciones, la campana de cristal no suele colocarse al vacío.
Se coloca una campana de vacío sobre una base que se ventila a través de un accesorio de manguera, que se puede conectar a través de una manguera a una bomba de vacío . Se crea vacío bombeando el aire fuera de la campana.
El borde inferior de una campana de vacío forma un reborde de vidrio pesado, pulido en la parte inferior para un mejor contacto. La base de la campana es igualmente pesada y aplanada. Generalmente se aplica una capa de grasa de vacío entre ellos. A medida que se forma el vacío en el interior, crea una fuerza de compresión considerable, por lo que no es necesario apretar el sello. Por esta razón, una campana de vacío no se puede utilizar para contener presiones superiores a la atmosférica, solo inferiores.
Las campanas de cristal se utilizan generalmente para demostraciones en el aula o por aficionados, cuando solo se requiere un vacío de calidad relativamente baja. La investigación de vanguardia realizada a ultra alto vacío requiere una cámara de vacío más sofisticada . Sin embargo, se pueden realizar varias pruebas en una cámara de campana de cristal que tenga una bomba eficaz y una tasa de fuga baja.
Algunos de los primeros experimentos científicos que utilizaron una campana de cristal para proporcionar vacío fueron reportados por Robert Boyle . [2] En su libro, New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air, and its Effects, (Made, for the Most Part, in a New Pneumatical Engine), describió 43 experimentos separados, algunos de los cuales fueron llevados a cabo con Robert Hooke , investigando el efecto de reducir la presión del aire dentro de la campana de cristal sobre los objetos contenidos dentro. [3]
Uno de los experimentos más conocidos consistía en colocar una campana dentro de un frasco y observar que, al extraer el aire, el sonido desaparecía. Este experimento demostró que la propagación del sonido está mediada por el aire y que, en ausencia de aire , las ondas sonoras no pueden viajar. Este experimento se utiliza a menudo como experimento de ciencias en el aula , donde se repite con un objeto, como un despertador, colocado debajo de una campana y se utiliza el ruido del despertador que se desvanece a medida que se extrae el aire para demostrar el efecto. [4] Si además se coloca un micrófono dentro de la campana y se observa que el sonido detectado por el micrófono se reduce a medida que se extrae el aire, se puede excluir el efecto de la absorción del sonido por el vidrio del propio frasco. [5]
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Otro experimento común con una campana de cristal consiste en colocar la jarra sobre una vela encendida y observar que la llama se apaga, lo que demuestra que se necesita oxígeno para la combustión . [6] Una variación común de este experimento es colocar la vela y la campana de cristal sobre agua y observar que cuando la vela se apaga, el nivel del agua aumenta dentro de la campana de cristal. La explicación de esta observación es que el calentamiento del aire dentro de la jarra por las velas hace que se expanda y, cuando la vela ha agotado el suministro de oxígeno y se apaga, el aire se enfriará y se contraerá, lo que hará que el agua suba para llenar el espacio. Un error común es pensar que el nivel del agua aumenta para reemplazar el oxígeno consumido, pero dado que la reacción de combustión produce gas de dióxido de carbono como producto, esta explicación no es correcta. [7]
Joseph Priestley también utilizó una vela y una planta de menta colocada debajo de una campana de cristal en un experimento publicado en Experimentos y observaciones sobre diferentes tipos de aire para demostrar el efecto de la fotosíntesis . Inicialmente se encendió la vela y luego se colocó la campana de cristal sobre los dos elementos y, una vez que la vela consumió el oxígeno, la llama se extinguió. Sin embargo, la vela pudo volver a encenderse varios días después, lo que demostró que la planta había producido el oxígeno necesario. [8]
Priestley también llevó a cabo experimentos con plantas y ratones bajo una campana de cristal. Descubrió que, si bien un ratón que se mantenía solo dentro de una campana de cristal acababa muriendo, si se colocaba también una planta dentro del frasco, el ratón sobrevivía.
Boyle también estudió el efecto de quitar el aire de las campanas de cristal que contenían una serie de animales diferentes, incluidos insectos, ratones, pájaros y peces, y observó cómo reaccionaban cuando se les quitaba el aire. [2] [9] [10] En el "Experimento 40", de Nuevos experimentos físico-mecánicos, tocando el resorte del aire y sus efectos (realizados, en su mayor parte, en un nuevo motor neumático), probó la capacidad de los insectos para volar bajo una presión de aire reducida, mientras que en el "Experimento 41", demostró la dependencia de las criaturas vivientes del aire para su supervivencia.
La pintura al óleo Un experimento con un pájaro en una bomba de aire representa a un filósofo natural repitiendo un experimento similar al de Boyle con un pájaro dentro de una campana de cristal.
El vacío produce una diferencia de presión de una atmósfera, aproximadamente 14 psi, sobre la superficie del vidrio. La energía contenida en una implosión se define por la diferencia de presión y el volumen evacuado. Los volúmenes de los matraces pueden cambiar en órdenes de magnitud entre experimentos. Siempre que se trabaje con matraces de un litro o más, los químicos deben considerar la posibilidad de utilizar una pantalla de seguridad o la hoja de una campana de flujo para protegerlos de los fragmentos de vidrio, en caso de que se produzca una implosión. Los recipientes de vidrio también se pueden envolver con espirales de cinta para atrapar los fragmentos, o con una malla de tejido que se ve más comúnmente en los cilindros de buceo .
El vidrio sometido a vacío se vuelve más sensible a las astillas y los arañazos en su superficie, ya que estos forman acumuladores de tensión , por lo que es mejor evitar el vidrio más antiguo, si es posible. Los impactos en el vidrio y las tensiones inducidas térmicamente también son preocupaciones en condiciones de vacío. Los matraces de fondo redondo distribuyen mejor la tensión a lo largo de sus superficies y, por lo tanto, son más seguros cuando se trabaja al vacío.
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En la época victoriana, se utilizaban habitualmente campanas de cristal puramente decorativas para exhibir y servir como cubiertas transparentes contra el polvo y vitrinas para una amplia variedad de artículos, incluidos relojes, taxidermia , conchas y flores y frutas de cera. [11] [12] [13] Las campanas de cristal decorativas estaban hechas de vidrio fino, se prestaba más atención a su claridad óptica y no tenían una brida de base engrosada. Por este motivo, no son aptas para su uso al vacío y, por lo general, fallarían si se bombearan hacia abajo.
Se utilizaron cúpulas de vidrio similares como cúpulas de queso, campanas para tartas o campanas de jardín .