¿Por qué se genera electricidad con un imán y un cable?

Os traigo un video de un canal de YouTube que me encanta (ExpCaseros):



Ahora bien, ¿por qué? 


Lo que ha ocurrido es un fenómeno que se llama inducción magnética, un proceso por el que un campo magnético (en este caso el imán) genera un campo eléctrico, que es el que enciende el LED.


 El imán genera un campo magnético cuyas líneas de campo tienen esta forma:

Cuando esas líneas de campo atraviesan un conductor (un metal, por ejemplo) no pasa nada. Algumos metales (hierro principalmente, pero también níquel y cobalto) pueden sentirse atraídos al imán por su ferromagnetismo, pero pongamos que el conductor es de cobre (como es el caso del vídeo) o aluminio.


La cosa cambia cuando esas líneas de campo se mueven, es decir, cuando el imán se encuentra en movimiento. Entonces se genera un campo eléctrico. Ese campo eléctrico será directamente proporcional al flujo del campo magnético (Φ), que no es más que el número de línea de campo que pasa por el conductor por unidad de tiempo  (está claro que, si el imán no se mueve, el Φ = 0, luego no se generará campo eléctrico).


Si el conductor tiene forma de aro, lo que pasa es esto:

Cuando entra el imán, las líneas entran generando corriente de un signo, y cuando sale el imán, las líneas entrán generando corriente del signo contrario. Por esto, la electricidad generada por inducción magnética es de corriente alterna [La Guerra de las Corrientes: Edison (cc) vs Tesla (ca)].



Esto es lo que se usa en las centrales térmicas, solares, eólicas, nucleares, geotérmicas, de biomasa, hidráulicas, mareomotrices ... para generar electricidad. Mover un imán aprovechando vapor, viento o corriente de agua a través de un conductor.  




 
Comentar que, de la misma manera que se puede crear electricidad con un imán, también se puede crear un imán con electricidad. Un cable bien enrrollado en una barra, por el que circula corriente, convierta la barra en imán. Es lo que se conoce como electroimán.

Cuántica (VI): La partícula prisionera

Matemáticas = Cuántica. Pero no Matemática de Ruffini y "un día vi una vaca sin rabo vestida de uniforme". Matemáticas con mayúscula. Tanto, que muchos cálculos no se pueden hacer sin ordenador.


Para facilitar la cosas, se usan modelos. Situaciones que no se dan, pero son parecidas a otras que sí se dan. En este post vamos a ver el modelo más sencillo, el de la partícula en una caja.




Imaginemos una partícula encerrada en una caja de longitud L. Fuera, ponemos mucho potencial (infinito) para que no escape. La partícula se mueve en una única dirección. Con todas esas consideraciones, obtenemos:

Tanto la función de onda como la energía tienen fórmulas muy sencillas (en comparación con la que tendríamos en realidad). 


Vamos a calcular la longitud de onda y la energía de una partícula con este modelo. También vamos a aprender a usar WolframAlpha para representar la función de onda y la de probabilidad, y vamos a comentarlas.




NOTA: en todo momento usaremos un modelo unidimensional (solo se mueve en el eje x). Se puede usar un modelo bidimensional y tridimensional, pero para la finalidad de este post, nos quedaremos en una dimensión.

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Tenemos una partícula encerrada en una caja de longitud 10 m y en el nivel de energía 3. Si la masa es de 4 Kg, calcula un función de onda y su energía:

Ψ =  √(2/10) · sin (3πx/10) = 0'447 · sin(0'9425x)

E = (h·h·3·3) / (8· 4 · 10 · 10) ¨= 1'2325 ×10 ^-69 J

h = constante de Planck = 6'63 ×10 ^-34



Podemos representar la función de onda con WolframAlpha. Para ello solo cambiamos las comas de los decimales por puntos (anglosajones), y le damos al =. O sea, podemos "0.447 · sin(0.9425x)". Obtenemos:

 

Pero ojo, hemos dicho que nuestra partícula está encerrada en una caja de longitud 10, luego nos interesa solo la función de onda entre x = 0 y x = 10. Si introducimos en WolframAlpha "0.447 · sin (0.9425x), x = 0, x = 10", obtenemos:

Esta función me describe el movimiento de la partícula encerrada. En el ejemplo que hemos hecho, hemos usado una partícula con una masa de 4 Kg, o sea, de Cuántica nada. Podemos verlo en la energía, del orden de -69, ínfima casi.


