Download Reloj de sol

REVISTA ARTICULOS GRUPO 12
Universidad Nacional de Colombia
2012
INDICE
ARTÍCULO
INTEGRANTES
1
G12N01
TÍTULO
G12N05
2
3
G12N05
G12N10giovanni
G12N32juandavid
4
5
6
7
8
9
10
El tiempo en el tiempo
El Efecto Hall Patrón de Resistencia
El tiempo en el tiempo
Edward Norberto Bautista Rodríguez
234745
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería Mecánica
Resumen, A lo largo de la historia, la humanidad ha tenido una gran necesidad de medir y conocer el tiempo
en el que se desarrolla, es por eso que se han desarrollado una gran variedad de relojes que serán objeto de
nuestra investigación, incluyendo las influencias de la época, la tecnología, el ambiente y la necesidad.
empezar la medición de otro periodo de tiempo, que
por lo general era de una hora.
Reloj de sol
La forma mas
sencilla de medir
el tiempo es el uso
del sol, pues es
este el regulador
universal
del
paso del tiempo,
sin el viviríamos
algo así como una
noche eterna, sin darnos cuenta del paso de una hora
o un día.
Es por eso que es tal ves la forma mas antigua de
medir el tiempo, se tiene conocimiento de relojes
solares desde 4000 a.C. usados por los chinos,
también los usaban los egipcios y los incas, pero su
uso se atribuye al filosofo Jonio Anaximandro en el
siglo VI a.C.
Clepsidra y reloj de
arena
Este reloj tiene su
fundamento en un objeto
mas antiguo llamado la
clepsidra, que es un reloj
de agua, el cual era
mucho mas útil y preciso que el reloj solar pues no
dependía de un agente externo a él, como es el sol,
consistía en un vaso, en cuya extremidad inferior se
encontraba un tubo angosto por donde goteaba el
agua que caía en otro vaso. Sobre este recipiente,
había una escala graduada y al llenarse, indicaba las
horas transcurridas. La clepsidra, data de los años
3000 a.C. usada por los
egipcios,
pero
perfeccionada
por
griegos y romanos.
El reloj de arena no nada
diferente a una clepsidra
que en lugar de agua
tiene arena, pero cada
que la arena pasa de un
lugar al otro, hay que
girarlo para volver a
Aunque se sabe que su
invención es muy
antigua, la primera
de la que se tiene
conocimiento es
de 1338.
Relojes
mecánicos
Aún no se sabe
quién inventó el
primer Reloj
Mecánico, lo que
se sabe es que los primeros que se han encontrado
son del año 1290. Su mecanismo consiste en un
conjunto de ruedas giratorias accionadas por un peso
colgado de una cuerda.
Pero en 1670 un invento de William Clement
inspirado en las anclas de los buques funcionaba con
el vaivén de un péndulo que mece la ancora de tal
manera que se traba y después se destraba en cada
uno de los dientes de la rueda lo que a su ves permite
un movimiento preciso.
Tan solo cinco años después apareció Hyugens con
otro hallazgo de gran importancia como lo es el
volante con muelle en espiral, este reloj era el más
exacto hasta ese momento, con un error de solo 5
minutos diarios. El reloj de tipo péndulo más
conocido es el llamado Reloj Cucú. [1]
Reloj eléctrico
En 1840 Alexander Bain construyó un reloj
eléctrico accionado por la atracción y repulsión
eléctrica.
Reloj de cristal de
cuarzo
En 1920, Warren
Marrison y J.W.
Horton construyen el
primer
reloj
de
cuarzo en los Bell Telephone Laboratories. Son
relojes que se caracteriza por poseer una pieza
de cuarzo que sirve para generar los impulsos
necesarios a intervalos regulares que permitirán la
medición del tiempo. El cuarzo se talla habitualmente
en forma de lámina y se introduce en un cilindro
metálico. Éste tiene por función la protección del
mineral. Para que vibre el cristal de cuarzo, debe ser
alimentado por un campo eléctrico oscilante generado
por un circuito electrónico. Son relojes muy exactos,
sólo se atrasan o adelantan 3 segundos al año.
Reloj atómico
Los relojes atómicos son actualmente los relojes más
exactos del mundo y se basan en las propiedades
físicas que tienen las fuentes de emisión de cesio. El
primer reloj atómico de cesio fue construido
en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física (NLP),
en
Inglaterra.
