Nuevas tecnologías y nuevos materiales: Laseres
Preguntas
1.
Nuevas tecnologías ¿Qué es la nanotecnología?
La nanotecnología es
una nueva tecnología que se basa en la manipulación de materiales
microscópicos. Para comprender mejor este concepto, es de gran ayuda conocer lo
que el término “nano” significa. Éste se refiere a una unidad de medida que
corresponde a la milmillonésima parte de un metro.
2. ¿Cuáles son las aplicaciones de
la nanotecnología?
Nos hemos centrado aquí en unos pocos productos en los que la nanotecnología
es ya una realidad. Sin embargo, las aplicaciones a medio y largo plazo son
infinitas. Los campos que están experimentando contínuos avances son:
- Energias alternativas, energía del hidrógeno, pilas (células) de
combustible, dispositivos de ahorro energético.
- Administración de medicamentos, especialmente para combatir el cáncer
y otras enfermedades.
- Computación cuántica, semiconductores, nuevos chips.
- Seguridad. Microsensores de altas prestaciones. Industria militar.
-Aplicaciones industriales muy diversas: tejidos, deportes, materiales,
automóviles, cosméticos, pinturas, construcción, envasados alimentos, pantallas
planas...
- Contaminación medioambiental.
- Prestaciones aeroespacioles: nuevos materiales, etc.
- Fabricación molecular.
3. Nuevos materiales ¿Qué es un material
superconductor? ¿El Grafeno?
Un material superconductor es cuando tiene la capacidad de conducir
corriente eléctrica sin resistencia ni perdida de energía en determinadas
condiciones.El grafeno es una sustancia
formada por carbono puro, además de ser uno de los materiales más finos,
flexibles, fuertes y con mayor conductividad que existen.
4.
¿Cuáles son las aplicaciones de
los materiales superconductores?
Son en las
telecomunicaciones debido a su fibra óptica por su resistencia en las
interferencias electromagnéticas.
5. Láseres ¿Qué es un rayo láser?
El rayo láser es un
haz de luz supermasivo que se caracteriza por manterse limitado a una pequeña
área de superficie, no perdiendo su fuerza por la difusión en su alrededor.
Esto permite que un haz de luz haga un largo viaje y llegue a destino con casi la misma potencia con la que fue emitido.
Para el diccionario, Laser es un "dispositivo electrónico que, basado en la emisión estimulada de radiación de las moléculas de gas que contiene, genera o amplifica un haz de luz monocromática y coherente de extraordinaria intensidad."
El nombre proviene de las siglas de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations.
Esto permite que un haz de luz haga un largo viaje y llegue a destino con casi la misma potencia con la que fue emitido.
Para el diccionario, Laser es un "dispositivo electrónico que, basado en la emisión estimulada de radiación de las moléculas de gas que contiene, genera o amplifica un haz de luz monocromática y coherente de extraordinaria intensidad."
El nombre proviene de las siglas de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations.
6.
¿Cuáles son las aplicaciones del
rayo láser?
Taladrar diamantes,
recortar componentes micro eléctrico y calendar chips.
En la construcción
de carreteras y edificios se utilizan los láseres para alinear las estructuras.
Detectar los
movimientos de la corteza terrestre.
Determinar la
velocidad de la luz.
Medicina: Cortar y
cauterizar ciertos tejidos en una fracción de segundo sin dañar el tejido sano
circundante.
Se ha empleado para soldar la
retina, perforar el cráneo, reparar lesiones y cauterizar vasos sanguíneos.
Actividad
Material:
·Un emisor
láser de tipo común (llavero)
·Almidón
·Vaso de precipitados de 500 ml.
·Espejo
·Lamina de plástico
·Transportador.
Procedimiento:
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Incluir foto
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1.- Al
apuntar con el emisor láser a una superficie se puede observar un punto rojo
que corresponde a la incidencia del rayo láser sobre esa superficie.
