Los diez experimentos más bellos de la Física 20 febrero 2012
Publicado por Augusto en Divulgación, Historia de la Física, Laboratorio , comentarios cerradosEn el año 2002 Robert P. Crease, historiador de la ciencia, preguntó a los lectores de la revista Physics World (donde escribe una columna desde el año 2000 titulada critical point) cuáles eran, en su opinión, los experimentos más bellos de la física. Para confeccionar la lista escogió los diez experimentos que fueron citados por los lectores con mayor frecuencia. Su “lista” se publicó en la revista Physics World, pero de allí la noticia saltó a las páginas de The New York Times el 24 de septiembre de 2002 y en España fue el diario El País el que dedicó mayor atención a la “noticia” en su edición del 23 de octubre de 2002. ¿En qué radica la “belleza” de estos experimentos? Seguramente la respuesta es que el denominador común de la mayor parte de ellos es la gran simplicidad de medios para su realización y que desde luego todos tuvieron una gran capacidad de cambiar el planteamiento dominante en su tiempo que ofrecieron sus conclusiones. Además, casi todos los experimentos de esta lista de los diez más bellos fueron realizados individualmente o, como mucho, con la ayuda de unos pocos colaboradores, y en un plazo de tiempo relativamente corto. El orden del resultado de la encuesta, por número de votos, fue el siguiente:
- Interferencia de los electrones al pasar por una doble rendija (Bohr, De Broglie, Heisenberg et al.)
- Caída libre de los cuerpos (Galileo)
- Determinación de la carga eléctrica del electrón (Millikan)
- Descomposición de la luz del Sol por un prisma (Newton)
- Interferencia de la luz por la doble rendija (Young)
- Medida de la constante de la gravitación universal con una balanza de torsión (Cavendish)
- Medida del radio de la circunferencia de la Tierra (Eratóstenes)
- Caída de un cuerpo por un plano inclinado (Galileo)
- Descubrimiento del núcleo atómico (Rutherford)
- Movimiento de la Tierra (péndulo de Foucault)
El experimento que quedó en el undécimo lugar fue el principio de Arquímedes de la hidrostática (ver vídeo), seguido por el método de Römer para la medir la velocidad de la luz. Otros experimentos considerados “bellos” fueron el experimento de Michelson y Morley o la experiencia de Oersted (ver vídeo), ya comentada en una entrada anterior.
Años después Robert P. Crease escribió un libro sobre este tema (“El prisma y el péndulo”), el cual finaliza señalando que “la capacidad de reconocer la belleza de los experimentos nos puede ayudar a abrir los ojos ante un sentido de la belleza más fundamental” y, como punto final a su libro, incluye la siguiente cita del matemático, físico teórico y filósofo de la ciencia francés Henri Poincaré (1854-1912):
“Los científicos no estudian la naturaleza porque sea útil; la estudian porque les place, y les place porque es bella. Si la naturaleza no fuese bella, no valdría la pena conocerla, no valdría la pena vivir la vida”.
Os sugiero busquéis más información sobre estos experimentos que podéis ampliar, por ejemplo, en internet, en textos de Física (Tipler, Gettys, Alonso & Finn, etc.) y más específicamente en los siguientes libros de Robert P. Crease y Manuel Lozano Leyva:
R. P. Crease, El prisma y el péndulo: Los diez experimentos más bellos de la ciencia (Ed. Crítica, Barcelona, 2009).
M. Lozano Leyva, De Arquímedes a Einstein. Los diez experimentos más bellos de la física (Ed. Debate, Barcelona, 2005). (Este libro está disponible en la Biblioteca Politécnica, Óptica y Enfermería de la Universidad de Alicante)
¡Qué hace ahí esa bandera noruega! 19 enero 2012
Publicado por Augusto en Divulgación, Historia de la Física, Prensa , comentarios cerradosCuando el capitán Robert Scott ordenó soltar amarras del velero Terra Nova en Cardiff el 15 de junio de 1910 no se imaginaba que nunca volvería a pisar suelo británico. Había conseguido financiación para intentar ser el primero en llegar al Polo Sur y dejar constancia de su hazaña poniendo allí una bandera, la Union Jack del Reino Unido. Con mucho esfuerzo recaudó de patrocinadores y suscripciones públicas unas 40.000 libras (equivalentes hoy en día a casi cuatro millones de euros). Estaba a punto de iniciarse el último gran desafío de las exploraciones mundiales y, lo que es aún más importante, la primera gran expedición científica al último lugar de la tierra: la Antártida.
Aparte del claro objetivo político, el Terra Nova tenía otros afanes. En sus bodegas estaban cuidadosamente almacenados numerosos equipos científicos preparados para realizar mediciones geofísicas, recoger muestras geológicas, cartografiar por primera vez el territorio antártico y estudiar la fauna y la escasa flora de la zona. En sus abarrotados camarotes viajaban científicos de todo tipo: biólogos, geólogos, meteorólogos, oceanógrafos, físicos.
Publicado en La Tribuna de Albacete (19-1-2012): A. Nájera (UCLM), E. Arribas (UCLM) y A. Beléndez (UA).
El “Tripos Matemático” de Cambridge (II) 18 enero 2012
Publicado por Augusto en Divulgación, Historia de la Física , comentarios cerradosSiguiendo con el Tripos Matemático de Cambridge, los participantes -obviamente los que aprobaban los exámenes- quedaban clasificados (de por vida) según sus resultados y de esta clasificación dependía, en gran medida, su futuro profesional. El estudiante que obtenía la mejor nota en el Tripos era conocido como senior wrangler, el segundo, era el second wrangler, y así sucesivamente. Ser el senior wrangler en cada edición del Tripos era casi un honor nacional. Conforme pasaron los años la competición por los puestos más altos se hizo cada vez más dura, y su futuro profesional y sus carreras dependían de ellos. En la mayor parte de los colleges (el equivalente a nuestras facultades) si uno conseguía salir como senior o como second wrangler era automáticamente elegido miembro del cuerpo docente de la universidad. Con algunas excepciones notables como Faraday o Joule, la mayoría de los principales físicos británicos que trabajaron entre 1820 y 1900 estudiaron en Cambridge y se examinaron del Tripos y en la segunda mitad del siglo XIX cerca de la mitad de las cátedras de física de las universidades británicas fueron ocupadas por wranglers. Fueron senior wranglers físicos como Herschel (1813), Airy (1823), Stokes (1841), Cayley (1842), Tait (1852), Routh (1854), Lord Rayleigh (1865), Larmor (1880) y Eddington (1904) y otros wranglers famosos son Maxwell (2º), Poynting (3º), George Darwin -hijo de Charles Darwin- (2º), H. Lamb (2º), J. J. Thomson (2º), William Bragg (3º) o Jeans (3º). Resulta interesante comprobar como un físico excepcional como es Maxwell no consiguió el primer puesto del Tripos cuando se examinó en el año 1854, sino que fue second wrangler detrás de Routh. La formación de todos los estudiantes del Tripos Matemático, era totalmente teórica y el ideal del Tripos era la perfección, la permanencia, lo absoluto, lo constante. Los exámenes del Tripos tenían lugar en enero, tras tres años y un trimestre de formación, en un majestuoso edificio barroco con grandes ventanales (Senate House) y sin calefacción. Seguro que aquéllos estudiantes que no cayeron enfermos durante la preparación seguro que lo harían durante los exámenes por el frío en este edificio. En 1909 esta “orden del mérito” fue abolida y el último senior wrangler fue Daniell. En el año 1851, y coincidiendo con la exposición universal de Londres, la Universidad de Cambridge creó el Tripos de Ciencias Naturales con el objetivo de impulsar la tecnología y la ciencia británica desde la universidad. En 1860 se incluyeron en este nuevo Tripos todas las ramas de la física con contenido experimental: termodinámica, electricidad, magnetismo y óptica.