Sus
creadores
fueron Louis
Essen y John V.L Parry
Los relojes atómicos establecieron una nueva forma
de medir el tiempo, según este patrón, un segundo se
corresponde con 9.192.631.770 ciclos de la radiación
asociada a la transición hiperfina desde el estado de
reposo del isótopo de cesio-133. La precisión
alcanzada con este tipo de reloj atómico es tan
elevada que admite únicamente un error de un
segundo en 30.000 años, pero el más exacto del
mundo actualmente se encuentra en el NPL de
Londres y tarda 138millones de años en perder un
segundo.
[2]
Reloj nuclear
A pesar de la precisión alcanzada por los relojes
atómicos, los científicos parecen no estar conformes
aun con un error de un segundo cada 138millones de
años y por eso se encuentran trabajando en el
desarrollo de un nuevo reloj, que será conocido como
reloj nuclear, de este se tiene poca información
debido a que aun se encuentra en etapa de diseño.
La precisión extrema de este reloj, es cien veces
superior
a
la
de
los
actuales
relojes
atómicos, proviene del núcleo de un solo ion de torio.
El reloj nuclear podría ser útil para algunas
comunicaciones confidenciales y para el estudio de
teorías fundamentales de la física. Asimismo podría
añadir precisión al sistema de posicionamiento
global, que se sustenta ahora en relojes atómicos.
Los relojes mecánicos emplean un péndulo que
provee las oscilaciones con las que se mide el tiempo.
En los relojes modernos son cristales de cuarzo los
que proveen las oscilaciones de alta frecuencia que
operan como una horquilla de afinación musical en
lugar del antiguo péndulo.
La precisión de los relojes atómicos proviene de las
oscilaciones de los electrones en los átomos
inducidas por rayo láser. Pero a estos electrones
pueden afectarles los campos magnéticos y eléctricos,
y por eso los relojes atómicos a veces sufren una
desviación de unos cuatro segundos a lo largo de la
existencia del universo.
Pero los neutrones son mucho más pesados que los
electrones y están agrupados con más densidad en el
núcleo atómico de manera que son menos
susceptibles a tales trastornos ambientales.
Según el artículo del Instituto Tecnológico de
Georgia, para crear las oscilaciones los
investigadores planifican el uso de un láser que opera
en frecuencias de petaherzios -10 elevado a la 15
potencia, ó 1.000.000.000.000.000 oscilaciones por
segundo- para hacer que el núcleo de un ion de torio
229 pase a un estado de energía más elevado.
Los diseñadores tienen otro problema: para que el
reloj nuclear sea estable hay que mantenerlo a
temperaturas muy bajas de apenas decenas de
microkelvin y para producir y mantener tales
temperaturas habitualmente los físicos usan un
refrigerante del laser, pero en este sistema eso se
presenta como un problema, porque la luz del laser
también se usa para crear las oscilaciones que marcan
el paso del tiempo. [3]
Referencias
[1]
http://www.profesorenlinea.cl/mediosocial/Relo
jHistoria.htm
[2] http://www.wickedmagazine.org/2011/08/el-relojatomico-es-el-mas-preciso-del.html
[3] http://www.elespectador.com/tecnologia/articulo333157-disenan-reloj-nuclear-100-veces-maspreciso-el-atomico-actual
Electricidad y Magnetismo. Profesor Jaime Villalobos, Ph.D.
Artículo Científico
EFECTO HALL PATRÓN DE RESISTENCIA
Nelson Castro
[a]
Juan D. Rodríguez G. [b]
Palabras clave: Voltaje Hall / Campo Magnético /Campo eléctrico / Corriente /Metrología
Resumen
La calidad es el factor principal al momento de aumentar la productividad en cualquier organización, solo es posible llegar a ello
mediante la utilización de la metrología pues sus normas conllevan responsabilidad, reproducibilidad y confiabilidad en los
procesos llevados a cabo. Una de las partes dentro de la metrología es el uso de patrones con trazabilidad internacional. Uno de
estos patrones corresponde a la resistencia el cual hace uso del efecto Hall cuántico para reportar su correspondiente valor, y se
elabora de tal forma que sea posible reproducir en cualquier parte del planeta.
Abstract
Quality is the main factor when increasing productivity in any organization; you can only achieve this through the use of metrology
because its rules include liability, reproducibility and reliability of the processes carried out. A party in metrology is the use of
standards with international traceability. One of these patterns corresponds to the resistance which makes use of the Hall effect for
reporting the corresponding quantum value, and is prepared so that it can play anywhere in the world.