¿Qué pasa si queremos calcular probabilidades (que como hemos dicho, es como vamos a trabajar en Cuántica)? Tal y como vimos en el post anterior, solo debemos elevar al cuadrado la función de ondas. Escribimos en WolframAlpha "(0.447 · sin (0.9425x))^2, x = 0, x = 10", le damos a "Use as referring to math instead" y obtenemos:

Donde se hace 0 es donde seguro que no está la partícula. Esas distancias son aproximadamente:


x = 0 (cero tercios de la longitud de la caja)
x = 3'4 (realmente 3'33, un tercio de la longitud de la caja)
x = 6'6 (realmente 6'66, dos tercios de la longitud de la caja)
x =10 (tres tercios de la longitud de la caja)


Donde hay un máximo, es donde hay más probabilidad de encontrar a la partícula. Esas distancias son:


x =1'75 (realmente 1'66, un sexto de la longitud de la caja)
x =5 (tres sextos de la longitud de la caja)
x = 8'25 (realmente 8'33, cinco sextos de la longitud de la caja)


Otro detalle en el que fijarse. La función de probabilidad es simétrica: la probabilidad de encontrar a la partícula en una mitad de la caja es la misma que la de encontrarla en la otra. Matemáticamente:


P (x < 5) = P (x > 5)


Si la partícula seguro que está en la caja, P (0 < x < 10) = 1, luego la probabilidad de encontrar a la partícula en el lado izquierdo de la caja (x<5) es 0'5 (50 %).

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Dejemos el ejercicio para ver algo más general. Esta ilustración compara energía y función de onda de partículas en una misma caja pero en distintos niveles de energía.


Vemos que la función de onda de la partícula de n=3, es idéntica a la que hemos calculado en el ejercicio. Y vemos que si n=1 "sube y baja" 1 vez, si n=2 "sube y baja" 2 veces, si n=3 "sube y baja" 3 veces ...


La diferencia de energía entre niveles aumenta, es decir, las ondas roja y azul están menos separadas que las ondas verde y roja, y estas menos separadas que las ondas negra y verde. O sea, a niveles de energía mayores, más separados estan.


¿ESTO PARA QUÉ SIRVE?


Este modelo es muy útil para empezar en Cuántica. Cálculos sencillos y donde se pueden aplicar conceptos importantes. 


Además de la utilidad pedagógica, sirve como aproximación a un modelo real, el de alquenos conjugados.

Los alquenos son moléculas con un enlace doble entre carbonos (-C=C-). Los que tiene dos (dienos) pueden ser:


ALENOS:-C=C=C-
CONJUGADOS: -C=C-C=C-
AISLADOS: -C=C-C-C-C-C-C=C-


Los conjugados tienen un interés especial. Como entre dobles enlaces hay un enlace simple (si hubiera más sería aislado, si no hubiera ninguno sería aleno), los carbonos redistribuyen sus electrones para que esos no están tan localizados sobre los alquenos. A esto se le llama resonancia, y no vamos a darle más importancia (aunque realmente la tiene, permite predecir productos de reacciones y explicar la especial estabilidad de estos alquenos):

  






Cada flecha representa dos electrones, luego tenemos cuatro electrones que en la primera forma se desplaza hacia la derecha y en la segunda hacia la izquierda. Y salir no pueden salir de ahí (a no ser que reaccione, entonces podrían salir). ¿No le vemos algo de parecido al modelo de partícula en una caja?
 

Salto de nivel el que hemos dado en este post. El objetivo era introducir unos cálculos cuánticos sencillos, aprender a interpretarlos y usar herramientas informáticas, algo fundamental en Cuántica. En el próximo post, menos cálculos, prometido.

 

Cuántica (V): Nos ponemos serios

Una función de onda es, eso, una función que me indica el movimiento que sigue una onda a medida que pasa el tiempo. Se representa como Ψ. Por ejemplo:  

            Ψ = senx                                                                               Ψ = cosx

 










Pero no todas son tan sencillas como esta, más quisieras. Por ejemplo, la del átomo de hidrógeno (el más sencillo de todos los átomos):

Imaginemos que tenemos una partícula que sigue una función de onda de Ψ, y se encuentra "encerrada" en una caja que mide L . ¿Cuál es la probabilidad de encontrar la partícula entre "a" y "b"? Pues se define como:

P (a ≤ x  ≤ b) = [∫Ψ·Ψ· dx] entre x=b y x=a


Eso es lo mismo que decir que esa probabilidad es el área de la región comprendida entre la función de onda al cuadrado, Ψ·Ψ, y el intervalo [a,b], o sea, el valor del área de la región amarilla.


Bueno, ¿y la probabilidad de encontrar a la partícula entre 0 y L? Pues si la partícula se encuentra encerrada en una caja, la probabilidad de encontrar a la partícula dentro de la caja debe ser 1 (el 100 %). Pero no siempre es así. 


