Electrones a la pista

Enrique Garabetyan (ARGENTINA)

Un rato antes del mediodía Tomás comenzó a alistar la pista de carreras. Era domingo y, como todos los fines de semana desde hacía tres años, para el almuerzo llegarían sus tíos y primos y los jóvenes pasarían la tarde dedicados a su juego preferido: un largo campeonato de carreras de autitos eléctricos a escala, en la completa pista que le había regalado su papá.

Mientras limpiaba los pulsadores pensó, una vez más, cómo hacer para evitar la clásica discusión sobre cuántas vueltas había dado cada competidor para ganar la carrera. Y se le ocurrió que tal vez sus tíos —una pareja de físicos— tuvieran alguna idea.

–¿Sería posible armar una especie de casilla de peaje que cuente las vueltas de cada auto cuando pasa por un punto determinado? —les consultó Tomás, mientras los chicos comenzaban a “calentar motores”.

–¡Seguro que sí! —le contestó su tía, que trabaja en un Instituto de Metrología—. Justo en el instituto estamos trabajando en algo similar, pero para contar el paso de los electrones.

–¿Cómo y para qué se cuentan los electrones? —quiso saber Tomás.

–La carga eléctrica del electrón (que se representa como e) es una de las propiedades fundamentales de uno de los constituyentes del átomo, el ladrillo básico que construye todo lo que nos rodea. Y e es la unidad más pequeña de carga eléctrica que puede encontrarse en forma libre en la naturaleza. Una enorme cantidad de aplicaciones, teorías y mediciones prácticas del mundo de la Física, la Química y la industria requieren conocer, con alto grado de exactitud, su valor numérico —resumió su tía.

Tomás quedó tan interesado que al lunes siguiente, a la salida del colegio, fue a visitar a sus tíos a su lugar de trabajo, y pudo dialogar con sus colegas.

–La e simboliza la carga eléctrica del electrón y es la unidad fundamental de carga eléctrica. Una corriente eléctrica es un montón de electrones circulando en un elemento conductor —le explicó el licenciado en Física, Mariano Real, experto del Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) de la Argentina. Y continuó—: Asociamos a la corriente con la carga. Y nuestra intención es poder contar las cargas individuales fundamentales, los electrones, de manera de poder también determinar la corriente eléctrica con altísima exactitud.

–El gran objetivo de la Metrología actual —agregó la doctora en Física y metróloga Alejandra Tonina— es buscar patrones universales que nos permitan relacionar las unidades de medida con constantes universales, como la carga eléctrica del electrón, para poder, por ejemplo, definir la unidad de medida de corriente eléctrica conocida como el ampere. Para eso tenemos que poder determinar en detalle la carga eléctrica del electrón.

–Por otra parte, todo esto es importante porque durante la próxima reunión de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM), se aprobarán las nuevas definiciones para varias unidades, entre ellas el ampere, que se relaciona con la carga fundamental —le explicó amablemente el doctor Héctor Laiz, presidente del Sistema Interamericano de Metrología y gerente de esta especialidad en el INTI. Y agregó—: Lo que se está discutiendo es una nueva manera de definir las unidades de medida. De aprobarse, será el cambio más profundo en esta temática desde 1960.*

Una carrera electrizante

A fines del siglo XIX, los físicos “corrían” para completar un rompecabezas: la estructura atómica (cómo estaban formados y se comportaban los átomos). Y en su ruta, estimaban los valores exactos de las constantes físicas.

El físico irlandés George Stoney fue el primero en calcular, en 1874, un valor para la unidad básica de la electricidad, a la que denominó electrolion. En 1891 se rectificó y acuñó la palabra electrón para describirla.

Otros científicos propusieron que el átomo no es la partícula más pequeña posible y aventuraron que podría estar compuesto por otras aún menores. En 1897 J.J. Thomson, un físico inglés, propuso por primera vez que en el átomo había unidades hasta mil veces menores y sugirió que entre estas partículas subatómicas —en ese momento hipotéticas— podría estar el electrón. Thomson realizó una serie de experimentos y cálculos que lo llevaron a estimar, aunque con poca exactitud, la carga fundamental ( o carga elemental) del electrón y relacionarla con su masa.