Espolvorea un
polvo dentro del vaso
de precipitados entre el emisor y el punto se puede observar el rayo
láser debido a la reflexión del mismo en las partículas de polvo.(Almidón)
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2.- Rayo láser a
través del agua
Se utiliza el
vaso de precipitados con agua. Se emite un rayo láser en la parte externa y
se dirige de tal manera que atraviese la caja. Se puede observar que el rayo
se ve claramente dentro de la caja en la cual se ha agregado un poquito de
almidón y se agita pero no se percibe fuera de ella.
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3.- Rayo láser
dentro del vaso de precipitados
Se utiliza el
vaso de precipitados, se espolvorea almidón dentro del vaso con agua. Desde la parte externa de la caja se
activa un emisor láser de tipo común (llavero), se puede observar el rayo
solamente dentro de la caja fuera de ella no se percibe.
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4.- Trayectoria
de la luz en una superficie transparente
En el vaso
de precipitados se espolvorea almidón y se coloca un vidrio transparente en
posición vertical. Al hacer incidir un rayo láser, formando un ángulo con la
superficie de trasparente, se puede observar que parte del rayo atraviesa la
superficie y otra parte se refleja en la misma, siendo de menor intensidad el
rayo reflejado.
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5.- Trayectoria
de la luz en una superficie semitransparente
En el vaso que
contiene almidón espolvoreado en agua se coloca un vidrio semitransparente en
posición vertical. Al hacer incidir un rayo láser, formando un ángulo con la
superficie semitransparente, se puede observar que parte del rayo atraviesa
la superficie y otra parte se refleja en la misma, siendo de mayor intensidad
el rayo reflejado.
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6.- Reflexión
especular de la luz
Se utiliza el
vaso de precipitados que contiene un poco de almidón espolvoreado en agua. Al
hacer incidir un rayo láser, proveniente de un apuntador, sobre un espejo
colocado en su base, se puede observar que el rayo se refleja de forma
nítida.
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7.- Reflexión
difusa de la luz
Se utiliza el
vaso de precipitados que contiene un poco de almidón espolvoreado en agua. Al
hacer incidir un rayo láser, proveniente de un apuntador, sobre una
superficie del CD, colocado en su base, se puede observar que el rayo se
refleja de manera difusa.
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8.- Ley de la
Reflexión de la Luz
Se utiliza
el vaso de precipitados que contiene un poco de almidón espolvoreado en agua.
Al hacer incidir un rayo láser, proveniente de un apuntador, sobre un espejo
colocado en su base, se puede observar que el ángulo del rayo incidente es
igual al ángulo del rayo reflejado. Medir con el transportador.
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9.- Doble
reflexión en espejos que forman 90º
Se dispone de dos
pequeños espejos que forman 90º entre sí y se encuentran ubicados dentro del
vaso de precipitados que contiene un poco de almidón espolvoreado en agua. Al
hacer incidir un haz de rayo láser en uno de los espejos y ajustarlo de tal
manera que se refleje en el otro, se puede observar que el rayo de la segunda
reflexión es paralelo al rayo incidente.
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10.- Doble
reflexión de la luz 45º
Se dispone de dos
pequeños espejos que forman 45º entre sí y se encuentran ubicados dentro del
vaso de precipitados que contiene un poco de almidón espolvoreado en agua. Al
hacer incidir un haz de rayo láser en uno de los espejos y ajustarlo de tal
manera que se refleje en el otro, se puede observar que el rayo de la segunda
reflexión es convergente con el rayo incidente, formándose un triángulo de
rayos láser entre los espejos.
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Conclusiones:
Aplicaciones:
·Industria
Los haces enfocados pueden calentar, fundir o
vaporizar materiales de forma precisa. Por ejemplo, los láseres se usan para
taladrar diamantes, modelar máquinas herramientas, recortar componentes
microelectrónicos, calentar chips semiconductores, cortar patrones de moda,
sintetizar nuevos materiales o intentar inducir la fusión nuclear controlada.
·Investigación científica
Los láseres se emplean para detectar los
movimientos de la corteza terrestre y para efectuar medidas geodésicas. También
son los detectores más eficaces de ciertos tipos de contaminación atmosférica.