Email: [a] [email protected]
[b]
[email protected]
1. Introducción
Productividad, una palabra que soporta una gran cantidad de
procesos sincronizados y altamente eficientes que se encuentran
enmarcados por la calidad, uno de estos elementos de gran
importancia es la metrología. Se obtiene calidad si las mediciones
que realizan equipos o instrumentos de medición son confiables en la
magnitud que el proceso lo requiera, con un nivel de exactitud y
certeza que solo es otorgada por la calibración de estos elementos,
que además confieren un nivel alto de precisión a cada medida
realizada. Esta calibración no es sino una comparación con patrones
estándar nacionales e internacionales reconocidos, en una cadena
ininterrumpida llamada trazabilidad. Por medio del uso correcto de
la metrología es posible asegurar un cliente satisfecho además de
proteger al consumidor con lo cual se facilita la cooperación
industrial mediante el intercambio de mercancías.
En la metrología el patrón es el pilar de su función, una pieza de estos
patrones corresponde a la resistencia, el cual hace uso del efecto hall
cuántico para reportar valores muy exactos de resistencia que serán
comparados con otros elementos para generar un instrumento o
máquina de medición. El efecto hall en si utiliza los conceptos de
Fuerza de Lorentz, Ley de Coulomb y campos magnéticos además de
aplicaciones como el condensador de placas paralelas y la definición
de corriente como conceptos generales de un fenómeno a escala
normal, sin embargo la real aplicación se encuentra cuando las
temperaturas son muy bajas y los campos magnéticos son muy altos
pues allí en el conductor la energía toma valores discretos, lo cual
hace factible su uso como patrón.
Dentro del campo de la física existen diferentes disciplinas que se
encargan de estudiar fenómenos particulares de la naturaleza con el
fin de dar una explicación científica a estos acontecimientos. Este
artículo incluye conceptos y fundamentos basados en la física de
electricidad y magnetismo, y trabaja términos relacionados con la
metrología en cuanto a la instauración del patrón de resistencia
eléctrica. El tema principal que maneja gira alrededor del fenómeno
físico conocido como “Efecto Hall”, llamado así por Edwin Herbert
Hall quien fundamentó y realizó las demostraciones necesarias
para entender este efecto electromagnético.
Principalmente este artículo pretende dar una breve explicación al
porqué del comportamiento del efecto mencionado anteriormente,
analizando como influyen cada uno de los elementos que actúan en el
proceso total del experimento, con el fin de llegar a relacionar estos
conceptos con las leyes básicas que rigen la electricidad y el
magnetismo. Además, proyecta resaltar la importancia de este
fenómeno en campos como el de la metrología y la vida cotidiana.
2.
Aspectos Generales
2.1 Metrología
Una magnitud física define una característica observable de
un sistema físico. Son magnitudes físicas la longitud, el tiempo, la
masa, la velocidad, la fuerza, el campo eléctrico, etc.
A cada magnitud le corresponde una unidad de medida, de manera de
poder expresar cuantitativamente su valor en una medición o cálculo
referido a un sistema físico. Un sistema de unidades es el conjunto de
unidades asignadas a cada magnitud básica o derivada que se use en
la ciencia o la técnica.
1
Electricidad y Magnetismo. Profesor Jaime Villalobos, Ph.D.
Fig. 1 Efecto Hall en lámina de oro
La normalización internacional de pesos y medidas se halla bajo el
control de la Conferencia General de Pesos y Medidas. Las
conferencias se realizan en la actualidad cada cuatro años. La
Conferencia designa el Comité Internacional de Pesos y Medidas,
formado por 18 miembros de países diferentes, se reúne cada año y
controla la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (Bureau
International des Poids et Mesures - BIPM), que es el organismo
encargado de asegurar la unificación mundial de las mediciones
físicas. El BIPM se creó en 1875 con la adhesión de 17 estados.
Actualmente 55 estados, adhieren al sistema. Debido a la creciente
complejidad de la definición, control y adecuación de los patrones de
medida a los avances científicos, la Conferencia ha creado Comités
Consultivos (nueve, en la actualidad) sobre diferentes aspectos
metrológicos y desde 1965 publica una revista científica propia,
llamada Metrología, además de las publicaciones realizadas por sus
expertos en distintas revistas científicas internacionales y los distintos
informes de sus cuerpos consultivos y laboratorios propios. En 1960
la Conferencia General de Pesos y Medidas adoptó el llamado
Sistema Internacional de Unidades (SI) que fue adoptado luego por
cada país adherente con particularidades propias. El SI tiene
unidades básicas (consideradas por convención dimensionalmente
independientes) y derivadas (que surgen algebraicamente de
combinaciones de las unidades básicas).