Siempre que nos dan una función de onda, debemos ver si se cumple esto; y si no, debemos normalizarla. No es más que multiplicarla por un número (constante de normalización) que haga que la probabilidad de encontrar a la partícula dentro de la caja sea 1 (y no 2'5 o 0'33, lo cual sería un sinsentido). 


La ecuación de Schrödinger (sí, el del gato zombie) nos dice que:

H, es el hamiltoniano, un operador que nos da la energía total del sistema

E, es la energía del estado cuántico que estudiemos



No caigamos en quitar Ψ por estar multiplicando a ambos lados y decir H = E. No es una ecuación, es un problema de autovalores y autovectores, Matemáticas del nivel de primero de carrera, y que solo vamos a nombrar.

Recopilemos:

La función de onda describe ondas
Debe estar normalizada
La función de onda al cuadrado está relacionada con la probabilidad


La búsqueda de esas Ψ es algo muy complicado. Para simplificar el asunto, usamos modelos cuánticos. Algunos de ellos serán estudiados a partir del próximo post. Despedimos el post con un meme del amigo Schrödinger.


 

Cuántica (IV): Ondas

Una onda es una propagación de energía provocada por una perturbación. Por ejemplo, cuando tiramos una piedra a un lago, provocamos una perturbación en el agua, y se genera unas ondas que tienen una determinada energía.

El espectro electromagnético es el conjunto de las diferentes ondas electromagnéticas existentes. La diferencia entre las distintas ondas electromagnéticas es la longitud de onda (λ): hay ondas muy pequeñas y muy grandes. También la frecuencia de onda (v), que es el número de veces que la onda sube y baja en 1 segundo. La relación entre longitud y frecuencia es:



c = λ · v; siendo c = 300000000 m/s, la velocidad de la luz en el vacío


Si tenemos mucha λ, obligatoriamente v debe bajar (para que su producto sea c, que es una constante). O sea, λ y v son inversamente proporcionales (si sube una, baja la otra). 

Podemos ver como hay ondas muy grandes y otras muy pequeñas: las de radio miden 100 m, los rayos X miden 0'0000000001 m.

El espectro visible son las ondas que podemos ver (los colores). Como vemos, es una parte muy pequeña del espectro electromagnético.





Pensemos, ¿qué ondas serán más energéticas: las de radio o los rayos X? 
Calculemos la frecuencia:


v (radio) = c/λ =  3000000 Hz (o 1/s)
v (RX) = 3000000000000000000 Hz


O sea, en 1 segundo, la de radio sube y baja 3000000 veces, y la de RX, 1000000000000 veces más. A más veces suba y baje una onda en 1 s (a más v, luego, menos λ), más energía. Concretamente:


E = h · v, siendo h la constante de Planck: 6'63 ×10 ^-34

E (radio) = : 1'99 ×10 ^-27 J
E (RX) = : 1'99 ×10 ^-15 J
E(RX) > E(radio)



Recopilemos:




A más λ, menos v y menos energía; o sea, ondas grandes tienen poca energía
A menos λ, más v y más energía; o sea, ondas pequeñas tienen mucha energía

Cuántica (III): La duda siempre en mente

El Principio de Incertidumbre de Heissenberg nos dice que: 

 ħ = h/2π = 1'05 × 10 ^-34




En otras palabras, Heissenberg nos da a escoger entre saber muy bien cual es la posición (o sea, poco Δx, error de posición) y desconocer la velocidad (mucho Δv); o conocer muy bien la velocidad y desconocer la posición. Dos pregunta que quizás te hayan surgido:


1º ¿De donde sale v? "p" es el momento, que se define como m·v. La masa es una constante, luego lo que realmente varía (y donde cometemos más error) es en la posición. Luego el Principio de Incertidumbre se podría expresar como:


m · (Δx · Δv)  ≥ 1'05 × 10 ^-34


2º ¿Por qué solo se puede conocer bien una cosa? El producto de los errores es una constante. Luego si soy muy preciso en la posición, hago Δx muy pequeño, obligatoriamente Δv debe aumentar (para que el producto de ambos sea constante). Lo mismo si quiero ser muy preciso en la velocidad.


Este Principio se puede aplicar a todo (como hemos dicho, la Cuántica se puede aplicar a todo). Pero vamos a ver que en unos casos es importante, y en otros se puede despreciar.


Por ejemplo, imagina que un GPS me permite localizar un coche de 1500 Kg con una precisión de 5 m. ¿Cuál es la precisión que me puedo permitir en la velocidad?


Δv ≥ ħ / (m · Δx)
Δv ≥   7 × 10 ^-39 m/s


Como vemos, el error de la velocidad es muy pequeño, tan pequeño que ni lo notamos.

