Posts Tagged ‘Sistema Internacional de Unidades’

Medindo Corrente Elétrica – o ampere

14 de outubro de 2019

Eletricidade é algo com que lidamos diariamente. Porém, para medirmos a corrente elétrica é preciso lembrar alguns conceitos:

Eletricidade: é o conjunto de fenômenos relativos à carga elétrica, uma propriedade dos prótons (carga elétrica positiva) e nêutrons (sem carga), que ficam no núcleo do átomo, e dos elétrons (carga elétrica negativa), que ficam ao redor do núcleo.

Carga elétrica elementar : É o valor da carga de um próton ou um elétron. É a menor quantidade de carga encontrada na natureza, igual a 1,602 176 634 x 10-19 C (coulomb). Símbolo e.

Corrente elétrica: Elétrons estão sempre em movimento, e os metais têm muitos elétrons livres em movimento desordenado. Quando se cria uma diferença de potencial em razão de um campo elétrico, esses movimentos passam a ser ordenados no sentido oposto ao do vetor do campo (sentido convencional), criando a corrente elétrica, que é medida em amperes.

O ampere, símbolo A, é definido tomando-se o valor numérico fixo da carga elementar e como sendo 1,602 176 634 x 10-19 quando expressa na unidade C , a qual é igual  a A s, onde o segundo é definido em termos de ∆νCs (valor da frequência do césio). (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018).

A definição anterior do ampere era baseada no valor exato da constante magnética μ0 e não no valor da carga elétrica elementar e. A nova definição fixa o valor exato da constante e de modo que μ0 passa a ser definido experimentalmente.

A nova definição implica a relação exata 1,602 176 634 x 10-19 A s. Ao inverter-se essa relação o ampere  passa a ser expresso em função das constantes e e ∆νCs , como segue:

1 A = (e/1,602 176 634 x 10-19 ) s-1

O efeito dessa definição é que um ampere é a corrente elétrica correspondente ao fluxo de 1 / (1,602 176 634 x 10-19) cargas elementares por segundo. Na prática do dia a dia a mudança é imperceptível, e o ampere continua sendo equivalente a um coulomb por segundo.

 

Medindo Temperatura – o kelvin

7 de outubro de 2019

Temperatura é uma grandeza que nos é bem familiar, e a nossa capacidade natural de perceber calor e frio é o nosso padrão de referência. Medir temperatura, entretanto, é um pouco mais complicado. Estamos habituados a medir temperatura em grau Celsius, unidade “em uso com o SI”. Porém, neste post, vamos tratar da unidade de base do SI para temperatura termodinâmica, o kelvin.

O kelvin, símbolo K, é definido tomando-se o valor numérico fixo da constante de Boltzmann k como sendo 1,380 649 x 10-23 quando expresso na unidade J K-1, a qual é igual a kg m2 s-2 K-1 onde o kilograma, o metro e o segundo são definidos em termos de h (constante de Plank), c (constante da velocidade da luz) e ∆νCs(valor da frequência do césio). (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018).

Por esta definição  k = 1,380 649 × 10−23 kg m2 s − 2 K − 1 exatamente. A inversão dessa relação fornece uma expressão exata para o kelvin em termos das constantes definidoras k (constante de Boltzmann), h (constante de Planck), ΔνCs (variação do césio):

1 K = (1,380649/k) x 10-23 kg m2 s-2

A temperatura é proporcional à energia cinética média das moléculas de um sistema, de modo que quanto mais “agitadas” estão as moléculas, maior a sua energia térmica, e a constante de Boltzmann relaciona a energia (em joule) com a temperatura (em kelvin). Já vimos essa estratégia antes. Ao se atribuir um valor exato e fixo à constante, o referencial físico antes considerado deixa de ser exato e passa a ser definido experimentalmente. No caso, esse referencial é o ponto triplo da água, isso porque a definição anterior de kelvin havia fixado a temperatura do ponto triplo da água como, exatamente, 273,16 K.

Por conta disso pode-se expressar a temperatura termodinâmica em termos da sua diferença em relação ao ponto de fusão do gelo (273,15 K à pressão de 101,325 kPa). Essa diferença é chamada temperatura Celsius. Como a unidade grau Celsius (símbolo °C ) tem, por definição, magnitude igual à unidade kelvin, a conversão entre elas é imediata. Basta subtrair o valor numérico de 273,15 da temperatura expressa em kelvin para obter o equivalente em grau Celsius.

 

Medindo Tempo – o segundo

9 de setembro de 2019

Já escrevemos muito sobre o tempo, essa grandeza fugidia, aqui no Almanaque. Este post, entretanto, procura explicar como os cientistas obtiveram a definição da unidade SI de medir o tempo, o segundo.

O segundo é definido como sendo a duração de 9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133. (Unidade de Base ratificada pela 13ª CGPM – 1967.)

Definição aparentemente espinhosa, essa! Mas veja:

O átomo de Césio 133 (símbolo Cs) foi escolhido por ter radiação de alta frequência e por ser estável. A transição entre os níveis hiperfinos, ou seja, a diferença de energia entre os níveis é o Δν. Frequência é dada em hertz. Assim, a definição implica a relação exata ΔνCs = 9 192 631 770 Hz (que é uma constante da física).

