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Celda galvánica

Escrito por Enunlugarenelcosmos 17-04-2017 en ciencia. Comentarios (0)

Una celda galvánica consta de dos semipilas (denominadas también semiceldas o electrodos). En su forma más simple, cada semipila consta de un metal y una solución de una sal del metal. La solución de la sal contiene un catión del metal y un anión para equilibrar la carga del catión. En esencia, la semipila contiene el metal en dos estados de oxidación, y la reacción química en la semipila es una reacción redox, escrita simbólicamente en el sentido de la reducción como:
M n+ (especie oxidada) + n e- __ M (especie reducida)

El número de electrones transferidos en ambas direcciones debe ser el mismo; así las dos semipilas se combinan para dar la reacción electroquímica global de la celda.

El voltaje de la pila galvánica es la suma de los potenciales de las dos semipilas. Se mide conectando un voltímetro a los dos electrodos. El voltímetro tiene una resistencia muy alta, por lo que el flujo de corriente es realmente insignificante. Cuando un dispositivo como un motor eléctrico se conecta a los electrodos fluye una corriente eléctrica y las reacciones redox se producen en ambas semipilas. Esto continuará hasta que la concentración de los cationes que se reducen se aproxime a cero.

Para la pila galvánica, representada en la figura, los dos metales son zinc y cobre, y las dos sales son los sulfatos del metal correspondiente. El zinc es el metal más reductor, de modo que, cuando un dispositivo se conecta a ambos electrodos, la reacción electroquímica es Zn + Cu2+__Zn2+ + Cu

El electrodo de zinc se disuelve y el cobre se deposita en el electrodo de cobre. Por definición, el cátodo es el electrodo donde tiene lugar la reducción (ganancia de electrones), por lo que el electrodo de cobre es el cátodo. El ánodo atrae cationes, que tienen una carga positiva, por lo que el ánodo es el electrodo negativo. En este caso el cobre es el cátodo y el zinc es el ánodo.

Las celdas galvánicas se usan normalmente como fuente de energía eléctrica. Por su propia naturaleza producen corriente. Por ejemplo, una batería de plomo y ácido contiene un número de celdas galvánicas. Los dos electrodos son efectivamente plomo y óxido de plomo.





¿Cuán pequeños pueden ser los agujeros negros?

Escrito por Enunlugarenelcosmos 17-04-2017 en ciencia. Comentarios (0)

La ecuación establecida por el físico alemán Karl Schwarzchild, fue deducida de la ecuación de la velocidad de escape, y nos da el radio de un agujero negro:

R=2GM/c^2

Donde G es la constante de gravitación universal, m la masa y c la velocidad de la luz.

Los agujeros negros son los cuerpos más masivos conocidos en el universo, y dada su masa, como he incidido antes, podemos conocer su densidad. Supongamos el caso de tener un agujero negro con una masa de unos 100 millones la masa del Sol; su radio sería aproximadamente 2 unidades astronómicas, y conocida su masa y su volumen, obtenemos una densidad de en torno a 1.800 kg/m^3, que si la comparamos con la del agua (1.000 kg/m^3) vemos que las densidades no son significativas a la hora de crear un agujero negro.
Podemos decir, al fin de cuentas, que para que se forme un agujero negro es necesaria una gran cantidad de masa.

Existe una pregunta que al planteárnosla nos revela los límites de la física fundamental: ¿se pueden interpretar las partículas elementales como agujeros negros?

El modelo estándar de partículas establece cuatro fuerzas de la naturaleza:
Electromagnética
Gravitatoria
Interacción nuclear débil
Interacción nuclear fuerte

En los agujeros negro, existe una fuerza que predomina a las demás: la gravitación. Y como ya se es bien conocido, la atracción gravitatoria en un agujero negro es superior a la velocidad de la luz.

