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.

Imagen por R. Steiner/NIST 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 http://www.cenam.mx/publicaciones/gra tuitas/descarga/simposio%202002/doctos/ pl002b.pdf http://casanchi.com/fis/kilogramo01.pdf http://www.latindex.ucr.ac.cr/ing006/ing 006-01.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Balanza_de_ Watt