Ahora pongamos como ejemplo un electrón (m= 9'11 × 10 ^-31), cuya posición podemos conocerla con una precisión de 0'0000001 m. ¿Cuál es la precisión que me puedo permitir en la velocidad?


Δv ≥ 576'29 m/s


PODEMOS CONOCER LA VELOCIDAD DE CUALQUIER CUERPO CON UNA PRECISIÓN DE 0'005 m/s. ¿CON QUÉ PRECISIÓN PODEMOS CONOCER LA LOCALIZACIÓN DE UNA PELOTA DE 1 Kg Y DE UN PROTÓN (m = 1'67 × 10 ^-27Kg)? [SOLUCIÓN EN COMENTARIOS]


El error en la velocidad es muy grande, tanto, que no puedo conocer la velocidad.


Recopilemos:


En Cuántica solo podemos conocer bien la posición o la velocidad, pero no las dos


En Mecánica Cuántica debemos tener siempre la duda en mente (sin saber los dos datos, posición y velocidad, bien, no podemos saber la trayectoria). Vamos a trabajar en todo momento con probabilidades, algo que supuso un "shock" para los físicos más ortodoxos que no concebían una Física de incertidumbres. Para la historia queda la frase de Einstein criticando la Mecánica Cuántica:

"Dios no juega a los dados"

Cuántica (II): La frontera

En la Física podemos distinguir dos grandes ramas: la Clásica (todo lo que se hizo antes del siglo XX, desde Arquímedes y Maxwell, pasando por Newton) y la Moderna (todo lo que se hizo en el siglo XX y lo que se está haciendo hoy en día). En la Física moderna se incluye la Cuántica (que ya hemos visto que surgió para explicar problemas como el del cuerpo negro) y la Relativista (que mezcla la mecánica con el electromagnetismo).


La Mecánica Cuántica se aplica a cosas pequeñas y que se mueven muy rápido. Aunque realmente es aplicable a cualquier cosa: desde un electrón a un Airbus 380. 


El Principio de De Broglie nos dice que cualquier cosa que tenga un momento (p = m·v, o sea, cualquier cosa con masa que se mueva), tiene una longitud de onda asociada. Para calcularla, usamos esta fórmula:

h es la constante de Planck: 6'63 ×10 ^-34 



 
Vamos a calcular la longitud de onda asociada al electrón y la Airbus 380:


<sup>ELECTRÓN

masa del electrón = 9'11×10−31 Kg
velocidad del electrón = velocidad de la luz = 300000000 m/s
λ =</sup> 2'42×10⁻¹² 

 
<sup>AIRBUS 380

masa del avión: 527000 Kg
velocidad del avión = 1050 Km/h = 291'67 m/s
λ =</sup>  4'3×10⁻⁴²



CALCULAR LA LONGITUD DE ONDA DE UNA PERSONA DE 75 Kg ANDANDO A 4 Km/h (= 1'11 m/s). [SOLUCIÓN EN COMENTARIOS]


Si bien la longitud de onda asociada al electrón parece pequeña, no se trata en absoluto de una onda pequeña. Luego al electrón se le puede aplicar la Mecánica Cuántica. Sin embargo, la longitud de onda del Airbus es muy pequeña, tan pequeña, que si no aplicamos la Mecánica Cuántica, no vamos a notar ninguna diferencia.
 

Recopilemos:


Todo lo que se mueve y tiene masa tiene una onda asociada
Solo para cuerpos muy pequeños y muy rápidos, esa onda es importante

 
O sea, para el mundo en el que nos movemos, la longitud de onda asociada a los cuerpos es muy pequeña, y le podríamos decir a la Mecánica Cuántica ...

Cuántica (I): ¿Para qué complicarse?

Comenzamos una colección de post dedicada a esa parte de la Física llamada Mecánica Cuántica. Pretendo tratar algunos conceptos básicos, intentando renunciar lo máximo que sea posible a las Matemáticas (que me atravería a decir que son el 90 % de la Cuántica). Comenzamos ...


A finales del siglo XIX, los físicos creían que se estaba acercando el final de la Física: ya no había preguntas que responder. Solo quedaban algunos interrogantes, que pronto se responderían, y tendrían que dedicarse a otra cosa. 


Uno de esos interrogantes era la radiación del cuerpo negro. Se trata de un objeto ideal que absorbe toda la radiación electromagnética (luz y calor) que recibe, y no deja escapar nada. Si bien no se puede construir un cuerpo negro (es algo teórico), sí podemos acercarnos mucho haciendo el montaje que se muestra a la derecha.