La atracción gravitatoria es un problema a la hora de hablar de partículas pequeñas, y es que, si tomamos por referencia dos protones de misma carga y masa, la fuerza eléctrica predomina sobre la fuerza gravitatoria en un orden de 10^36. Para que la gravitación se imponga a la repulsión, la masa del protón debería ser 10^18 veces mayor que la carga.

La mera existencia de agujeros negros del tamaño de los protones incluye densidades tan altas que serían mayores que la nuclear, y la creación de dichos agujeros negro implicaría fuerzas de comprensión superiores a las interacciones nucleares fuertes, la más poderosa de todas. Este tipo de agujeros negros reciben el nombre de “primordiales”. Algunos físicos piensan que estos agujeros negros existen y contribuyen directamente de manera significativa a la conocida como materia oscura que falta para explicar el comportamiento a gran escala de las galaxias.

Consideremos ahora un electrón (partícula elemental). Los electrones, junto con los quarks, son unas de las partículas elementales más densas. ¿Podría ser un agujero negro un electrón?
La diferencia entre el electrón y el protón es que el electrón es unas 2000 veces más ligero que el protón y tienen la misma cantidad de carga absoluta. Dado a que un electrón tiene carga eléctrica, correspondería a un agujero del tipo Reissner-Nordstrom (agujero negro con carga eléctrica [se hablarán de las características de estos agujeros negros en otro artículo]), y dichos agujeros no son muy estables, pues entre sus características, incluye la singularidad desnuda, que, a efectos prácticos, es imposible desde el punto de vista físico.

El problema de nuestra interpretación que realizamos “casi sin querer” de las partículas elementales es que las imaginamos como diminutas bolitas indivisibles. 
Una energía localizada en una región del espacio se analiza como la superposición de paquetes discretos que llamamos partículas cuánticas. La propagación de dichas partículas se interpreta con una ecuación de ondas, pero si las registramos con un experimento, se registran dichas partículas como entidades discretas, de forma que sus interacciones si están localizadas en el espacio y el tiempo. El problema de estas entidades discretas es su falta de seguir, de algún modo, un patrón determinista, es decir, son completamente aleatorios. Se dice, debido a este hecho, que las partículas cuánticas fluctúan.
Cuanto más pequeña es la región del espacio en la que fluctúan las partículas, más energéticas son estas fluctuaciones. Dada la famosa ecuación de Einstein que asocia una energía a una masa, y aplicando el principio de incertidumbre de Heisenberg, podemos asociar un tamaño cuántico mínimo a cualquier partícula, que está definido como la región en la que las fluctuaciones de la partícula son significativas:

S=ħ/mc

El campo gravitacional medio de la partícula se “difumina” en la región de espacio con un tamaño S.
Deberemos comparar dicho espacio S con su tamaño gravitacional efectivo que viene dado por la expresión que antes hemos incidido en ella, el radio de Swarzchild:

R=2GM/c^2

Comparando ambas fórmulas, podemos observar a simple vista que el tamaño del espacio gravitacional efectivo R aumenta con la masa mientras que el espacio cuántico S disminuye con la masa. Se puede considerar una masa suficientemente grande como para que R sea mayor que S. Una partícula en la que el espacio R sea mayor al espacio S se comportaría como un micro agujero negro.
El límite del agujero negro sería en el que R fuese muy próxima a S. La masa de este agujero negro se correspondería a la denominada masa de Planck, cuyo valor es 10^9 veces la masa del protón.
Esta masa, en el mundo cuántico, es un valor astronómico. Tan solo, las partículas más pesadas descubiertas hasta ahora son el bosón de Higgs (125 veces la masa de protón) y el quark top (173 veces la masa del protón).

El agujero negro mínimo tendría un tamaño en el orden de 10^-33 cm, distancia conocida como longitud de Planck, y corresponde a la distancia mínima físicamente posible. Cualquier agujero negro con un radio más pequeño que la longitud de Planck ha de interpretarse como una partícula cuántica que fluctúa sobre una región mayor a dicha longitud.

