El Bosón de Higgs

El origen del universo siempre ha sido un tema controversial, esto se debe a que aún hay mucho por investigar y con ello dar respuesta a las preguntas que se plantea la Física Moderna. Hasta el momento, el Modelo Estándar es la teoría aceptada por los físicos, que se utiliza para describir el comportamiento de las partículas elementales que componen el universo, los campos que existen, su interacción, y así entender el génesis y funcionamiento del mismo.

Sin embargo, existe un descubrimiento que ha venido a “completar una visión del universo”, aclarando una de las interrogantes más importantes: ¿Cuál es el origen de la masa (y por tanto de todo lo que podemos tocar y percibir, incluyendo al hombre)? La respuesta es el bosón de Higgs, más conocido como la partícula de Dios, hallazgo por el cual recientemente recibieron el Premio Nobel de Física Peter Higgs y François Englert, quienes desde hace 50 años predijeron la existencia de esta partícula.

El doctor Gerardo Herrera Corral, investigador titular del Departamento de Física del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), involucrado en el proyecto por el cual fue posible comprobar la existencia del bosón de Higgs, nos brinda una explicación sobre el tema: “El bosón de Higgs es una partícula asociada a un campo. En la actual concepción de la naturaleza, todo lo que forma a la materia son campos. Existen campos de materia, campos de fuerza y el campo de Higgs. El campo de Higgs es tal que al interaccionar con los campos de fuerza y los campos de materia, les confiere una resistencia al movimiento. A esta inercia es a lo que los físicos llamamos masa. El campo de Higgs se manifiesta como una partícula con espín* cero; por este hecho de tener espín cero, se le llama bosón”.

Dr. Gerardo Herrera Corral, investigador titular del Departamento de Física del Cinvestav

¿Qué relación tiene el bosón de Higgs con la electricidad? El bosón de Higgs surgió con la intención de dar masa a los bosones de la interacción débil, dejando al fotón sin masa. El fotón es el responsable de la interacción electromagnética que gobierna todos los fenómenos eléctricos.

Para hacer posible el descubrimiento de la partícula de Higgs, se requirió invertir en tecnología y en equipo humano. De ahí surgió el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés). Gerardo Herrera lo describe como “un acelerador de partículas donde se llevan a cabo colisiones entre protones y entre iones pesados a altas energías jamás logradas. Tiene el potencial de dar respuesta a las preguntas más importantes que se plantea la física moderna como: la existencia de dimensiones extras más allá de las que percibimos, porqué el universo está hecho de materia y no de antimateria, cómo era el universo temprano, etcétera.

Ver también: La electricidad y el átomo

Es precisamente esta última interrogante una de las que se busca responder con el experimento ALICE, en el que se encuentra Gerardo Herrera como líder del grupo mexicano, compuesto por alrededor de 35 personas, entre estudiantes e investigadores provenientes de diferentes instituciones: Cinvestav del IPN, Universidad Autónoma de Puebla, Universidad de Sinaloa y Universidad Nacional Autónoma de México. Es “una oportunidad para nuestros jóvenes de formarse en un ambiente competitivo de muchas áreas de la ciencia y la tecnología”.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment, el gran experimento colisionador de iones) es uno de los 4 experimentos que componen el LHC. Éste tiene la misión de crear plasma de quarks y gluones (QGP, por sus siglas en inglés), estado por el que transitó la materia primigenia del universo, los primeros instantes después del gran estallido conocido como Big Bang. Apenas transcurridos 10 microsegundos de la creación del cosmos, este QGP se enfrío, propiciando la formación de protones y neutrones que se encuentran en el interior de los núcleos atómicos. En este experimento además de acelerar las partículas, también se les desacelera, se les frena y estudia su comportamiento y el Universo Temprano, gracias a lo cual se podrá saber qué fue lo primero que sucedió cuando se creó el Universo.

También “el experimento ALICE investiga el mecanismo espontáneo de simetría que está en el fondo del origen de la masa. Es el mismo mecanismo que da origen al Higgs. El rompimiento de simetría que se estudia en ALICE se refiere al de la simetría quiral y es el responsable del 98% de la masa que nos rodea”.