No modelo atômico atualmente aceito, as órbitas dos elétrons correspondem a níveis de energia. Para mover-se entre os níveis os elétrons precisam absorver ou liberar uma certa quantidade de energia na forma de radiação eletromagnética, cuja frequência depende da diferença de energia entre os dois níveis (Δν). A essa transição dá-se o nome de “salto quântico”.

No caso do átomo de césio (símbolo Cs), conforme mostra a ilustração, a frequência ( ΔνCs) é da ordem de 9 192 631 770 períodos, ou seja, hertz. Pois bem, o que a definição diz é que o segundo é o tempo equivalente à duração desses períodos de radiação! Com isso, tanto o segundo (unidade de tempo)  quanto o hertz (unidade de frequência) foram definidos numa única tacada.

Viva o Dia Mundial da Metrologia!

19 de maio de 2016

iconesmetrologicosNo dia 20 de maio do ano de 1875 (portanto há 141 anos!) foi assinada a Convenção do Metro! Nunca é demais repetir como foi importante para o comércio, para a indústria, para a agricultura, para a tecnologia, para a ciência e para a maioria das atividades humanas a criação do Sistema Métrico Decimal e a sua adoção como referência internacional em metrologia.

Hoje o Sistema Internacional de Unidades – SI, derivado do Sistema Métrico, é adotado pela quase totalidade dos países (exceto Mianmar, Libéria e Estados Unidos da América), o que tem facilitado imensamente o intercâmbio comercial, o desenvolvimento industrial e a pesquisa científica.

Aliás, em se tratando de ciência os Estados Unidos deixam de lado a sua incompreensível aversão ao SI e adotam de bom grado os seus conceitos e preceitos. A razão é simples: Não é possível fazer ciência de ponta utilizando um sistema de medidas medieval derivado do antigo Sistema de Medidas Britânico, o qual foi abandonado pelos próprios ingleses há quase duzentos anos! Sim, como bons europeus os ingleses utilizam o Sistema Internacional de Unidades!

 

As 7 unidades de base do SI (atualizadas conforme a 26ª CGPM)

2 de fevereiro de 2010

Sistema Internacional de Unidades – SI dá conta de uma grande variedade grandezas físicas, que são as propriedades mensuráveis dos corpos. Apresentamos aqui as 7 (sete) unidades de base do SI, usadas para definir as outras unidades. Para ver o sistema completo com todas as unidades, múltiplos e submúltiplos, e as regras para grafia dos símbolos, clique aqui.

Algumas das definições a seguir não são muito fáceis de compreender, sobretudo para quem não é do ramo das ciências exatas. Por isso, cada uma delas tem um link para uma explicação mais detalhada e em linguagem mais acessível (pelo menos assim esperamos…).

O metro, unidade de medir comprimento.  O metro é o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo, durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 de segundo. (Unidade de Base ratificada pela 17ª CGPM – 1983) A partir dele são definidos os conceitos para área, volume, velocidade etc. Símbolo: m

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

O quilograma ou kilograma (*), unidade de medir massa, é definido tomando-se o valor numérico fixo da constante de Plank h como sendo 6,626 070 15 x 10-34 quando expresso na unidade J s (joule segundo), a qual é igual a kg m2 s-1 quando o metro e o segundo são definidos em termos de c (constante da velocidade da luz) e ∆νCs (valor da frequência do césio). (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: kg

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

 O segundo, unidade de medir tempo, é a duração de  9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133. (Unidade de Base ratificada pela 13ª CGPM – 1967.). A partir dessa definição foram obtidas outras unidades, como a velocidade, a aceleração e, mesmo, o próprio metro. Símbolo: s

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

O kelvin (*), unidade de medir temperatura termodinâmica, é definido tomando-se o valor numérico fixo da constante de Bolstzmann k como sendo 1,380 649 x 10-23 quando expresso na unidade J K-1, a qual é igual a kg m2 s-2 K-1 onde o kilograma, o metro e o segundo são definidos em termos de h (constante de Plank), c (constante da velocidade da luz) e ∆νCs (valor da frequência do césio). (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: K

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

A candela é a unidade para medir intensidade luminosa. É a Intensidade luminosa, numa direção dada, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de freqüência 540 x 1012 hertz e cuja intensidade energética naquela direção é 1/683 watt por esterradiano. (Unidade de Base ratificada pela 16ª CGPM – 1979). Símbolo: cd

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

O mol (*) é a unidade de medir quantidade de matéria. Um mol contém exatamente 6,022 140 76 x 1023 entidades elementares. Este número é o valor numérico fixo da constante de Avogadro, NA, quando expresso na unidade mol-1, chamada de número de Avogadro. (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: mol

A grandeza “quantidade de matéria” de um sistema é a medida de um número especificado de entidades elementares, que pode ser um átomo, uma molécula, um íon, um elétron ou qualquer outra partícula ou grupo especificado de partículas.

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

O ampere (*) é a unidade de medir corrente elétrica. É definido tomando-se o valor numérico fixo da carga elementar e como sendo 1,602 176 634 x 10-19 quando expressa unidade C (coulomb, unidade de carga elétrica), a qual é igual  a A s, onde o segundo é definido em termos de ∆νCs (valor da frequência do césio). (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: A

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

*Importante: No dia 20 de maio de 2019 entraram em vigor as novas definições do  quilograma, do ampere, do kelvin e do mol. A decisão foi tomada na 26ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) em 16 de novembro de 2018.