Si lo calentamos, como todo cuerpo que se calienta, empieza a emitir radiación electromagnética. Representando la intensidad frente a la longitud de onda, obtenemos esta gráfica.



Imaginemos un trozo de hierro, que lo empezamos a calentar. Empieza a emitir radiación electromagnética. Primero, infrarrojos (IR), que no podemos ver, pero sí sentir (el calor). A partir de 1600 ºC, emitirá luz roja-naranja-amarilla (un color no es más que una onda de un determinado tamaño). Si seguimos calentando mucho más, entre 8000 y 9000 ºC, emitirá luz azul. Si nos fijamos, estamos yendo hacia la derecha del espectro electromagnético, estamos yendo hacia las ondas más cortas (que son las más energéticas). 



Usando todo lo que se sabía de Física, Rayleigh y Jeans llegaron a esta fórmula:

2·c·k son constantes
T es la temperatura en kelvin
λ es la longitud de onda en metros


Vamos a representarla y a compararla con el resultado experimental (el verdadero, recordemos que la teoría debe adaptarse a la práctica).


No se parecen en nada. Esto supuso un duro golpe para los físicos de la época: todo lo que sabían no valía para la región ultravioleta (y a penas para el espectro visible). Por ello, se le llamó "catástrofe ultravioleta".


Max Planck, al igual que muchísimos otros físicos, se centraron en encontrar una solución al problema del cuerpo negro válida para todo el espectro electromagnético. Frustado, supuso que la energía solo podía tomar determinados valores, como si se transmitiera en forma de paquetes muy pequeños (llamados cuantos, de ahí lo de "Mecánica Cuántica"). Obtuvo esta fórmula, que se ajustaba mucho más al resultado experimental:

 

La cuantización de la energía abrió una nueva vía de estudio (quizás la Física no estaba tan muerta como creían). Se solucionan problemas, pero aparecen otros: la Mecánica Cuántica es difícil. Y no por las Matemáticas (muchísimas: operadores, integrales y ecuaciones diferenciales, como mínimo), si no porque queremos explicarla con conceptos de la Mecánica Clásica (los que observamos y manejamos en nuestro día a dia), y eso en vez de simplificar su estudio, lo dificulta.

Fusión fría, ¿eso qué es?

Empecemos distinguiendo entre fusión y fisión.



La fisión nuclear consiste en bombardear un átomo pesado e inestable (y por tanto, radiactivo) con neutrones. Se obtienen otros átomos y se liberan neutrones y una gran cantidad de energía. Este proceso es el que se lleva a cabo en las centrales nucleares: esa energía se utiliza para calentar agua, y el vapor mueve las turbinas produciendo electricidad.



La fusión nuclear consiste en unir varios átomos ligeros (generalmente hidrógeno y helio), para dar lugar a un átomo más pesado. En el proceso se desprende una enorme cantidad de energía, siempre que el átomo sea más ligero que el hierro (en caso contrario, absorbe energía). Toda la energía del Sol (y del resto de estrellas), procede de este proceso. Y no solo la energía, también los elementos, que no son más que una combinación de hidrógenos y helios. De manera simplificada: 


H + He → Li → Be → B → C → N ...

   
¿Cuál es mejor? La fusión nuclear, ya que desprende muchísima más energía y, encima, los residuos no son tóxicos (se produce un átomo estable, luego no radiactivo). ¿Y por qué en las centrales nucleares se lleva a cabo la fisión y no la fusión? La respuesta: no es fácil unir dos núcleos. 


En el núcleo hay protones (carga positiva) y neutrones (sin carga). Al intentar unir dos núcleos, se repelen con muchísima fuerza. Existen dos opciones: o enormes presiones o enormes temperatura. Esto es muy difícil de conseguir, y es inviable producir energía por esta vía.


La fusión fría es hacer que la fusión nuclear sea "más de andar por casa", que se pueda hacer en la Tierra fácilmente y sin peligro,  tampoco es mucho pedir ...


Relacionado con la fusión fría, una de las mayores meteduras de pata científicas, la que protagonizaron Pons y Fleischmann a finales de los años 80. 


En una conferencia, aseguraron haber conseguido llevar a cabo una reacción de fusión en su laboratorio. El procedimiento: electrólisis del agua pesada (agua, H2O, pero cuyos hidrógenos son deuterios, un isótopo del hidrógeno más pesado, luego D2O) con una barra de paladio rodeado de un hilo de platino. El resultado: tritio (el otro isótopo del hidrógeno, más pesado que el deuterio) y una enorme cantidad de energía. Llegaron a publicar en la prestigiosa revista "Nature" un artículo sobre un exceso de energía desprendido durante una electrólis.




