sexta-feira, 24 de maio de 2019

O quilograma e a corrente elétrica mudaram!

A partir desta segunda-feira (20/05/2019), nada mais vai ser como antes na forma como medimos a massa de algo, a corrente elétrica, a temperatura ou a quantidade de uma substância. De agora em diante, muda em todo mundo o jeito de mensurar quatro das sete unidades básicas de medida quilograma, ampere, kelvin e mol.


Até então, cientistas dependiam de algum objeto físico ou de alguma constante arbitrária para fazer a medição. Mas a maior revisão do Sistema Internacional de Unidades (SI) desde a década de 1960 está prestes a mudar. Isso não quer dizer, porém, que você notará alterações da próxima vez que subir na balança para se pesar ou que o choque elétrico será mais intenso.

O objetivo da mudança feita pelo Escritório Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) é relacionar essas unidades a propriedades fundamentais da natureza e a métodos não arbitrários, como tem sido até agora. Embora as mudanças não afetem diretamente nosso dia a dia, elas são cruciais para pesquisas científicas que exigem alto nível de precisão em seus cálculos.

As sete unidades fundamentais do Sistema Internacional (SI) são:

  • ampere (corrente elétrica)
  • quilograma (massa),
  • metro (tamanho),
  • segundo (tempo),
  • kelvin (temperatura termodinâmica),
  • mol (quantidade de substância) e
  • candela (luminosidade)

O novo sistema, que entra agora em vigor, permite que os pesquisadores realizem várias experiências para relacionar as unidades de medida com as constantes fundamentais.

O novo quilograma


O quilograma é um bom exemplo de como era algumas medições tem sido feitas. Atualmente, ele é definido por um objeto: 1 kg é a massa de um cilindro de 39 milímetros de altura e 39 milímetros de diâmetro de platina-irídio guardado pelo BIPM em um cofre na França desde 1889.

Isso remonta à tradição de usar itens referenciais para chegar ao peso de qualquer coisa. Imagine uma balança com dois pratos: de um lado, vai o item cujo peso você conhece; de outro, aquilo que se quer pesar.

Há diversos problemas em recorrer a esse método:


Apesar de ser mantido em cofre fechado a três chaves, o cilindro pode ser roubado;
sua manipulação pode modificar seu peso (a gordura presente em mãos humanas já seria suficiente para isso, por exemplo);
e, com o passar do tempo, há uma perda natural de massa (em 100 anos, já foram 50 microgramas, para ser exato).

Como qualquer objeto pode perder átomos ou absorver moléculas do ar, usar um deles como parâmetro para uma unidade pode provocar equívocos. Ainda mais porque todas as balanças do mundo são graduadas de acordo com esse quilo original.

Ainda que a variação de massa do cilindro não seja maior que o peso de uma asa de mosca, esses 50 microgramas são a quantidade de vitamina D suficiente que um bebê deve ingerir diariamente. Ainda que difíceis de notar no dia-a-dia, para áreas que necessitam de grande precisão, como a medicina, o quase nada pode atrapalhar muita coisa.

A massa passará a ser medida com a chamada balança de Kibble (ou de Watt), que permite comparar energia mecânica com eletromagnética recorrendo à física quântica.

Eletroimã para medir kg


Por gerar campos magnéticos, eletroímãs costumam ser usados em guindastes para levantar e mover grandes objetos de metal (carros, em ferros-velhos, por exemplo). A capacidade de atração do eletroímã, ou seja, a força que ele exerce, está diretamente relacionada à quantidade de corrente elétrica que passa por suas bobinas. Dessa forma é feita uma correlação entre eletricidade e peso.

Com isso, os cientistas podem definir um quilograma, ou qualquer outra unidade de massa, em relação à eletricidade necessária para neutralizar sua força correspondente. A física quântica fica por conta da utilização de uma propriedade que relaciona peso à corrente elétrica. Representada pelo símbolo h, ela é chamada de constante de Planck, em homenagem ao físico alemão Max Planck.

Pelo fato do h ser um número bastante pequeno, o cientista Bryan Kibble criou uma balança de alta precisão. A máquina criada por ele ficou conhecida como balança de Kibble. De um lado, ela tem um eletroímã que pende para baixo e, do outro, um objeto cuja massa será medida (algo com um quilograma, por exemplo). A corrente elétrica que passa pelo eletroímã é aumentada ou diminuída até que os dois lados estejam equilibrados.

