JORNADAS TÉCNICAS SOBRE METROLOGÍA LEGAL EN NICARAGUA Managua, 28 y 29 de mayo de 2014

El sistema internacional de unidades y recomendaciones para su implementación Manuel Alegría Sánchez Director Técnico de CLM

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INTRODUCCIÓN Los avances científicos y técnicos dependen en gran medida de una buena metrología ya que los principios teóricos que los sustentan se comprueban y validan de forma experimental midiendo los resultados obtenidos. La definición de las unidades básicas está evolucionando para basarlas en su totalidad en constantes fundamentales o invariantes de la naturaleza, buscando la realización práctica de las mismas con mayor exactitud y menor incertidumbre. El objetivo final es sustituir los patrones materializados en teoría invariables, por patrones basados en experimentos físicos “reproducibles” en cualquier tiempo y lugar, lo que mejorará toda la cadena de trazabilidad hasta llegar a las mediciones que nos afectan en la vida real.

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La metrología cubre tres actividades principales: 1.La definición de las unidades de medida internacionalmente aceptadas. 2.La realización de las unidades de medida por métodos científicos. 3.El establecimiento de las cadenas de trazabilidad, refiriendo cualquier medición y su incertidumbre a la unidad básica correspondiente, mediante una serie ininterrumpida de comparaciones.

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El Sistema SI actual está compuesto por las siete magnitudes básicas longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente eléctrica, temperatura termodinámica, cantidad de sustancia e intensidad luminosa, con las correspondientes unidades básicas acordadas por la CGPM, metro, kilogramo, segundo, amperio, kelvin, mol y candela.

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UNIDADES SI BÁSICAS

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La idea es ligarlas a constantes universales o invariantes de la naturaleza, como la velocidad de la luz en el vacío (c), la carga del electrón, cuyo valor absoluto constituye la unidad fundamental de carga eléctrica (e), la masa del electrón (me) o la constante de Planck (h). Las primeras unidades básicas beneficiadas hasta ahora de esta aproximación a las constantes universales han sido el segundo, el metro y la candela.

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DEFINICIONES  Unidad de longitud (metro, m): el metro es la longitud del trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo. Unidad de tiempo (segundo, s): el segundo es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133. Esta definición se refiere a un átomo de cesio en reposo, a una temperatura de 0 K. Unidad de intensidad luminosa (candela, cd): la candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 hercios y cuya intensidad energética en dicha dirección es de 1/683 vatios por estereoradián.

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SITUACIÓN ACTUAL Un kilogramo es la masa del Prototipo Internacional del Kilogramo CGPM-3-19

Depositado desde 1889 en el BIPM

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LIMITACIONES A LA DEFINICIÓN ACTUAL - No puede ser usado de forma rutinaria por el riesgo de desgaste - Patrón existente en un único lugar -Variación a lo largo del tiempo : ≈50 μg/siglo (5x10-8). - Puede ser dañado o incluso destruido

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DERIVA DEL IPK

año

Variación a lo largo del tiempo del IPC respecto a sus 6 copias: -50 µg/siglo (5x10-8 )

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TENDENCIAS Las definiciones de las unidades básicas han de depender de características inmutables de la naturaleza.

CONSTANTES FUNDAMENTALES A

e

mol

NA

K kg

KB h

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Experimentos -Método de Avogadro: NA - Balanza de potencia o de watt: h

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MÉTODO DE AVOGADRO Relacionar el kilogramo con la masa de un átomo Contar una gran cantidad de átomos Estructura cristalina perfecta

ESFERA DE SILICIO

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n=

8VS a3

(

8VS M 28 Si m= 3 ⋅ a NA

)

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International Avogadro Coordination

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Resultado “ The value obtained, NA 6.022 140 78 (18) x 1023 mol -1. is the most accurate input datum for a new definition of the Kilogram”.

Andreas B. et al. Phys. Rev. Lett._2011, 106, 030801

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Balanza de potencia ( watt)

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Fase de Pesada

mg = I1Bl

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Fase dinámica

U 2 = vBl

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Balanza de potencia

mgv = I1U 2

I1U 2 = (U1 / R)U 2 U i = bif ⋅

1 KJ

R = bRRK

RK =

2e KJ = h

I1U 2 = bf 2

h 4

h e2

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OBJETIVOS 2015 -Reducir la incertidumbre del proyecto Avogadro a 1,5 x 10-8 -Tener dos balanzas de potencia en Europa (LNE y METAS), con una incertidumbre típica relativa de 5 x 10-8

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Redefinición del Kg Definición propuesta: “el kilogramo, kg, es la unidad de masa del SI; su magnitud se establece fijando el valor numérico de la constante de Planck para que sea igual a 6,626 068x 10-34 cuando se expresa en unidades de s-1 m2 Kg, lo que es igual a J s” ( Resolución 1,24 CGPM). Requisitos: - Tres experimentos independientes consistentes para un nivel de confianza del 95% - dos con u