lunes, 29 de marzo de 2010

La regla de la mano derecha

La regla de la mano derecha es una regla nemotécnica para orientar en el espacio un producto vectorial, o un sentido de giro. Nos dice que si estiramos la mano derecha con el pulgar hacia arriba, y el resto de dedos en forma de puño, el dedo índice nos indicará la dirección y sentido de la corriente eléctrica, mientras que el resto de dedos nos muestra el sentido del campo magnético.





Aquí tenemos un ejemplo. Imaginemos un conductor de cobre formando una bobina. Si aplicamos una corriente de una intensidad (I) se generará un campo magnético perpendicular al movimiento de los electrones en la bobina.



Si tenemos un bloque de hierro en forma de U (yugo) y un pequeño trozo de hierro que encaje dentro, al pasar corriente por la bobina se genera un campo magnético justamente con la forma del yugo, es decir, perpendicular al movimiento de la bobina.
De esta manera cuando conectemos la bobina a una pila los trozos de hierro quedaran atraídos por el campo magnético y "enganchados", mientras que al dejar de circular corriente, desaparece el campo magnético y éstas piezas dejan de estar atraídas.


El campo magnético generado dentro de una bobina es por tanto perpendicular a ésta, como se puede observar en esta imagen:



Otra variación de la regla de la mano derecha es para obtener la dirección y el sentido de la fuerza aplicada sobre una carga en movimiento dentro de un campo magnético. La Fuerza seguirá de ley de Lorentz, un producto vectorial: F= qv x B, donde q es la carga de la partícula, v es su velocidad, x indica el producto vectorial, y B el campo magnético  Al ser un producto vectorial F será perpendicular la plano formado por v y B. Para determinar el sentido aplicaremos la variante 2 de la regla de la mano derecha. Para ello, en el dedo índice se simboliza que está el primer término del producto vectorial (v), y en el dedo corazón el segundo término (B). La fuerza tendrá en este caso sentido hacia arriba. Hay que decir que la regla siempre indica el sentido de la carga positiva, si la carga es negativa el sentido de F es el inverso (hacia abajo).



Si todavía hay dudas sobre la regla de la mano derecha os invito a ver algunos vídeos explicativos. El primero es de mrg3 (animaciones de física) y nos ilustra justamente el ejemplo anterior. La I circula por la bobina y el campo magnético se genera perpendicular al plano por donde circula I.



Para una explicación mas matemática de la regla de la mano derecha aqui teneis otro vídeo interesante del profesor Magnino Muñoz:



Sergio

martes, 23 de marzo de 2010

El vaso que desaparece

¿Os habéis fijado alguna vez que es lo que pasa cuando ponemos un lápiz dentro de un vaso de agua? El lápiz parece que esté torcido o incluso roto. Se trata de un efecto óptico basado en la refracción de la luz.



La velocidad de la luz varía dependiendo del medio que atraviese. Por ejemplo, si viaja por el vacío su velocidad es de 300000 km/s, si viaja por el aire es de 299910 km/s (muy parecido al vacío), pero en cambio si viaja por el agua es de 225564 km/s y si viaja por diamante 123967 km/s. Eso quiere decir que la luz irá mas lentamente por un medio que por otro, y por tanto si vemos como cambia de medio veremos un cambio en su trayectoria, es decir un ángulo.

El índice de refracción es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío (conocida también como la constante de Eisntein "c")y la velocidad de la luz en el otro medio. Por ejemplo, el índice de refracción del diamante es de 2,41, eso quiere decir que la luz viaja 2,41 veces mas lenta en el diamante que en el vacío.



En los siguiente dos enlaces tenemos un listado de índices de refracción para diferentes medios:

- Refraction Index of Various Substances for 3D modelers
- Index of refraction values

¿Que pasa si dos objetos tiene el mismo índice de refracción?

Si miramos el índice de refracción del vidrio pyrex es de 1,47. Existen otras substancias con un índice de refracción parecido, de hecho un famoso champú para bebes también posee un índice de refracción de 1,47, se trata del aceite Johnson's



Observa que es lo que pasa cuando introduces el vaso dentro del líquido:



¡¡Increible!!!Como que la velocidad de la luz en los dos medios es la misma, no podemos diferenciar los dos objetos, y éstos acaban mezclándose visualmente sin poderlos diferenciar.