Senate House (Universidad de Cambridge)
J. M. Sánchez Ron (edición y traducción). Materia y Movimiento (J. C. Maxwell). Crítica. Barcelona, 2006. pp. 19-22.
J. Navarro. El padre del electrón: J. J. Thomson. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2006.
G. H. Hardy, Apología de un matemático (en el prólogo de C. P. Snow a este libro). Nivola libros y ediciones. Madrid, 1999.
El “Tripos Matemático” de Cambridge (I) 16 enero 2012
Publicado por Augusto en Divulgación, Historia de la Física , comentarios cerradosAhora que comienzan los exámenes se incluye esta entrada sobre un sistema de exámenes introducido en 1730 en la Universidad de Cambridge y conocido como Tripos Matemático desde 1824. Se llamaba así por el taburete de tres patas en que se sentaban los estudiantes. Esta información se ha extraído básicamente de los libros de J. M. Sánchez Ron y J. Navarro abajo indicados.
La Universidad de Cambridge era el centro más influyente de la física en el siglo XIX (y desde luego también en gran parte del XX). Para aquellos estudiantes con inclinaciones científicas, Cambridge poseía el atractivo del Tripos Matemático, con un contenido de lo que hoy conocemos como ciencias físico-matemáticas pues en los exámenes predominaban las preguntas de matemáticas y física teórica. El Tripos estaba dividido en dos periodos. El primero duraba cuatro días con pruebas, de 9:00 a 12:00 y de 13:30 a 16:00. Los que superaban esta primera fase pasaban a la segunda, más difícil y distribuida en cinco días consecutivos. Los problemas que se planteaban no eran triviales sino de dificultad creciente y solución no evidente. Se valoraba la capacidad de los estudiantes de resolver los problemas pero también la rapidez y precisión. En ocasiones los profesores que proponían los problemas no siempre sabían el modo de resolverlos y esperaban que algún alumno brillante lo consiguiera, convirtiéndose de este modo los ejercicios en auténticos temas de investigación. Sin ir más lejos, el teorema de Stokes y el vector de Poynting son el fruto de ejercicios de exámenes del Tripos de Cambridge. Se había desarrollado todo un aparato de preparación intensiva de los exámenes y lecciones particulares con profesores-preparadores, y algunos estudiantes, como Hardy, pensaban que “iban a ser entrenados como un caballo de carreras para correr una carrera de ejercicios matemáticos”. La preparación de los exámenes era muy dura y larga, incluso se necesitaban dos o tres años para que un estudiante estuviera preparado para presentarse a los exámenes. A veces las largas horas de estudio y el estrés permanente desembocaba en crisis de salud, incluso para figuras de la física como J. C. Maxwell o J. J. Thomson, que llegaron a sufrir crisis nerviosas y cansancio generalizado fruto de la tensión acumulada durante la preparación de las pruebas.
J. M. Sánchez Ron (edición y traducción). Materia y Movimiento (J. C. Maxwell). Crítica. Barcelona, 2006. pp. 19-22.
J. Navarro. El padre del electrón: J. J. Thomson. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2006.
C. P. Snow, Las dos culturas y un segundo enfoque. Alianza Editorial. Madrid, 1977.
G. H. Hardy, Apología de un matemático (en el prólogo de C. P. Snow a este libro). Nivola libros y ediciones. Madrid, 1999.