Recién entre 1910 y 1913 el estadounidense Robert Millikan realizó un experimento que logró resultados —entre otros hallazgos— que le valdrían el Premio Nobel de 1923. Y fue el primero en proponer una aceptablemente correcta estimación del valor de la carga eléctrica del electrón.

El experimento de Millikan se basó en medir y comparar la velocidad de movimiento de caída de minúsculas gotas de aceite situadas dentro de una cámara aislada, que se movían en un medio ionizado, cuyo campo eléctrico era controlado. Millikan, a diferencia de sus colegas que probaron métodos similares intentando medir microgotas de agua, decidió probar midiendo la velocidad de las pequeñísimas gotas de aceite. Estas tenían una gran ventaja para hacer las mediciones: al ser más estables no se evaporaban y le permitieron obtener mejores datos experimentales.

En su ensayo, las gotitas de aceite se inyectaban en una cámara cerrada y allí absorbían la carga eléctrica del medio (aire ionizado). Estas gotas ya “cargadas” eléctricamente subían o bajaban bajo la influencia combinada de las fuerzas de gravedad, de la resistencia del aire viscoso y del campo eléctrico variable. Usando una mirilla, Millikan observaba las gotas y medía la velocidad a la que se movían. Después de cronometrar repetidamente los movimientos de estas partículas, el físico pudo calcular la carga eléctrica de las microgotas.

En 1910, publicó los resultados de sus experimentos y demostró que todos los resultados eran múltiplos enteros de una unidad fundamental de la carga eléctrica.

Durante dos años siguió refinando sus experiencias y en 1913 logró resultados que aún hoy impresionan: el valor establecido por Millikan para la carga elemental del electrón fue de 1,592 × 10−19 coulomb. Una cifra apenas menor que el dato actualmente aceptado de 1,602 × 10−19 C.

Sin embargo, con el paso de los años y los avances de la ciencia, aquellas determinaciones originales del valor de la carga fundamental no resultaron suficientes. “Lo que buscamos hoy es un patrón que relacione la constante universal de la carga del electrón, que vale lo mismo en todo el Universo, con la unidad de intensidad de corriente eléctrica que es el ampere” dijo Real.

Para poder medir cargas eléctricas en detalle y relacionarlas luego con la definición del ampere, los metrólogos siguen un camino desafiante: intentar contar prácticamente de uno en uno a los electrones que fluyen en un pequeñísimo cable conductor de un puñado de nanómetros de diámetro (un nanómetro equivale a la milmillonésima parte de un metro) durante un tiempo exacto, tal como quería hacer Tomás con sus autitos de carrera.

Para eso diseñaron equipos de altísima tecnología denominados SET (por sus siglas del inglés, Single Electron-Tunneling) y luego combinaron dichas mediciones con algoritmos matemáticos y técnicas estadísticas. Con esta solución mostraron que es posible contar —uno por uno— a los electrones que fluyen por un cable conductor.

Vale recordar que el número de electrones que pasan en cada segundo por un cable conductor cuando hay un ampere de intensidad de corriente eléctrica es una cantidad enorme de electrones: poco más de 6,24 millones de billones de electrones. En otras palabras, desde el punto de vista metrológico, lo que lograron los expertos es asociar la carga elemental, conocida y bien definida que aporta cada electrón, con la intensidad de la corriente eléctrica que se desea medir.

Así, contando en detalle la cantidad de electrones que circulan por esta especie de “puesto de peaje” o “cuenta-vueltas“ que corren sobre una imaginaria pista de cables conductores, es posible determinar —con exactitud—el valor de la unidad fundamental de la intensidad de corriente eléctrica y, por lo tanto, definir lo que es el ampere.

*NdeR: Los cambios mencionados y las nuevas definiciones de las unidades de medida efectivamente fueron aprobadas en noviembre de 2018 y entrarán en vigencia en mayo del 2019.
Ilustración: Alberto Parra del Riego.

 

 

 

 

 

 

 

 

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