Los láseres se han empleado igualmente para determinar con precisión la
distancia entre la Tierra y la Luna y en experimentos de relatividad.
·Comunicaciones
La luz de un láser puede viajar largas
distancias por el espacio exterior con una pequeña reducción de la intensidad
de la señal. Debido a su alta frecuencia, la luz láser puede transportar, por
ejemplo, 1.000 veces más canales de televisión de lo que transportan las
microondas. Por ello, los láseres resultan ideales para las comunicaciones
espaciales
·Medicina
Con haces intensos y estrechos de luz láser es
posible cortar y cauterizar ciertos tejidos en una fracción de segundo sin
dañar al tejido sano circundante. El láser se ha empleado para `soldar' la retina,
perforar el cráneo, reparar lesiones y cauterizar vasos sanguíneos. También se
han desarrollado técnicas láser para realizar pruebas de laboratorio en
muestras biológicas pequeñas.
·Tecnología militar
Los sistemas de guiado por láser para misiles,
aviones y satélites son muy comunes. La capacidad de los láseres de colorante
sintonizables para excitar de forma selectiva un átomo o molécula puede llevar
a métodos más eficientes para la separación de isótopos en la fabricación de
armas nucleares.
Jueves
Preguntas
1. Física
1 Acerca de la Física
La física es
muy antigua, los primeros hombres, sin saber ni siquiera que estaban haciendo
ciencia ya hacían algunos experimentos de física, es así como llegaron a hacer
fuego, inventaron (o descubrieron) la rueda, crearon máquinas simples pero muy
efectivas, y así...
2. Fenomenos mecanicos
MOVIMIENTO
Y SISTEMA DE REFERENCIA. El movimiento es el cambio de posición de un objeto o
partícula con respecto a un sistema de referencia descrito a través del tiempo.
Un sistema de referencia puede ser un punto, o un conjunto de puntos, o un
cuerpo, con la condición que éste se encuentre en reposo o se mueva de manera
rectilínea y uniforme.
VELOCIDAD.
Representa el cambio de posición de un cuerpo (desplazamiento) realizado en un
intervalo de tiempo. La velocidad tiene magnitud, dirección y sentido; en
general el curso de Física I se ocupa sobre todo de su magnitud, a la cual se
le conoce como rapidez. La rapidez es el resultado de la división del cambio de
posición entre el intervalo de tiempo empleado en hacer el cambio de dicha
posición; se mide en m/s, cm/s, km/h, mi/h, etc.
Aclaración:
en el lenguaje popular la rapidez es sinónimo de velocidad, pero aquí
necesitamos la distinción pues la velocidad es un vector (con magnitud,
dirección y sentido), mientras que la rapidez no es un vector (solo tiene
magnitud).
ACELERACION. Es lo que resulta
de hacer la división del cambio de velocidad entre el intervalo de tiempo
empleado para dicho cambio. La aceleración también es un vector, sin embargo en
el curso de Física I es raro que se le trate como vector, y lo común es que solo
se emplee la magnitud de la aceleración como modificador de la rapidez.
3. Fenomenos termodinámicos
Un
fenómeno termodinámico es aquel en los que se realizan intercambios de calor y
de trabajo.
Todo de acuerdo a los
principios de la termodinámica
Un ejemplo seria la máquina de vapor obtenía
trabajo a partir del calor
4. Física
2 Fenómenos
ondulatorios mecánicos
Se
le llama movimiento ondulatorio a la propagación de la energía por medio de una perturbación de un
medio y no por el movimiento de este.
No implica transporte de
energía de un punto a otro.
5.Fenómenos
electromagnéticos
El
electromagnetismo es la fuerza que causa la interacción entre las
partículas cargadas
eléctricamente, las áreas en las que esto ocurre se llaman los campos
electromagnéticos.
Se
manifiesta como los campos
eléctricos y los campos magnéticos.
Un campo eléctrico variable
genera un campo magnético y este genera un campo eléctrico , este efecto se
llama la inducción electromagnética
6.