Podemos comprobar que los agujeros negros y las partículas cuánticas son descripciones complementarias: una válida para masas superiores a la de Planck, y la otra para masas superiores.

Existe una rama de la física, única y puramente de especulación teórica, conocida como “gravitación cuántica” y trata de encontrar, dicho de forma sencilla, la transición entre agujeros negros y partículas elementales. Como bien hemos dicho anteriormente, estas transiciones suceden en el orden de la longitud de Planck, y nuestros laboratorios más potentes del mundo (como el Large Hadron Collider [LHC] del CERN, solo alcanzan a resolver distancias del orden de 10^-17 cm (correspondiente al tamaño cuántico del bosón de Higgs), por lo que, tal y como habíamos dicho, se trata de una rama únicamente teórica. Esta teoría es más conocida como la teoría cuántica de cuerdas, según la cual, las partículas elementales son cuerdas cuánticas que vibran en configuraciones simples a distancias un poco mayores a la longitud de Planck. Cuando la energía de estas cuerdas se corresponde a la resultante de multiplicar la masa de Planck por la velocidad de la luz en el vacío al cuadrado, se crea una configuración de cuerdas muy complicada que se comporta como un objeto con muchas partes independientes. El resultado sería un colapso gravitacional clásico de una cuerda cuántica muy compleja dando un agujero negro con la masa de Planck.

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Encélado no para de sorprender a los astrónomos

Escrito por Enunlugarenelcosmos 17-04-2017 en ciencia. Comentarios (0)

Encélado no para de dar sorpresas a las científicos de la NASA, descubierto por William Herschel el 28 de agosto de 1789 y observado por primera vez por las sonda voyager 2 en agosto de 1981.

Encélado tiene un diámetro de unos 500 km, es el sexto satélite más grande de Saturno (Titán es el mayor de los más de 60 satélites conocidos de Saturno). Su superficie esta cubierta de hielo reciente por lo que refleja casi toa la luz del sol que le llega, su temperatura superficial es de unos -198 ºC. Es el decimocuarto más alejado del planeta y orbita dentro de la parte más densa del anillo E. Se ha confirmado que Encélado es la principal fuente de partículas para el tenue anillo E de Saturno. Los científicos estiman que micrometeoroides chocan con la superficie expulsando partículas al espacio y formando una nube alrededor del satélite. Otras partículas con más energía escapan y orbitan Saturno formando así el anillo E.

No fue hasta la llegada de la sonda Cassini y el análisis exhaustivo de cientos de fotografías, realizadas por el equipo científico de la misión, determinó con exactitud extrema los movimientos de rotación y libración del satélite. El movimiento de libración determinado (al ser alto) coincide con la existencia de un océano líquido global debajo de la superficie de hielo. Por tanto, se determinó que existe un núcleo rocoso, rodeado por un océano global, cubierto totalmente por una capa de hielo que es la superficie. Su calor posiblemente lo obtiene de las fuerzas de marea ejercidas por la resonancia orbital 2:1 con Dione, situación similar al caso de Io y Europa, lo cual pudiera proveer la energía necesaria para calentar levemente este satélite, aunque la causa (o causas) del calentamiento de Encélado es un tema de investigación. Sin embargo, análisis de la forma de Encélado sugieren que en algún momento estuvo en una secundaria y forzada espín-órbita 1:4 de libración. Esta libración, como la resonancia con Dione, podría haber proporcionado a Encélado una fuente de calor adicional.

Los últimos descubrimientos señalan agua líquida en forma de océano global, lo que hace pensar en muchas fuentes hidrotermales a lo largo de la superficie rocosa, al fondo del océano, lo que a su vez despierta gran interés por la posible existencia de vida alimentada por dichas fuentes. En el último sobrevuelo de la sonda por Encélado, los investivadores sugieren que el material y partículas por la que paso, contenía hasta un 1,4 por ciento en volumen de hidrógeno molecular y hasta un 0,8 por ciento de volumen de dióxido de carbono, ingredientes críticos para un proceso conocido como metanogénesis, una reacción que sostiene a los microbios en la profundidad de la tierra.