El aceite vegetal también posee un índice de refracción de 1,47 y también sería otro candidato como líquido si no encontramos el aceite Johnson's. En el siguiente vídeo, el experimento se realiza con aceite vegetal.



Si queréis mas información sobre índice de refracción os recomiendo la página de Educaplus.

No obstante, ¿Es posible la invisibilidad?
¿Podremos crear capas de invisibilidad como Harry Potter o anillos mágicos como el del señor de los anillos que nos harán invisibles?

Quizás no estamos tan lejos. Unos investigadores de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte y del Imperial College de Londres han desafiado con éxito las leyes de la física y de la óptica y han creado metamateriales para hacer un objeto invisible para la radiación del microondas. La idea básica del metamaterial no es otra que manipular y controlar el índice de refracción del material.




Videos tu.tv


¡¡Nos seguimos viendo en Cluster!!!

Sergio

miércoles, 17 de marzo de 2010

Superconductividad

Es uno de los experimentos mas espectaculares que existen y no podía faltar en Cluster. Lo he querido realizar desde que lo vi y gracias a la facultad de físicas de la Universidad de Barcelona lo he podido llevar a cabo. Se trata de la levitación por efecto Meissner.



En los últimos años ha surgido en importante desarrollo de materiales con propiedades magnéticas interesantes, que pueden tener grandes aplicaciones. En la actualidad la búsqueda de estos nuevos materiales forma parte del pilares de investigación de muchos centros. Nos estamos refiriendo a los ferrofluidos y a los superconductores.
En este artículo nos centraremos en éstos últimos.

Algunos materiales, que son conductores ordinarios a temperatura ambiente, pasan a ser superconductores al alcanzar una temperatura crítica Tc (que suele ser muy baja).



¿Que propiedades presentan estos materiales?

1- Resistencia eléctrica cero. Esta propiedad permite fabricar circuitos sin resistencia y por tanto sin disipación de energía por efecto Joule. Las bobinas realizadas con este material podrían, al hacer pasar intensidades muy altas, crear campos magnéticos muy intensos.
2. El material en el estado superconductor, expulsa el campo magnético de su interior.
El superconductor se comporta al revés que un material ferromagnético, es decir, repele el campo magnético. Se trata de un diamagnético perfecto.(Este fenómeno ya fue explicado en el artículo sobre diamagnetismo). La fuerza puede ser tan elevada que puede soportar su propio peso.

En el siguiente esquema se muestran las lineas de campo magnético, y como éstas se desvían al llegar al superconductor, el conocido efecto Meissner.




Los materiales utilizados en el experimento son los materiales superconductores de alta temperatura, aunque tampoco es tan alta. Se trata de lo famosos YBa2Cu3O7, en general YBaCuOs, que muestran su temperatura de transición sobre los 100 K (-173ºC).
Para enfriarlos se utilizará Nitrogeno líquido, la temperatura del cual es de 77 K (-195,2ºC). Se colocará un imán de Neodimio sobre el superconductor y éste milagrosamente levitará. Actualmente se han podido conseguir superconductores cerámicos mercurio-cupratos impregnados con Talio con estructura perovskita que pueden llegar a temperaturas críticas de 140 K.



¿Por que ocurre este fenómeno?

Un comportamiento de este tipo, ya además a tan bajas temperaturas no dejó indiferentes a los físicos. Rápidamente aparecieron hipótesis sobre este fenómenos y en 1950 los norteamericanos John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer propusieron la teoría BCS (de la inicial de sus apellidos), y formularon la hipótesis de los pares de Cooper. Al parecer los electrones a tan baja temperatura, y debido a que el metal apenas se mueve, es capaz de repeler levemente los iones positivos y crear una zona de atracción para otros electrones. De esta manera otro electrón que circule en el mar de electrones puede verse atraído. La consecuencia final es que un electrón sigue completamente la trayectoria del otro. De esta manera ya no son ferminones (y por tanto no han de cumplir el principio de exclusión de Pauli)y se comportan como bosones y así compartir la misma energía mínima. Se trata de un fenómeno cuántico que permite que los electrones emparejados tengan menor energía que libres.



Si estas interesado en sintetizar tu mismo un superconductor de alta temperatura puedes entrar en Radioweblogs, aquí hay una explicación extensa para poder sintetizar uno.
Para una mayor explicación sobre el efecto Meissner puedes entrar en Hyperphysics.
Para mas información sobre los pares de Cooper entra en Solociencia.