Física Contemporánea
La física contemporánea es la
física que se estudia actualmente, en el ámbito molecular se estudian las
interacciones atómicas; en el ámbito astronómico se estudian los cuerpos y su
capacidad de distorsionar el espacio-tiempo. Hasta el momento tienen gran
similitud la física moderna y la contemporánea, de no ser que salga algún genio
descubra cosas nuevas que la física hasta entonces moderna sea cambiada.
Como quien dice la física contemporánea es la física actualizada hasta nuestros días.
Como quien dice la física contemporánea es la física actualizada hasta nuestros días.
Superconductores
Un superconductor es un material que no opone
resistencia al flujo de corriente eléctrica por él.
La superconductividad es una propiedad presente en muchos metales y algunas cerámicas, que aparece a bajas temperaturas, caracterizada por la pérdida de resistividad a partir de cierta temperatura característica de cada material, denominada temperatura crítica.
Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos.
El fenómeno fue observado por primera vez en 1911 por el físico holandés H. Kamerlingh Onnes, y sus explicaciones teóricas tardaron más de cuarenta años en establecerse.
El hecho de que la teoría que explicaba este fenómeno se mostrara tan elusiva tiene su justificación en que ni la teoría clásica de materiales, construida por Drude y Lorentz, ni la posterior teoría cuántica que Bloch y Grüneisen desarrollaron en la década de los treinta podían dar cuenta del fenómeno de la desaparición de resistencia eléctrica.
Por su ausencia de resistencia, los superconductores se han utilizado para fabricar electroimanes que generan campos magnéticos intensos sin pérdidas de energía. Los imanes superconductores se han utilizado en estudios de materiales y en la construcción de potentes aceleradores de partículas. Aprovechando los efectos cuánticos de la superconductividad se han desarrollado dispositivos que miden la corriente eléctrica, la tensión y el campo magnético con una sensibilidad sin precedentes.
El descubrimiento de mejores compuestos semiconductores es un paso significativo hacia una gama mayor de aplicaciones, entre ellas ordenadores más rápidos y con mayor capacidad de memoria, reactores de fusión nuclear en los que el plasma se mantenga confinado por campos magnéticos, trenes de levitación magnética de alta velocidad y, tal vez lo más importante, una generación y transmisión más eficiente de la energía eléctrica.
El Premio Nobel de Física de 1987 se concedió al físico alemán J. Georg Bednorz y al físico suizo K. Alex Mueller por su trabajo sobre la superconductividad a altas temperaturas.
La superconductividad es una propiedad presente en muchos metales y algunas cerámicas, que aparece a bajas temperaturas, caracterizada por la pérdida de resistividad a partir de cierta temperatura característica de cada material, denominada temperatura crítica.
Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos.
El fenómeno fue observado por primera vez en 1911 por el físico holandés H. Kamerlingh Onnes, y sus explicaciones teóricas tardaron más de cuarenta años en establecerse.
El hecho de que la teoría que explicaba este fenómeno se mostrara tan elusiva tiene su justificación en que ni la teoría clásica de materiales, construida por Drude y Lorentz, ni la posterior teoría cuántica que Bloch y Grüneisen desarrollaron en la década de los treinta podían dar cuenta del fenómeno de la desaparición de resistencia eléctrica.
Por su ausencia de resistencia, los superconductores se han utilizado para fabricar electroimanes que generan campos magnéticos intensos sin pérdidas de energía. Los imanes superconductores se han utilizado en estudios de materiales y en la construcción de potentes aceleradores de partículas. Aprovechando los efectos cuánticos de la superconductividad se han desarrollado dispositivos que miden la corriente eléctrica, la tensión y el campo magnético con una sensibilidad sin precedentes.
El descubrimiento de mejores compuestos semiconductores es un paso significativo hacia una gama mayor de aplicaciones, entre ellas ordenadores más rápidos y con mayor capacidad de memoria, reactores de fusión nuclear en los que el plasma se mantenga confinado por campos magnéticos, trenes de levitación magnética de alta velocidad y, tal vez lo más importante, una generación y transmisión más eficiente de la energía eléctrica.