Durante los meses que siguieron, la obsesión de muchos físicos no fue corraborar el descubrimiento, si no desmentirlo. Eso no cabía en la Física. No tardaron mucho. Los resultados no eran posibles, y de serlos, la enorme cantidad de energía habría matado a los investigadores. Sus semanas de gloria acabaron. La fusión fría fue vista como un fraude,  y la investigación en ella se redujo considerablemente. 






Pons y Fleischmann no acabaron tan mal como parece. Trabajaron en la investigación de este campo para una subsidiaria de Toyota. En 2012, Fleischmann falleció. Y en 2013, se hizo una película de su historia, "The Believers". 

Más allá de protones y neutrones

¿De qué está hecha la materia? De átomos


¿De qué están hechos los átomos? De protones, neutrones y electrones


¿De qué están hechos los protones, neutrones y electrones? Silencio


Ese silencio es reemplazado por el modelo estándar de física de partículas. En este post tocaremos de pasada este tema tan complejo de la Física, y en el que se trabaja cada día en los aceleradores de partículas, el más conocido, el del CERN (tunel subterráneo inaugurado en 2008 cerca de Ginebra, en Suiza).




Este modelo estudia las partículas elementales. ¿De qué están hechas las partículas elementales? No se sabe todavía. 


Algunas partículas elementales se unen para formar protones y neutrones. Ya sabemos de qué estan hechos (aunque más adelante concretaremos). 


¿Y los electrones? Pues bien, damos paso a la primera partícula elemental: el electrón. O sea, no se sabe de qué están hechos los electrones. De él sabemos que está cargado negativamente y que su masa es muy pequeña (0'000000000000000000000000000000911 Kg). El electrón forma parte de la Generación 1 de partículas elementales.


Esta ya la conocíamos. Una más desconocida, el neutrino electrónico. El neutrino electrónico es una partícula neutra muy pequeña. Se produce en la desintegración nuclear beta, que ya explicamos. Cada día somos atravesados por una cifra impensable de neutrinos. ¿De dónde vienen? Del Sol y de las estrellas, donde tienen lugar reacciones nucleares continuamente (o han tenido, ya que es posible que la estrella haya muerto hace unos cuantos años). ¿A dónde van? Atravesarán la Tierra siguiendo su camino.



Sigamos con la Generación 1, que vamos a completar con el quark arriba y el quark abajo. Deciros que a "los apellidos" de los quarks se les llama sabores. ¿Qué diferencia a ambos? Mientras que el arriba está cargado positivamente, el abajo está cargado negativamente. Además, el abajo es más másico que el arriba.


 
Pues bien, toda la materia está formado por la cuatro partículas de la Generación 1 (electrones, neutrinos electrónicos, quarks arriba y quarks abajo). Nosotros, somos una combinación de electrones, quarks arriba y quarks abajo. ¿Y dónde tenemos esos quarks? Formando los protones (2 quarks arriba y 1 abajo) y los neutrones (2 quarks abajo y 1 arriba).


La siguiente generación es, claro está, la 2. En esta podemos encontrar muones, quarks extraño, quarks encantado y neutrinos muónicos. Por último, la Generación 3, formada por tauones, neutrinos tauónicos, quarks fondo y quarks cima. No merece la pena destacar ninguna de las partículas de la Generación 2 y 3.

Todo lo que hemos visto son fermiones. La otra gran familia de partículas elementales son los bosones. ¿Diferencia? Los espines: mientras que el de los bosones es un número entero (por ejemplo, 1), el de los fermiones es un número fraccionario (por ejemplo, 1/2). ¿Y qué es el espín? Es un momento angular que la partícula tiene por ser ese tipo de partícula, es una propiedad intrínseca. Es como la masa o la carga. Queda muy bien explicado en este video:

Los bosones transmiten fuerzas. Son el fotón, el gluón, el bosón W y el bosón Z. El fotón transmite la fuerza electromagnética, por ejemplo, la luz, las ondas microondas o los rayos X. 


El gluón (del inglés, "glue", pegamento) se encarga de trasmitir la fuerza nuclear fuerte, la que hace que los protones del núcleo no se repelan (misma carga), y permanezcan unidos.  


 
Los bosones W y Z se encargan de la fuerza nuclear débil, responsable de la desintegración beta que ya explicamos en el post "Bomba sucia: la bomba que no explota".


 
Falta una fuerza: la fuerza gravitatoria. ¿Cómo se transmite? No se tiene todavía respuesta. 


Acabo el post son este resumen:

Bomba sucia: la bomba que no explota

Bomba, por llamarle algo, ya que no explota. Su función: dispersar material radiactivo, acabar con la vida en su objetivo durantes varias décadas. Se trata de un arma teórica que, afortunadamente, no dado el paso a la práctica. Nunca se ha utilizado una, bien por coherencia o por impedírselo a los incoherentes.