La metrología es un conjunto de reglas y normas que permiten
realizar una correcta medida, con herramientas otorgadas por
instituciones como el BIPM y es desde estas instituciones que
comienza la cadena productiva, pues sin la cuantificación no es
posible realizar ninguna tarea empresarial.
La diferencia de potencial es generada entre las caras transversales a
las que está conectada la corriente, y su valor es proporcional a la
relación que existe entre la magnitud de la corriente y el valor del
campo magnético.
Para el año de 1980 físico alemán Klaus von Klitzing descubriría el
efecto Hall cuántico, el cual significó la base para el estándar
internacional de resistencia eléctrica utilizado para categorizar los
materiales conductores de electricidad.
2.3 Relación con la Metrología
Las mediciones confiables suministradas por instrumentos de
medición precisos y exactos traen consigo la calidad de los
productos. Para asegurar el correcto funcionamiento de los equipos y
tener la certeza de que las mediciones efectuadas son exactas, estos
instrumentos deben ser calibrados, es decir, comparados con patrones
nacionales o internacionales reconocidos, en una cadena
ininterrumpida llamada trazabilidad
El patrón de resistencia establecido gracias al experimento de efecto
Hall cuántico, significó un gran paso no sólo para física, sino también
para la metrología, pues generó un manejo óptimo de las mediciones
de resistencia y aseguró un futuro uso apropiado de la tecnología que
permitió resultados más confiables que han venido beneficiando al
cliente y protegiendo al consumidor. De esta manera, facilitó la
cooperación industrial y el intercambio comercial internacional de
mercancías.
2.2 Descubrimiento
Este fenómeno fue observado por primera vez en la universidad
Johns Hopkins en Baltimore U.S.A. en el año de 1879 por el físico
estadounidense Edwin Herbert Hall.
3.
Física del Efecto Hall
En Octubre del año 1879, el físico Edward Herbert Hall observa un
efecto en el cual la aplicación de un campo magnético intenso sobre
una delgada lámina de oro por la que circula una corriente, produce
una diferencia de tensión transversal al flujo de corriente en la
lámina, esta tensión fue conocida como voltaje Hall.
El experimento realizado por Edward Hall, está esquematizado por
un circuito que consta de una fuente de voltaje conectada en serie a
una resistencia y a una fina lámina de oro, como se muestra en la
figura 1.
Fig. 2
Fig. 2. Lámina delgada de un material conductor o semiconductor por
la que fluye una corriente I en dirección x y en la dirección y se
aplica un campo magnético uniforme .
2
Electricidad y Magnetismo. Profesor Jaime Villalobos, Ph.D.
· d representa la distancia entre c y a (figura 3).
Se despeja
de la ecuación 4 y se reemplaza en la ecuación 5
obteniendo:
La densidad de los portadores de carga se obtiene midiendo la
corriente en la muestra y esta expresada como:
Fig. 3
La fuerza magnética está definida como:
En donde A es el área de la sección transversal del conductor, y es
igual a:
Esta fuerza actúa sobre los electrones generando una acumulación de
los mismos en el borde c, con lo cual se genera un campo eléctrico
entre las cargas negativas en c y las positivas en a (remitirse a las
figuras2 y 3).
Cuando se alcanza un equilibrio, los electrones ya no son desviados
hacia arriba, por lo cual el campo eléctrico es constante, permitiendo
medir la diferencia de potencial llamada VOLTAJE HALL
.
Finalmente se reemplaza
en la ecuación 6 para obtener la
expresión completa para el voltaje Hall:
A continuación se presenta la deducción de la expresión del voltaje
Hall:
Fuerza Magnética sobre los
portadores
Fuerza Magnética sobre los
portadores
En donde la expresión:
Representa el coeficiente o la resistencia Hall.
En donde
representa el campo eléctrico de las cargas, B el campo
magnético y q la carga.
Debido a que estas dos fuerzas son iguales se tiene que:
Como el voltaje Hall es igual a:
3.1 Efecto Hall Cuántico
Antes del descubrimiento del Efecto Hall Cuántico (EHC), utilizado
actualmente para reproducir el ohm en los principales laboratorios
nacionales del mundo, el Ohm se mantenía mediante un conjunto de
resistores de 1 Ω, tipo Thomas.