¡¡Saludos y hasta la próxima!!

Sergio

PD: Hemos realizado una ampliación del artículo en Superconductor del tipo II.

20 000 visitas y récord personal de Cluster

Si el jueves 12 de Noviembre de 2009 nos alegrábamos por llegar a las 10 000 visitas, hoy día 17 de Marzo de 2010 ya se han cumplido las 20 000 visitas en el blog y siguen subiendo...y ya somos 17 mas 1, 18 los que seguimos el blog, y 65 seguidores de youtube y 14 amigos.¡¡¡Gracias a todos!!!

Ademas el blog ha hecho un récord personal histórico y alcanzó la cifra de 105 visitas en un día (miércoles 10 de Marzo), superando la media de 60-70 visitas al dia. Quizás es cierto, que existen blogs con mayor número de entradas pero estoy entusiasmado con el resultado y animado a continuar proponiendo experimentos y vídeos interesantes.

Como habéis podido ver, la apariencia de Cluster ha variado ligeramente, he introducido el vídeo del próximo experimento que podréis ver en el blog, así como los enlaces y los 10 experimentos mas vistos. De esta manera Cluster podrá ser algo mas interactivo, y podréis visitar mas páginas que os puedan parecer interesantes, a la espera de terminar la site-web de Cluster experimentos, que por falta de tiempo no se está llevando a cabo...

También se han implementado tres experimentos en el apartado: Los mejores vídeos de cluster. Son vídeos y experimentos que os propongo, y que podrán ir cambiando.

Si tenéis alguna propuesta la escucharé encantado para poder mejorar tanto el aspecto del blog, como su contenido, forma de enlaces, etc...

¡¡¡GRACIAS POR SEGUIRNOS Y NOS VEMOS EN CLUSTER!!!

domingo, 7 de marzo de 2010

Ósmosis

Si ponemos una hoja de lechuga seca en agua, ésta recupera en unas cuantas horas toda su textura. La lechuga había perdido el agua, y la recupera en un proceso que se denomina ósmosis.



La ósmosis un proceso importantísimo tanto a nivel químico, como biológico que realizamos todos los días, ya sea para hervir pasta o arroz para comer, como a nivel celular.

Se trata de un fenómeno físico a partir del cual cuando tenemos dos disoluciones de diferente concentración unidas por una membrana semipermeable, las partículas del disolvente pasan de la disolución mas concentrada a la mas diluida, para igualar concentraciones en ambos lados. Una membrana semipermeable es una membrana especial que tan solo deja pasar disolvente y no solutos. Este hecho se realiza con membranas de tamaño de poro muy pequeño, capaz de dejar pasar moléculas pequeñas, pero no las grandes.

Un experimento muy sencillo de realizar para demostrar este hecho se puede realizar con dos huevos de gallina, vinagre y dos disoluciones: una muy concentrada en algún soluto (por ejemplo sal) y otra con únicamente agua destilada.



Como podemos ver en el experimento, el huevo que está en una disolución muy concentrada de sal (hipertónica), tiende a expulsar el agua, quedando mas arrugado, mientras que cuando está en agua destilada (disolución hipotónica), éste se infla. Se puede realizar el mismo experimento probando diferentes disoluciones concentradas con solutos de mayor tamaño que la sal y observar el efecto de una manera mas drástica (por ejemplo con jarabe de glucosa o con azúcar).

La presión hidrostática que ejerce el agua para entrar o para salir se denomina presión osmótica y viene regulada por las concentraciones y la temperatura.

¿Que pasaría con nuestras células?

En los siguientes vídeos podéis ver células rojas en una solución hipertónica y en una solución hipotónica. Cuando las células rojas están en una solución hipertónica, para igualar concentración liberan agua, quedándose "secas", y provocando las muerte de las mismas.



Cuando la disolución es hipotónica, éstas tienden a coger agua e inflarse, provocando en ocasiones rotura celular.



Otro proceso muy conocido y muy utilizado es el de la ósmosis inversa, utilizado para la desalinización del agua de mar. Consiste en ejercer una presión en contra de la presión osmótica para hacer pasar el agua de la disolución mas concentrada a la mas diluida, en contra del proceso natural de igualar concentraciones. Este proceso es de gran importancia para la gente de la isla de Okinawa, en Japón, donde consiguen agua potable para 160000 personas a partir del agua del mar.



Sergio

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