El Premio Nobel de Física de 1987 se concedió al físico alemán J. Georg Bednorz y al físico suizo K. Alex Mueller por su trabajo sobre la superconductividad a altas temperaturas.
Fibras ópticas
Introducción
El primer intento
de utilizar la luz como soporte para una transmisión fue realizado por
Alexander Graham Bell, en el año 1880. Utilizó un haz de luz para llevar
información, pero se evidenció que la transmisión de las ondas de luz por la
atmósfera de la tierra no es práctica debido a que el vapor de agua, oxigeno y
partículas en el aire absorben y atenúan las señales en las frecuencias de luz.
Se ha buscado
entonces la forma de transmitir usando una línea de transmisión de alta
confiabilidad que no reciba perturbaciones desde el exterior, una guía de fibra
llamada Fibra óptica la cual transmite información lumínica.
La fibra óptica
puede decirse que fue obtenida en 1951, con una atenuación de 1000 dB/Km. (al
incrementar la distancia 3 metros la potencia de luz disminuía ½), estas
perdidas restringía, las transmisiones ópticas a distancias cortas. En 1970, la
compañía de CORNING GLASS de Estados Unidos fabricó un prototipo de fibra
óptica de baja perdida, con 20 dB/Km. Luego se consiguieron fibras de 7 dB/Km.
(1972), 2.5 dB/Km. (1973), 0.47 dB/Km. (1976), 0.2 dB/Km. (1979). Por tanto a finales
de los años 70 y a principios de los 80, el avance tecnológico en la
fabricación de cables ópticos y el desarrollo de fuentes de luz y detectores,
abrieron la puerta al desarrollo de sistemas de comunicación de fibra óptica de
alta calidad, alta capacidad y eficiencia. Este desarrollo se vio apoyado por
diodos emisores de luz LEDs, Fotodiodos y LASER (amplificación de luz por
emisión estimulada de radiación).
La Fibra Óptica es
una varilla delgada y flexible de vidrio u otro material transparente con un
índice de refracción alto, constituida de material dieléctrico (material que no
tiene conductividad como vidrio o plástico), es capaz de concentrar, guiar y
transmitir la luz con muy pocas pérdidas incluso cuando esté curvada. Está
formada por dos cilindros concéntricos, el interior llamado núcleo (se
construye de elevadísima pureza con el propósito de obtener una mínima
atenuación) y el exterior llamado revestimiento que cubre el contorno (se
construye con requisitos menos rigurosos), ambos tienen diferente índice de
refracción ( n2 del revestimiento es de 0.2 a 0.3 %
inferior al del núcleo n1 ).
El diámetro
exterior del revestimiento es de 0.1 mm . aproximadamente y el diámetro del
núcleo que transmite la luz es próximo a 10 ó 50 micrómetros. Adicionalmente
incluye una cubierta externa adecuada para cada uso llamado recubrimiento.
Ventajas de la
tecnología de la fibra óptica
Baja Atenuación
Las fibras ópticas
son el medio físico con menor atenuación. Por lo tanto se pueden establecer
enlaces directos sin repetidores, de 100 a 200 Km . con el consiguiente aumento
de la fiabilidad y economía en los equipamientos.
Gran ancho de
banda
La capacidad de
transmisión es muy elevada, además pueden propagarse simultáneamente ondas
ópticas de varias longitudes de onda que se traduce en un mayor rendimiento de
los sistemas. De hecho 2 fibras ópticas serían capaces de transportar, todas
las conversaciones telefónicas de un país, con equipos de transmisión capaces
de manejar tal cantidad de información (entre 100 MHz/Km a 10 GHz/Km).