Esta noticia del The NY Times, informa de que en 1987, el régimen de Sadam Husein puso en práctica una (usando zirconio-95), pero la destrucción no era la esperada. Decir que fue escrita en abril de 2001, un mes después de la invasión de Irak, justificada con las tan famosas "armas de destrucción masiva" que nunca aparecieron. Pero bueno, toca fiarse de la fuente.


¿Quién puede estar interesado en esto? Aquellos que no atacan un territorio por ocuparlo, si no por lo que representa. Atacar con una bomba sucia un territorio que quieres ocupar, es dejar ese territorio inhabitable durante décadas, así que no tiene mucho sentido. Más que un territorio, ataca aquellos valores que se reflejan en ella y en sus gentes. 


Se puede fabricar con cualquier isótopo radiactivo: cobalto-60, estroncio-90, plutonio-238, polonio-210, radio-226 ...


¿Qué es un isótopo? Son átomos de un mismo elemento, pero con distinto número de neutrones. Por ejemplo, el carbono tiene 3 isótopos posibles:


carbono - 12 (6 neutrones): mayoritario (98'9 %)
carbono - 13 (7 neutrones): mucho menos abundante (1'1 %)
carbono - 14 (8 neutrones): radiactivo



Un material es radiactivo porque su núcleo es inestable y se desintegra desprendiendo partículas y energía en forma de radiación.


El núcleo está formado por protones (carga positiva) y neutrones (sin carga). Las cargas positivas se repelen. ¿Cómo se mantiene unido el núcleo? Mediante una fuerza llamada interacción nuclear fuerte. Esta es la fuerza más fuerte del Universo, pero tiene un alcance muy pequeño. Así que si el núcleo es muy grande (tiene muchos protones y neutrones), parte del núcleo no estará bien unido y se "desmonará" en una vorágine de partículas y energía.


Existen dos maneras de desintegrarse: perdiendo 2 protones y 2 neutrones (alfa) o convirtiendo un neutrón en un protón (beta). Normalmente se obtiene otro isótopo radiactivo, y luego se produce tantos procesos de desintegración necesarios para llegar a un isótopo estable. Ejemplo:

El uranio-235 sigue una desintegración alfa
Inicialmente: 92 protones, 143 neutrones
Se pierden dos protones y dos neutrones
Finalmente: 90 protones y 141 neutrones (torio - 231)

El torio-231 sigue una desintegración beta
Inicialmente: 90 protones, 141 neutrones
Se convierte un neutrón en un protón
Finalmente: 91 protones y 140 neutrones (proactinio - 231)

EL PROACTINIO - 231 (91 PROTONES Y 140 NEUTRONES) SIGUE UNA DESINTEGRACIÓN ALFA, Y LO QUE DA, UNA DESINTEGRACIÓN BETA. ¿SABRÍAS PREDECIR QUÉ DA? [SOLUCIÓN EN COMENTARIOS]

Cada isótopo tiene un periodo de desintegración, que es el tiempo que debe pasar para que la mitad de los núcleo de una muestra se hayan desintegrado. Por ejemplo:

Si tenemos 10 gramos de oxígeno-15, en 122 segundos tendremos 5 gramos

Si tenemos 10 gramos de potasio-40, en 1280000000 años tendremos 5 gramos

En el caso de los isótopos que propusimos para una bomba sucia:

cobalto-60: 5'27 años
estroncio-90: 28'78 años
plutonio-238: 87'74 años
polonio-210: 138'37 días
radio-226: 1600 años

Desde 1993 a 2011, el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) ha detectado 2164 pérdidas o robos de materiales nucleares con los que poder fabricar una bomba. 

Recordar que estas bombas no explotan (no se produce la fisión necesaria para una explosión tipo bomba nuclear) y, por tanto, pasaría desapercibida para la población. ¿Qué hacer en el supuesto de un ataque? Lo que siempre se dice, mantener la calma, pero en esa situación va a ser difícil. Lo mejor sería estar lo menos expuesto a la radiación. Aislar la casa, evitar beber agua del grifo, ducharse bien (preferiblemente con agua que no haya estado expuesta a la radiación) y cruzar los dedos.

La Guerra de las Corrientes: Edison (cc) vs Tesla (ca)

DESCUBRIMIENTO DE LA ELECTRICIDAD (Los Mundos de Brana)

Hoy os traigo una guerra entre dos genios y los dos inversores que los apoyaban. En esta guerra, los dos bandos son:


Edison (1847-1931), apoyado por JP Morgan, defenderían la corriente continua (cc).