El segundo descubrimiento clave para la metrología cuántica eléctrica
fue el efecto Hall cuántico, observado por primera vez por Klaus von
Klitzing en 1980. Este efecto puede observarse en dispositivos
semiconductores cuando se les aplican campos magnéticos del orden
de 10 Tesla (100.000 veces el campo magnético terrestre) y se enfrían
a temperaturas inferiores a la del Helio líquido (4,2 K). En estas
condiciones experimentales el dispositivo presenta valores
cuantizados de la resistencia Hall. Se ha comprobado, con una
incertidumbre de partes en 1010 que dichos valores de resistencia son
independientes de variables como la corriente de medida, la
temperatura o el tipo de dispositivo.
3
Electricidad y Magnetismo. Profesor Jaime Villalobos, Ph.D.
3.2 Medición del Voltaje Hall
Fig. 4. Medición voltaje Hall
La figura 4 muestra un dispositivo experimental destinado a medir el
voltaje Hall. Sobre una corriente eléctrica opera un imán que produce
un campo magnético (B). La fuerza magnética que se genera (Fm)
desvía las cargas en movimiento hacia uno de los extremos del cable,
lo que implica una polarización en cada uno de los lados de la
lamina. En consecuencia, entre ambos extremos se establece un
campo eléctrico y una correspondiente diferencia de potencial o
voltaje Hall visible, en mayor o menor medida dependiendo del
material y el grosor de la lámina.
4.
5.
REFERENCIAS
[1] Serway A. Raymond, Jewett John W. Física para ciencias e
ingeniería con física moderna. Cengage Learning. Séptima
Edición. Volumen 2. págs. 825-827
[2]
“Efecto
Hall”
[En
Línea].
Disponible
en:
http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/Electro
magnetismo/Electromagnetismo07b.htm.
Consultado:
Junio/2012
[3]
“Efecto
Hall”.
[En
Línea]
Disponible
en:
http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/efectohall.html.
Consultado: Junio /2012.
[3]
“Efecto
Hall”.
[En
Línea]
Disponible
en:
http://www.sabelotodo.org/electrotecnia/efectohall.html.
Consultado: Junio /2012.
[4] “Nuevos patrones eléctricos basados en fenómenos
cuánticos”. Ciencia en Aragón (2005). Disponible:
http://www.aragoninvestiga.org/Nuevos-patrones-electricosbasados-en-fenomenos-cuanticos/.
[5]”CNM-PNE-3, Patrón Nacional de Resistencia Eléctrica en
corriente continua”. Centro nacional de metrología. Disponible:
http://fisica1000017.wikispaces.com/file/view/Patron+Nacional
+de+Resistencia+Electrica+Cenam.pdf
[6]”Laboratorio de metrología”. Icontec internacional.
Disponible: http://www.icontec.org.co/index.php?section=93
Aplicaciones
Por medio de la obtención experimental del Voltaje Hall, se puede
deducir la velocidad de los portadores de carga junto con su
concentración, debido a que cuando se alcanza el estado de
equilibrio, la fuerza eléctrica ejercida sobre cada carga, se nivela con
la fuerza magnética (ecuación 4). Con esto se comprueba la relación
de proporcionalidad directa que existe entre la corriente eléctrica y el
campo magnético con el voltaje Hall y la relación de
proporcionalidad inversa entre el voltaje Hall y el número de
portadores por unidad de volumen. Consecuentemente, un sensor de
efecto Hall puede determinar la fuerza que realiza un campo
magnético, conociendo la corriente aplicada y vicevers
Si la fuerza del campo magnético y la corriente son conocidas, el
sensor Hall se puede utilizar como detector de metales o como
detector de componentes magnéticos en general. Este tipo de sensores
se encuentran en circuitos integrados ubicados en impresoras láser,
disqueteras de ordenador, en motores de corriente continua, etc.
Una aplicación interesante del efecto Hall es la posibilidad de
determinar la concentración de iones en la sangre, al igual que la
velocidad de circulación del flujo sanguíneo. Si se aplica un campo
magnético transversal a la corriente sanguínea que fluye por una
arteria, el voltaje Hall generado depende de esa velocidad y teniendo
esa, es posible determinar la concentración de los iones.
4
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formato es decir EN BLANCO al final