A nova corrente elétrica


O caso do ampere, unidade básica da corrente elétrica, é mais curioso ainda. A definição estabelecida em 1948 diz o seguinte:

O ampere é a corrente constante na qual, se mantida em dois condutores paralelos, retilíneos, de comprimento infinito, de seção circular desprezível, e situados no vácuo a uma distância de 1 metro entre si, produziria entre estes condutores uma força igual a 0,0000002 newton por metro de comprimento.

Só que, conforme cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos (NIST), isso sempre foi um embaraço metrológico por duas razões. Primeiro, porque a definição de ampere não podia ser comprovada fisicamente. O segundo motivo é mais uma crítica à escolha do BIPM: a entidade transformou o ampere em unidade básica ainda que as outras medidas elétricas - volt (tensão) e ohm (resistência) - não dependam dele para serem calculadas.

Esse constrangimento muda em parte a partir desta segunda-feira, já que a parte de ser mensurado de forma arbitrária e distante do que ocorre fisicamente vai deixar de ser feita. O ampere passa a ser medido de acordo com a carga elétrica elementar. Assim, a corrente elétrica será uma contagem do fluxo individual de elétrons.

"A ideia do SI surge para ter um termo de referência e não ficar naquela coisa arbitrária de quanto as coisas valem." - Antonio Carlos Siqueira de Lima, professor da Universidade Federal do Rio de Janeiro e membro do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE)

Bomba de elétrons para medir corrente elétrica


O desafio é medir corretamente a carga elementar elétrica. Dentre as técnicas criadas para fazer isso, a adotada pelo NIST é a chamada bomba de transporte do elétron único. A ideia é fazer uma determinada corrente elétrica ir de uma ponta à outra em uma plataforma de silício. Parece simples, mas exige uma precisão quântica para captar o movimento da partícula subatômica mais elementar para a eletricidade, o elétron.

Funciona assim: primeiro, dois equipamentos capazes de gerar tensão elétrica ficam um em cada ponta da plataforma de silício. Ao gerar a tensão, eles influenciam o movimento dos elétrons. Dessa forma, agem como portões, bloqueado ou liberando o fluxo das partículas. Conforme a tensão do primeiro ponto de bloqueio aumenta ou diminui, é como se o portão estivesse subindo ou descendo.

A ação é similar à de uma bomba hidráulica. Só que, em vez de água, o portão bombeia elétrons para dentro do túnel. A constância desse fluxo de elétrons é o que pode ser usado para mensurar a intensidade da corrente elétrica de forma mais precisa. A dificuldade do processo é que as dimensões envolvidas são tão pequenas que qualquer energia sobressalente pode perturbar o comportamento dos elétrons. A plataforma de silício, por exemplo, possui de uma ponta a outra até 300 nanômetros (um bilionésimo de metro). Por causa disso, a temperatura desse dispositivo é resfriada para próxima do zero absoluto (-273°C).

Maior precisão


Já o kelvin, a unidade de temperatura, será definido em função da constante de Boltzmann, que relaciona temperatura à energia molecular. O mol, a unidade usada para medir a quantidade de matéria microscópica, é atualmente definido em função da massa medida em quilogramas, mas passa a ser mensurado com base na quantidade específica de átomos dentro de um sistema.

Ainda que profundas, todas essas mudanças não chegarão a afetar o quilo do feijão, a conta de luz ou a temperatura. "Na superfície, vai parecer que tem mudado muito", descreve o BIPM.

"Do mesmo jeito que ao substituir fundações decadentes de uma casa por suportes novos e robustos, pode não parecer possível identificar a diferença vendo da superfície. Mas algumas mudanças substanciais deveriam ser feitas para para garantir a longevidade da propriedade."
BIPM

No primeiro momento, serão os institutos metrológicos de cada país que trabalhar para adotar o novo procedimento - no Brasil, essa função é do Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro). A partir daí, chegarão a institutos de pesquisa e a áreas da indústria e do comércio que carecem de alto detalhamento na hora de medir massas.

Se até agora era aceitável usar métodos arbitrários, a presença cada vez mais recorrente de princípios da física quântica no cotidiano dos laboratórios tornou imprescindível adotar práticas mais aderentes a essa nova realidade.

"Nós estamos no começo da revolução quântica. Definir unidades de medida em termos de constantes significa que as definições de unidades estão aptas para o propósito dessa nova geração de descoberta científica."
BIPM

O professor da UFRJ diz que, "o que vai mudar é como se vai calibrar alguns equipamentos". A lista vai desde máquinas distantes do cotidiano, como os aceleradores de partícula usados pela CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear), até dispositivos avançados mas corriqueiros, como máquina de ressonância magnética, passando pelas banais, porém essenciais, baterias de celular.

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