Tesla (1856-1943), apoyado por George Westinghouse, defenderían la corriente alterna (ca).

Tenso debate televisado de ambos inventores (Padre de Familia)         

¿Qué diferencia hay entre cc y ca?


Empecemos con dos conceptos: tensión (voltaje o diferencia de potencial) e intensidad.


Imaginemos que tenemos dos cuerpos. Uno tiene una determinada carga positiva (decimos que tiene un potencial positivo) y el otro tiene una determinada carga negativa (decimos que tiene un potencial negativo). Al unir ambos cuerpos, los electrones que tiene en exceso el cuerpo con carga negativa, se dirigirán hacia el cuerpo con carga positiva (estableciéndose una diferencia de potencial). Esa diferencia de potencial es el voltaje o la tensión (V), y se mide en voltios.


El otro concepto es la intensidad (I), que no es más que el número de cargas (electrones) que circulan por un circuito por unidad de tiempo. Se mide en amperios.


¿Qué es la corriente continua (cc)? Pues aquella en la que V e I son constantes. Es la que tenemos en las pilas alcalinas y en las baterías del coche. Si una tenemos una pila alcalina de 1'5 V, siempre tendrá 1'5 V (salvo, claro, que se gaste). Además, la carga va siempre del polo negativo al positivo. En esta gráfica vemos como varía el voltaje en función del tiempo:

¿Qué es la corriente alterna (ca)? Pues aquella en la que V e I cambian. Es la que tenemos en los enchufes. El sentido de la carga cambia unas 50 veces por segundo (50 Hz).En esta gráfica vemos como varía el voltaje en función del tiempo:

Vemos en durante un instante (t = 10 ms), el voltaje se hace 0. ¿Nuestra tele se apaga durante un instante porque el voltaje se hace 0? No, ya que ese instante es tan pequeño que lo podemos percibir, con una excepción: los tubos fluorescentes tradicionales. La corriente alterna en estos tubos provoca una parpadeo llamado efecto estroboscópico. Podéis verlo en este video.


Expuestos los bandos y lo que defendían, empecemos por la historia. 


El que cortaba el bacalao en Estados Unidos en la mitad del siglo XIX era Rockefeller. Él tenía el petróleo, él tenía la luz. Apareció Edison, apoyado económicamente por JP Morgan, inventor de la bombilla incandescente que funcionaba con corriente continua. Con una inversión de más de 80 millones de dólares, Edisson construyó una de las primeras centrales eléctricas y llevó la luz a todos aquellos neoyorquinos que pudieran permitírsela.


En su taller de Menlo Park, con muchos ingenieros trabajando para él (según muchos, los que realmente inventaban, él solo patentaba), trabajaba como aprendíz Nikola Tesla. Este jóven serbio se había obsesionado con la corriente alterna, pero Edison la consideraba insegura por su elevado voltaje, y lo ignoraba. Cansado, presentó su dimisión.


Encontró a Westinghouse, quién le ayudó económicamente. La corriente alterna era más eficiente y barata. 


Cuando JP Morgan vio su dinero peligrar, presionó a Edison para que hiciera creer que la corriente alterna era insegura. Electrocutó tantos animales como hizo falta (el más sonado, la elefanta Topsy), a Tesla no le importó hacer circular por su cuerpo corriente alterna para mostrar su seguridad.


Edison tuvo la punto de partido en 1889, cuando se le pidió idear un método de ejecución más humano que la horca y basado en la corriente eléctrica. ¿Por cuál se iba a decantar: ca o cc? Claramente, corriente alterna. Invitó a periodistas a presenciar la primera ejecución por silla eléctrica de la historia (1890, Kemmler, asesinato). La idea: que los periodistas vieran como el reo moría fulminado por la "letal corriente alterna". Lo que ocurrió: que los periodistas vieron horrorizados como el reo agonizaba durante minutos asándose cual asado. Definieron la escena como "peor que la horca", y la corriente alterna salió favorecida del suceso. 



El golpe final a la corriente continua, cuando en 1896 se decidió que la corriente generada en las cataratas del Niágara (que iba a iluminar el noreste de los EEUU) fuese alterna. Jaque mate. Edison pierde.





La pregunta ahora es, ¿por qué nadie conoce a Tesla? Ya que el "padre de la electricidad" fue realmente Edison: inventó la bombilla incandescente y la corriente continua. Esta fue luego perfeccionada por Tesla, pero el primero fue Edison.


Para acabar, decir que mientra Edison vivió el resto de su vida del dinero de sus patentes; Tesla (como deció sus patentes a Westinghouse), malvivió el resto de su vida de la jubilación.