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BALANZA DE WATT
Angie Ortiz Torres
Programa Ingeniería Química
Fundamentos de Mecánica.
Bogotá D.C. Marzo 07 de 2017
INTRODUCCIÓN
De las siete unidades del sistema internacional de unidades
(SI), introducido en 1960, la unidad de la masa, el
kilogramo, es hoy la única unidad representada por una
medida materializada, el kilogramo internacional. consiste
de una aleación de platino-iridio. El patrón primario del
kilogramo se mantiene actualmente en la oficina
internacional de pesas y medidas, BIPM, cerca de parís.
Aunque el cilindro se guarda en una bóveda especial,
bajo condiciones controladas, su masa puede variar
ligeramente con el paso del tiempo y cambiar debido a
la contaminación, a la pérdida de material originada en
la limpieza de su superficie u otros efectos. Al
contrario una propiedad de la naturaleza, es, por
definición, siempre la misma y puede, en teoría, ser
medida en cualquier parte.
En la siguiente gráfica podemos apreciar la importancia de definir el
kilogramo de una forma “no material”, pues a través de los años se
han creado muchas discrepancias entre los estándares.
Modificaciones de masa de diferentes prototipos del kilogramo en relación con el
kilogramo internacional de acuerdo con las mediciones comparativas internacionales de
1950 y 1990.
Para comprobar esto, es preciso elaborar métodos
independientes que permitan relacionar la unidad de la
masa a una constante. con éste fin se están
investigando en la actualidad cuatro planeamientos
experimentales en diferentes institutos nacionales de
metrología. uno de ellos es “la balanza de watt”.
La Balanza de Watt es un instrumento que mide de manera
electromagnética y experimentalmente el peso de un objeto de
prueba. Su medición es muy precisa, debido al uso de las fuerzas
de la corriente y el voltaje eléctrico. Esta siendo desarrollada como
un instrumento metrológico, para que algún día pueda proveer una
nueva definición para el kilogramo, la unidad de la masa y la única
unidad del sistema SI que todavía se encuentra materializada.
Con este experimento, se podría definir el kilogramo en términos
invariantes de los fenómenos electromagnéticos. el nombre
balanza de watt viene del hecho de que en el experimento, la masa
del objeto de prueba resulta ser proporcional al producto de la
corriente y el voltaje, que se mide en amperios por voltios, ó, lo
que es lo mismo, en watts.
En el experimento de la balanza del watt se compara el peso
causado por una masa con una fuerza electromagnética (fuerza de
Lorentz). Si las magnitudes eléctricas se miden mediante el efecto
de Josephson o el efecto hall cuántico, la unidad del kilogramo
queda en términos de la constante de Planck h.
Este experimento, propuesto por Bryan Kibble en
1976, está siendo investigado por tres institutos:
- El National Physical Laboratory (NPL) en Inglaterra.
- El National Institute of Standards and Technology
(NIST) en estados unidos de américa.
- El eidgenössisches amt für messwesen
(EAM/OFMET) de suiza.
El experimento consiste en dos fases:
En la primera fase (force mode) la fuerza atrayente entre dos
bobinas por las que circula una corriente i es compensada por un
peso, por lo tanto:
(1)
m · g = -i · (d φ/dz),
donde φ representa el flujo magnético ocasionado por las dos
bobinas. En la segunda fase (velocity mode) se desplaza una
bobina con una velocidad constante v contra la otra bobina, por la
que circula la misma corriente. se mide la tensión inducida, para la
que es válida la siguiente ecuación según la ley de inducción:
(2)
u = -(d φ /dt) = -(d φ /dz) · (dz/dt).
Las ecuaciones (1) y (2) conducen a la relación:
(3)
m·g·v=u·i
donde 1watt = 1 kg · m^2 · s^-3 .
Si las magnitudes del lado derecho de la última ecuación, a
saber, la corriente y la tensión, se miden usando el efecto
Josephson y el efecto hall cuántico, quedando relacionadas con
las constantes Josephson y Von Klitzing, se puede modificar la
ecuación (3) de la siguiente manera:
(4)
m · g · v = h · kj-90 ^2 · rk-90 · u · i
donde kj-90 y rk-90 son los valores para las constantes
Josephson y Von Klitzing respectivamente, determinados en
1990, para la representación del volt y el ohm, u e i están dados
en estas unidades.
En el NIST el experimento de la balanza watt, una masa de
prueba de un kilogramo se coloca en el plato de una balanza
que está conectada a una bobina de cobre, la cual envuelve a un
electroimán superconductor. Si se envía corriente eléctrica a
través de la bobina, entonces, como en un motor eléctrico, se
producen fuerzas electromagnéticas para igualar el peso de la
masa de prueba, el dispositivo mide esta corriente y fuerza, la
bobina también se puede mover verticalmente, e igual que en
un generador eléctrico, esto induce un voltaje. La velocidad y el
voltaje de la bobina se miden también, estas cuatros medidas
determinan la relación entre la potencia mecánica y eléctrica, la
cual puede ser combinada con otras propiedades fundamentales
de la naturaleza para así redefinir al kilogramo.
En 1998 el grupo NIST reportó la determinación de h usando el experimento
descrito, con una incertidumbre relativa de 8.7 x 10^-8
Imagen por R. Steiner/NIST
Se esperan los primeros resultados con datos cuantitativos de la
incertidumbre para este, después de concluir las modificaciones de la
estructura del experimento, se espera contar con más resultados del
experimento de la balanza de watt llevado a cabo en el NPL así como del
experimento del EAM/OFMET, cuya estructura muestra algunas diferencias
en comparación con las primeras dos. Se espera que estos resultados
permitan un pronóstico sobre la posibilidad de una nueva definición del
kilogramo basada en los experimentos descritos anteriormente. Para ello
probablemente se asignaría un valor fijo a la constante de Planck (igual que
en el caso de la velocidad de la luz) y el kilogramo sería relacionado a este
valor numérico conforme a la ecuación (4).
DOS NUEVAS DEFINICIONES POSIBLES DE KILOGRAMO
APARECEN:
“Un kilogramo es la masa en reposo de un cuerpo, la que al
comparar la potencia mecánica y eléctrica da por resultado un
valor de 6,626 068 91 x 10^-34 js para la constante de Planck
h”.
“Un kilogramo es la masa en reposo de un cuerpo cuya
energía corresponde a un conjunto de fotones, cuyas
frecuencias suman 135 639 277 x 10^42 hz”.
BIBLIOGRAFÍA
1. HTTP://WWW.CENAM.MX/PUBLICACIONES/GRA
TUITAS/DESCARGA/SIMPOSIO%202002/DOCTOS/
PL002B.PDF
2. HTTP://CASANCHI.COM/FIS/KILOGRAMO01.PDF
3. HTTP://WWW.LATINDEX.UCR.AC.CR/ING006/ING
006-01.PDF
4. HTTP://ES.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/BALANZA_DE_
WATT