Peso y tamaño
reducidos
El diámetro de una
fibra óptica es similar al de un cabello humano. Un cable de 64 fibras ópticas,
tiene un diámetro total de 15 a 20 mm . y un peso medio de 250 Kg/km. Si
comparamos estos valores con los de un cable de 900 pares calibre 0.4 (peso
4,000 Kg/Km y diámetro 40 a 50 mm ) se observan ventajas de facilidad y costo
de instalación, siendo ventajoso su uso en sistemas de ductos congestionados,
cuartos de computadoras o el interior de aviones.
Gran
flexibilidad y recursos disponibles
Los cables de fibra
óptica se pueden construir totalmente con materiales dieléctricos, la materia
prima utilizada en la fabricación es el dióxido de silicio (Si0 2 ) que es uno
de los recursos más abundantes en la superficie terrestre.
Aislamiento
eléctrico entre terminales
Al no existir
componentes metálicos (conductores de electricidad) no se producen inducciones
de corriente en el cable, por tanto pueden ser instalados en lugares donde
existen peligros de cortes eléctricos.
Ausencia de
radiación emitida
Las fibras ópticas
transmiten luz y no emiten radiaciones electromagnéticas que puedan interferir
con equipos electrónicos, tampoco se ve afectada por radiaciones emitidas por
otros medios, por lo tanto constituyen el medio más seguro para transmitir
información de muy alta calidad sin degradación.
Costo y
mantenimiento
El costo de los
cables de fibra óptica y la tecnología asociada con su instalación ha caído
drásticamente en los últimos años. Hoy en día, el costo de construcción de una
planta de fibra óptica es comparable con una planta de cobre. Además, los
costos de mantenimiento de una planta de fibra óptica son muy inferiores a los
de una planta de cobre. Sin embargo si el requerimiento de capacidad de
información es bajo la fibra óptica puede ser de mayor costo.
Las señales se
pueden transmitir a través de zonas eléctricamente ruidosas con muy bajo índice
de error y sin interferencias eléctricas.
Las características
de transmisión son prácticamente inalterables debido a los cambios de
temperatura, siendo innecesarios y/o simplificadas la ecualización y
compensación de las variaciones en tales propiedades. Se mantiene estable entre
-40 y 200 ºC .
Por tanto
dependiendo de los requerimientos de comunicación la fibra óptica puede constituir
el mejor sistema.
Desventajas de
la fibra óptica
El costo de la
fibra sólo se justifica cuando su gran capacidad de ancho de banda y baja
atenuación son requeridos. Para bajo ancho de banda puede ser una solución
mucho más costosa que el conductor de cobre.
La fibra óptica no
transmite energía eléctrica, esto limita su aplicación donde el terminal de
recepción debe ser energizado desde una línea eléctrica. La energía debe
proveerse por conductores separados.
Las moléculas de
hidrógeno pueden difundirse en las fibras de silicio y producir cambios en la
atenuación. El agua corroe la superficie del vidrio y resulta ser el mecanismo
más importante para el envejecimiento de la fibra óptica.
Incipiente
normativa internacional sobre algunos aspectos referentes a los parámetros de
los componentes, calidad de la transmisión y pruebas.
- Teoría de propagación
- Tipos de fibras ópticas
- Propiedades de la fibra óptica
- Empalmes y conexión de fibras ópticas
- Propiedades de transmisión de la fibra óptica
- Propiedades físicas de la fibra óptica
- Pruebas mecánicas sobre un cable óptico
- Conversión eléctrica – óptica
- Emisores y receptores ópticos
- Cálculo de enlace fibra óptica
Ver Historia de la Astronomía
Recapitulación:
Esta semana se realizo
una práctica el día martes, donde se observo el funcionamiento del rayo laser,
el cual es una de nuestros temas de esta semana, se hizo con un laser, un vaso
de precipitado, agua y un espejo.
El día jueves en cambio
vimos videos donde nos explicaban su funcionamiento de fibra óptica y el
profesor acerca de este tema nos mostro una lamparita de colores como ejemplo
de fibra óptica.
Por último en la clase del
viernes se hizo la recopilación de todo lo visto en la semana.
Cinthya, saludos, muy buen trabajo, queda registrado.
ResponderEliminarProf. Agustín