Habrá que esperar a confirmar si se ha podido desarrollar vida en este satélite, de confirmarse vida la habríamos tenido más cerca lo que muchos pensaban. Existen otros satélites que se creen también tienen las condiciones necesarias para el el desarrollo de de microorganismos como Europa en Júpiter.

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El universo de Einstein, su gran intuición.

Escrito por Enunlugarenelcosmos 13-04-2017 en ciencia. Comentarios (0)

La aproximación de Einstein al tema de la gravitación se apoya en varias intuiciones y en diversas sugerencias que se desprenden no sólo de su propia construcción de la teoría de la relatividad especial sino de la forma en que la interpretaron otros físicos y muy en particular Minkowski.

En primer lugar la constatación de que resulta imposible distinguir entre un sistema de referencia acelerado y un sistema de referencia sometida a una fuerza gravitacional. En segundo lugar que de esta indistinguibilidad, y de las consecuencias de todo tipo que ello comporta, se infiere la igualdad entre inercia y gravitación. En tercer lugar que, de acuerdo con su interpretación de las transformaciones de Lorentz, espacio y tiempo dejan de ser entidades separadas para aparecer interconectados. En cuarto lugar que esta interconexión obligará a abandonar, como escenario en el que los fenómenos físicos se despliegan, el espacio y el tiempo como entidades separadas para sustituirlos por una entidad única a la que se denominará espacio-tiempo. Cobran, así, toda su validez las palabras de Minkowski: "Las visiones del espacio y el tiempo que quiero presentarles han emergido del sustrato de la física experimental, y en ello reside su fuerza. Son radicales. A partir de ahora el espacio por sí mismo, y el tiempo por sí mismo están condenados a desaparecer como meras sombras y sólo una cierta unión de ambos preservará una realidad independiente". En quinto lugar que la gravitación afecta al espacio-tiempo de cada “lugar” y le dicta como curvarse. Por último que, al ser el movimiento bajo la acción de un campo gravitacional independiente de la masa del objeto móvil, es lícito pensar que ese movimiento viene ligado al “lugar” y que las trayectorias líneas geodésicas vienen marcadas por la estructura del tejido espacio-temporal en el que deslizan.

La fuerza gravitacional acabaría, así, convirtiéndose en una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo del que habla Minkowski. De ahí se deduce que en este esquema no hay acción a distancia ni misteriosas tendencias a moverse hacia extraños centros , tampoco espacios absolutos que contienen a, o tiempos absolutos que discurran al margen de la materia, como proponía la leyes de la gravitación de Newton.

En palabras del gran físico John Archibald Wheeler, creador de los términos agujero de gusano, agujero negro, espuma cuántica o agujero blanco. "El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse".





El gran descubrimiento de Faraday

Escrito por Enunlugarenelcosmos 10-04-2017 en ciencia. Comentarios (0)

El gran descubrimiento de Faraday surgió cuando enrolló dos solenoides de alambre alrededor de un aro de hierro, y encontró que cuando hacía pasar corriente por un solenoide, otra corriente era temporalmente inducida en el otro solenoide. Este fenómeno se conoce como inducción mutua. Este aparato aún se expone en la Royal Institution. En experimentos posteriores, observó que si hacía pasar un imán a través de una espira de alambre, una corriente eléctrica circularía a través de este alambre. La corriente también fluía si la espira era movida sobre el imán en reposo. Sus demostraciones establecieron que un campo magnético variable generaba un campo eléctrico; esta relación fue modelada matemáticamente por James Clerk Maxwell como la Ley de Faraday, que posteriormente se convertiría en una de las cuatro ecuaciones de Maxwell, y que a su vez evolucionarían a un modelo más general conocido como teoría de campos. Faraday usaría después los principios que había descubierto para construir el dínamo eléctrico, ancestro de los actuales generadores y motores eléctricos.