Realização das unidades de base do Sistema Internacional de Unidades (SI)
robótica
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Rui Vilela Dionísio Departamento de Sistemas e Informática Escola Superior de Tecnologia de Setúbal do Instituto Politécnico de Setúbal
instrumentação
2.ª Parte
1. REALIZAÇÃO DO AMPÈRE A realização do ampère pode ser efectuada recorrendo a um de três métodos: • à lei de Ohm I=U/R, à relação de unidades A=V/Ω e às realizações práticas das unidades derivados do SI o volt V e o ohm Ω, baseadas nos efeitos de Josephson e Hall quântico, respectivamente; • ao transporte de um único electrão (SET, do inglês “Single Electron Transport”) ou dispositivo semelhante, à relação de unidades A=C/s, ao valor da carga elementar, e, apresentado na definição do ampère e à realização prática da unidade de base do SI o segundo s; • à relação I=C dU/dt, à relação de unidades A=F V/s e às realizações práticas das unidades derivados do SI o volt V e o farad F e da unidade de base do SI o segundo s. Destes, apenas se detalha a realização do ampère através da lei de Ohm em que é necessário referir a realização prática do volt e a do ohm. A realização prática do volt é conseguida através do efeito de Josephson, sendo o valor da constante de Josephson KJ=483 597,848 416 984 GHz V−1 (embora o valor adotado pelo CIPM – “Comité International des Poids et Mesures”, a 1 de Janeiro de 1990 seja KJ-90=483 597,9 GHz V−1). Este valor resulta da equação K J=2e/h amplamente corroborada por variadíssimos trabalhos experimentais e teóricos e pelos valores da constante de Planck, h, e da carga elementar, e. O efeito de Josephson foi previsto em 1962 por Brian Josephson1 e traduz-se no facto de que quando se interpõe uma camada de separação isolante muito fina entre dois materiais supercondutores2, inesperadamente, surge uma corrente eléctrica contínua de amplitude condicionada pelas características dos materiais supercondutores. É exatamente a esta bolacha supercondutor-isolante-supercondutor que se atribui a designação de junção de Josephson.
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Brian David Josephson, físico teórico galês vencedor do Prémio Nobel da Físi-
Quando um material adquire propriedades de supercondutor, os electrões formam pares de Cooper3,4 e condensam-se sob a forma de uma onda quântica colectiva única. Se o material isolante eléctrico que separa os dois supercondutores for suficientemente fino (com apenas alguns nanómetros), a onda quântica pode sair do supercondutor, permitindo aos pares de Cooper (pares de eletrões acoplados) atravessarem o primeiro, devido ao efeito de tunelamento quântico, sem serem quebrados. Os pares de Cooper de cada lado da junção podem ser representados por uma função de onda semelhante a uma função de onda de partícula livre, sendo cada supercondutor caracterizado por uma quantidade chamada fase. No efeito Josephson CC surge na junção uma corrente eléctrica proporcional à diferença de fase das funções de onda, mesmo na ausência de uma tensão elétrica. No efeito Josephson CA, se se aplicar uma diferença de potencial eléctrico constante entre os dois supercondutores, surgirá uma corrente eléctrica alternada como reacção às variações de fase. Este efeito que liga uma tensão contínua a uma corrente alternada não é comum. Em particular porque a frequência de correntes alternadas não depende do tamanho dos supercondutores nem das suas propriedades (temperatura crítica e composição química). Esta frequência, designada por frequência de Josephson, fJ , é proporcional à tensão eléctrica aplicada através da junção, ∆U, e depende de constantes da física como a carga elementar, e, e a constante de Planck, h, (1)
Como podemos medir frequências com elevada precisão graças aos relógios atómicos, a junção de Josephson foi adoptada como o padrão de medida da tensão eléctrica. Na Figura 1 apresenta-se um exemplo de um sistema experimental compacto para realização do padrão da tensão de Josephson.
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O comportamento dos supercondutores é indicativo de que pares de elec-
ca em 1973, 1940– .
trões se vão acoplando num intervalo de centenas de nanómetros (três or-
Qualquer material cuja resistência caia abruptamente para zero quando a
dens de grandeza maior do que o espaçamento da rede cristalina). Estes elec-
temperatura é inferior a um valor crítico e que repele campos de fluxo mag-
trões acoplados podem assumir o carácter de um bosão e condensarem-se
nético exteriores.
no estado fundamental, aquele em que a densidade de probabilidade não varia com o tempo.
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Artigo redigido segundo o Antigo Acordo Ortográfico.
Leon Cooper, físico norte-americano vencedor do Prémio Nobel da Física em 1972, 1930– .