Padres, hijos y Premios Nobel de Física 14 enero 2012
Publicado por Augusto en Divulgación, Historia de la Física , comentarios cerradosEn la entrada del 5 de octubre de 2009 de este blog sobre J. J. Thomson hemos visto que tanto él como su hijo G. P. Thomson fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1906 y 1937, respectivamente. Desde luego no es nada fácil consiguir este Premio, ni tan siquiera estar nominado, y sólo unos pocos “escogidos” son los elegidos; pero desde luego lo que ya resulta ciertamente muy complicado es que dos miembros de la misma familia lo consigan. Sin embargo, el caso de J. J. y G. P. Thomson no es el único que se ha dado a lo largo de la historia de los Premios Nobel de Física desde que se concedió el primero en 1901, pues ha habido más ejemplos de padres e hijos:
Joseph John Thomson en 1906 y su hijo George Paget Thomson en 1937.
William Bragg y su hijo Lawrence Bragg en 1915.
Niels Bohr en 1922 y su hijo Aage Niels Bohr en 1975.
Manne Siegbahn en 1924 y su hijo Kai M. Siegbahn en 1981
También ha ha habido un caso de esposo y esposa:
Pierre Curie y Marie Curie en 1903.
Además Marie Curie también fue galardonada con el Premio Nobel de Química en 1911 y su hija Irène Joliot-Curie y su yerno Frédéric Joliot con el Premio Nobel de Química de 1935. Como único caso hasta ahora, John Bardeen fue galardonado dos veces con el Premio Nobel de Física, en 1956 y 1972, por sus investigaciones en el campo de los semiconductores y el transistor, y por el desarrollo de la teoría de la superconductividad, respectivamente.
La aparente soledad de Kamerlingh Onnes 7 enero 2012
Publicado por Augusto en Biografías, Divulgación, Historia de la Física, Prensa , comentarios cerradosEl físico holandés Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) tuvo la mala suerte de ser contemporáneo durante casi medio siglo del físico más genial (hasta el momento), Albert Einstein (1879-1955). Mientras Einstein se preocupaba de interpretar correctamente las tres dimensionales espaciales y el tiempo, Kamerlingh se interesaba por la Física de las bajas temperaturas. El gran destello de los trabajos del físico alemán oscurecía (sin pretenderlo) la inmensa labor de otros científicos trabajando en campos de la Física que no parecen ser tan atractivos al gran público.
Al mismo que se celebraba el primer congreso Solvay en el glamouroso hotel Metropole de Bruselas, 1911, Heike anotaba a lápiz, con una caligrafía endemoniada, en un cuaderno de notas escolar que había medido una resistencia nula en su abarrotado laboratorio de la Universidad de Leiden y, por tanto, había obtenido evidencias del fenómeno de la supraconductividad. Él la llamó así, aunque años más tarde se decidió que era más conveniente denominar superconductividad a este fenómeno. Había medido la resistencia del mercurio y anotó en su cuaderno «mercurio prácticamente cero». Había descubierto un fenómeno muy interesante, aunque él creía que había tenido suerte al elegir el mercurio como objeto de su estudio.
Publicado en La Tribuna de Albacete (7-1-2012): A. Beléndez (UA), A. Nájera (UCLM) y E. Arribas (UCLM).
“Fundamentos Físicos de la Ingeniería I” en el OCW-UA 30 diciembre 2011
Publicado por Augusto en Asignatura, Enseñanza/aprendizaje, Innovación educativa, Materiales docentes , comentarios cerradosLa asignatura “Fundamentos Físicos de la Ingeniería I”, curso 2010-2011, de primer curso del del Grado en Ingeniería en Sonido e Imagnen en Telecomunicación que se imparte en la Escuela Politécnica Superior, se encuentra publicada en la sección “Ingeniería y Arquitectura” del OpenCourseWare de la Universidad de Alicante.
OpenCourseWare (OCW) es un programa internacional de publicación docente electrónica de los contenidos de cursos de las universidades creado en 2001 por el Massachusetts Institute of Technology. Más de 200 universidades y otras instituciones de educación superior se concentran en el OpenCourseWare Consortium. El OpenCourseWare UA se creó en 2007, es una de las universidades españolas socias y también una de las que cuenta con más cursos en el consorcio mundial.
