Unidades de patrones

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SISTEMA DE UNIDADES Y PATRONES ELÉCTRICOS
Daniel Slomovitz

Montevideo, Uruguay, Marzo, 1999

I. Introducción El actual Sistema Internacional de Unidades [1.1] tiene, entre sus unidades básicas, el metro, kilogramo masa, segundo y amperio. A partir de estas 4 unidades se definen todas las restantes del área eléctrica, denominadas unidades derivadas. Otras unidades básicas, tal como lade temperatura, sólo influyen indirectamente. Por definición, el metro es la longitud recorrida por la luz en el vacío durante un determinado tiempo (1/299 792 458 s), y el segundo un múltiplo (9 192 613 770) del tiempo asociado a una de las transiciones del átomo de Cesio. La masa es la única unidad que aun sigue estando basada en un artefacto. Ésta es una masa patrón que se conserva en la Oficinade Pesas y Medidas (BIPM) en Sèvres, Francia. Por último, el amperio se define como la corriente que circulando por dos conductores rectilíneos paralelos distanciados un metro, produce una fuerza entre ellos de 2.10-7 N por metro de longitud. Las unidades derivadas están definidas en función de las básicas. En este sentido, la unidad de potencia, el vatio, basa su definición exclusivamente en lasmagnitudes mecánicas (1 W=1 N.m/s). El voltio está definido como la tensión necesaria para producir un vatio sobre un elemento por el que circula un amperio en corriente continua (1 V=1 W/A) y el ohmio como la resistencia necesaria para producir una caída de un voltio al circular un amperio (1 Ω=1 V/A).

la unidad. Estos son artefactos que reproducen el mecanismo de la propia definición y portanto los más precisos, por principio. Por ejemplo, en el caso del voltio se trata de un dispositivo electromecánico [2.1] en el cual intervienen balances de fuerza y potencia mecánica; así como fuerzas magnéticas que representan al amperio. Estos dispositivos son complejos, tanto en su construcción como en su operación y sólo unos pocos laboratorios en el mundo los han desarrollado. Por otraparte, la exactitud lograda hasta el momento no supera las 0.4 ppm, mientras que la tecnología actual en esta magnitud demanda mayor precisión. Una estrategia totalmente diferente para el logro de un patrón de tensión continua, se ha desarrollado basada en otros principios. En el campo de la física de bajas temperaturas, que en principio no tenía conexión alguna con la metrología eléctrica, en 1962Josephson [2.2] descubrió una relación que vincula la tensión con la frecuencia y determinadas constantes universales. Estas constantes son la carga del electrón y la contante de Plank, las que influyen a través de la relación 2e/h, llamada constante de Josephson. El dispositivo está basado en una juntura formada por dos superconductores aislados por una fina barrera aislante. La aplicación de unatensión continua U provoca una cierta corriente continua por efecto túnel, pero al mismo tiempo aparece una corriente alterna de muy alta frecuencia relacionada con dicha tensión según fJ = (2e/h) U (2.1)

II. Patrones en corriente continua En lo concerniente a los patrones, estos son dispositivos que representan a la unidad. Están los así llamados patrones que realizan siendo fJ la frecuencia dela referida corriente. En sí misma, la juntura trabaja como un transductor frecuencia-tensión. Lo interesante es que las frecuencias se pueden medir con

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muy pequeña incertidumbre (1E-13), lo cual permitiría disponer de una fuente patrón con una estabilidad 6 ordenes mejor que las pilas patrones saturadas (anterior patrón primario). El otro hecho importante es que el valor de salida dependesólo de constantes universales, por lo que no es necesario ninguna rutina de mantenimiento. Se elimina el engorroso trabajo de intercomparación periódica de pilas. Técnicamente, el equipo es relativamente complejo. La primer dificultad radica en que la corriente es de frecuencia muy alta, de valor bajo, difícil de medir; y el voltaje muy pequeño. Por esto, se agrega una excitación externa de...