OCW-UA tiene como fin no solo la publicación, sino además el acceso libre y gratuito y la generación de nuevos contenidos compartidos entre los docentes, de modo que integra la cesión de una licencia libre. No es necesario que el curso a publicar se esté impartiendo simultáneamente a su publicación, sino que, del mismo modo, pueden publicarse cursos ya extintos o proyectos docentes que no se imparten ya por cambios en los planes de estudio.
Tema 8. Principios físicos de los semiconductores 17 diciembre 2011
Publicado por Augusto en Asignatura, Temas , comentarios cerradosEl tema está dedicado a presentar una introducción sobre el análisis de los distintos tipos de sólidos, la teoría de bandas, las propiedades eléctricas de los semiconductores, los distintos tipos de conducción en semiconductores y los dispositivos semiconductores.
En primer lugar se comentan los distintos tipos de enlaces y de sólidos, distinguiendo, fundamentalmente, entre sólidos iónicos, covalentes y metálicos, e introduciendo el modelo de electrones libres para metales y el concepto de densidad de estados y la distribución de Fermi-Dirac.
Se analiza la diferencia entre los conductores, aislantes y semiconductores en función de su estructura de bandas y la separación entre las bandas de valencia y de conducción. Cuando los átomos se enlazan entre sí en la materia condensada, sus niveles de energía se reparten en bandas. En el cero absoluto, los aislantes y los semiconductores tienen una banda de valencia totalmente llena, separada por un intervalo vacío de energía, de una banda de conducción vacía. Sin embargo, en el caso de los semiconductores el intervalo vacío entre estas dos bandas es del orden de 1 eV. Los conductores tienen bandas de conducción parcialmente llenas. También se distingue entre semiconductor intrínseco y semiconductor extrínseco. en este último caso, la adición de pequeñas concentraciones de impurezas al semiconductor puede cambiar drásticamente sus propiedades eléctricas. Si se añaden impurezas donadoras se obtiene un semiconductor tipo n, mientras que si se añaden impurezas receptoras el resultado es un semiconductor extrínseco de tipo p. En este punto es importante introducir la ecuación del semiconductor o ley de acción de masas, ecuación esencial en el estudio de semiconductores y dispositivos semiconductores así como la condición de neutralidad eléctrica.
A continuación se describen los fenómenos de transporte de cargas que aparecen en los semiconductores, bien como consecuencia de la aplicación de campos eléctricos (corriente de arrastre), bien por la existencia de gradientes de concentración de los portadores (corriente de difusión). Los conceptos de velocidad de arrastre, densidad de corriente y conductividad que aquí se establecen son análogos a los introducidos para conductores metálicos en el tema de corriente eléctrica, con la diferencia que en aquel caso los portadores son electrones libres, mientras que en un semiconductor pueden ser electrones (cargas negativas) y huecos (cargas positivas).
El último apartado del tema está dedicado a los dispositivos semiconductores, presentando de una manera introductoria las características básicas del diodo y del transistor. Comenzamos estudiando la unión p-n, tanto en polarización directa como en polarización inversa, pues este tipo de unión es la base para la construcción de diodos y transistores. Se incluyen sus características básicas de funcionamiento como son las corrientes de electrones y huecos, las características tensión-corriente en un diodo, y las tensiones y corrientes en un transistor. También se analizan algunas aplicaciones de estos dispositivos.
Tema 7. Corriente eléctrica 9 diciembre 2011
Publicado por Augusto en Asignatura, Temas , comentarios cerradosEste tema está dedicado al estudio de la corriente eléctrica, es decir, al estudio del movimiento de la carga eléctrica de una región a otra. El tema comienza con una descripción de la naturaleza de la corriente eléctrica, introduciendo los conceptos de intensidad y densidad de corriente. La intensidad de corriente es una magnitud escalar que representa la carga que fluye a través de la sección de un conductor por unidad de tiempo, mientras que la densidad de corriente es una magnitud vectorial cuyo flujo a través de una determinada superficie es precisamente la intensidad de la corriente. Un aspecto importante es la expresión que relaciona la densidad de corriente con magnitudes microscópicas de ésta como son el número de portadores de carga por unidad de volumen, la carga de cada portador y su velocidad de arrastre o desplazamiento.
Seguidamente se estudia la ley de Ohm y se introduce el concepto de resistencia y las expresiones para la resistencia equivalente de resistencias en serie y en paralelo. Utilizando la expresión del vector densidad de corriente se llega a una ecuación vectorial para la ley de Ohm que relaciona los vectores densidad de corriente y campo eléctrico aplicado mediante la conductividad o su inversa la resistividad. Es importante presentar algunos valores numéricos de la conductividad (o de la resistividad) para conductores, semiconductores y aislantes, así como señalar que mientras que la resistividad de un conductor metálico aumenta con la temperatura, la de un semiconductor disminuye cuando aquélla se incrementa.
La existencia de una corriente eléctrica a través de conductores que constituyen un circuito eléctrico implica una disipación de energía en forma de calor por efecto Joule, por lo que para mantener una corriente son necesarios otros elementos que aporten energía eléctrica al circuito. Ésta es la función de los generadores, dispositivos capaces de transformar algún tipo de energía en energía eléctrica, y que vienen caracterizados por su fuerza electromotriz.
Finalmente, se describe brevemente la utilización de los amperímetros y voltímetros como instrumentos de medida de intensidades y diferencias de potencial en diferentes montajes.
Tema 6. Campo eléctrico (III) 28 noviembre 2011
Publicado por Augusto en Asignatura, Temas , comentarios cerradosLa última parte del tema se dedica al estudio de la capacidad, los condensadores y los dieléctricos. Se introduce el concepto de capacidad y se lleva a cabo un análisis de las propiedades eléctricas de la materia desde los puntos de vista microscópico y macroscópico. Se estudia la capacidad de un condensador, dispositivo útil para almacenar carga y energía, formado por dos conductores muy próximos, pero aislados el uno del otro, que conectados a una diferencia de potencial, tal como una batería, adquieren cargas iguales y opuestas. Se estudian distintos tipos de condensadores como el de láminas planoparalelas, el cilíndrico y el esférico. Se analiza el almacenamiento de energía que se produce durante la carga de un condensador y se introduce el concepto de densidad de energía de un campo electrostático. La energía almacenada en un campo eléctrico es igual a la que se necesita para establecer el campo. Otras cuestiones a estudiar son la asociación de condensadores y las variaciones en la capacidad, el campo, el potencial y la carga eléctrica de un condensador cuando se introduce entre sus láminas un material dieléctrico, dependiendo si el condensador está aislado o no. Es importante hacer mención de que la función del dieléctrico situado entre las placas de un condensador no es sólo la de aumentar su capacidad, sino que también proporciona un medio mecánico para separar los dos conductores, que deben estar muy próximos y aumenta la resistencia a la ruptura dieléctrica en el condensador debido a que la resistencia dieléctrica de un dieléctrico es generalmente mayor que la del aire. Finalmente se estudian los dieléctricos desde un punto de vista microscópico. Los dieléctricos se distinguen de los conductores porque no tienen cargas libres que se puedan mover a través del material, al ser sometidos a un campo eléctrico. Se habla de los dieléctricos apolares y polares y su comportamiento en un campo eléctrico externo el cual, en última instancia, orienta en la dirección del campo eléctrico las moléculas que poseen un momento dipolar permanente o aquéllas en las que se ha inducido un momento dipolar, pues en un dieléctrico polarizado cada molécula se comporta como un dipolo eléctrico. Estas moléculas están sometidas a un par que tienen a alinearlas con el campo, pero las colisiones debidas a la agitación térmica de las moléculas tienden a impedir este alineamiento.