Estos son algunos datos interesantes del Gran Colisionador de Hadrones:

• Ubicación: Frontera Franco-Suiza, cerca de Ginebra (a 100 metros bajo tierra)


• Laboratorio: Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN, por sus siglas en francés)


• Objetivo: Recrear las primeras trillonésimas de segundo transcurridas tras la Gran Explosión que dio origen al universo.


• Funcionamiento: El LHC hace colisionar dos protones con una energía cinética total de 14 TeV (Teraelectronvoltios), (o dos iones de plomo a una energía total de 1140 TeV); después detecta y mide, a través de sus 4 experimentos (detectores), las propiedades de las nuevas partículas que se producen cuando la energía cinética se transforma en materia.


• Equipo humano: Más de 10 mil científicos de todo el mundo.


• Experimentos o detectores que lo componen: ATLAS, CMS, LHCb y ALICE.

1. ATLAS
Investiga una amplia gama de la física, incluyendo al bosón de Higgs y las dimensiones y partículas que podrían conformar la materia oscura. Es en el centro de este detector donde colisionan los haces de partículas.


2. CMS
Está diseñado para investigar una amplia gama de la física, como la búsqueda del bosón de Higgs, dimensiones extra, y las partículas que podrían conformar la materia oscura. A pesar de que tiene los mismos objetivos científicos que el ATLAS, utiliza diferentes soluciones técnicas y un diseño de imán diferente.


3. LHcb
Su objetivo es investigar las pequeñas diferencias entre la materia y la antimateria, mediante el estudio de un tipo de partícula llamada “beauty quark” o “quark b”. Se compone por un serie de subdetectores.


4. ALICE
Es un detector de iones pesados que se encuentra dentro del anillo del LHC. Está diseñado para estudiar la física de la interacción fuerte de materia a altas energías, creando quark-gluon, un estado de la materia que se formó poco después del Big Bang.

*El espín (derivado de la palabra spin, girar, en inglés) es una especie de unidad que determina cómo se muestra una partícula desde distintas direcciones.

5 tipos de líneas de distribución en instalaciones de media y baja tensión

Los fraccionamientos, comercios, hoteles, hospitales y las industrias, requieren un diseño especial de sus instalaciones subterráneas acorde a sus necesidades energéticas.

Para contar con instalaciones eléctricas residenciales seguras, los sistemas de distribución subterráneos que las alimentan deben diseñarse en forma eficiente y cumpliendo con los lineamientos marcados por las Normas de Distribución de la CFE.

A continuación te presentamos 4 tipos de líneas de distribución en instalaciones de media y baja tensión:

Distribución residencial


Esta distribución engloba todas las instalaciones eléctricas residenciales existentes, siempre y cuando estén dentro de los parámetros que marca la CFE.

Se deben emplear preferentemente sistemas monofásicos. Cuando la carga residencial sea alta se analizará la conveniencia de utilizar un sistema trifásico.

Se podrán utilizar los siguientes tipos de configuración:


1. ) Anillo de operación radial.
   


2. ) Radial con las siguientes restricciones:
   
   
   1. Se podrán conectar como máximo 2 transformadores monofásicos o trifásicos sólo en sistemas de 200 A.
   
   
   2. De un sistema aéreo existente se podrán derivar tantos ramales radiales (según punto anterior 1) como lo permitan las condiciones operativas del circuito.
   
   
   3. Para el caso de circuitos totalmente subterráneos se instalarán indicadores de falla tanto en la derivación como en el circuito alimentador.

En el caso de las transiciones aéreosubterráneas, se debe emplear tubería de polietileno de alta densidad de color negro y cumplir con la prueba de contenido de negro de humo.



Distribución comercial y turística


Se utilizará un sistema 3F-4H y su configuración será en Anillo Operación Radial.

Cuando los circuitos alimentadores aéreos existentes que se utilicen para alimentar sean 3F-3H, se recomienda correr el neutro desde la Subestación alimentadora hasta el sitio a alimentar. Este cuarto hilo se utilizará como neutro común para los circuitos subterráneos en media y baja tensión, y la CFE hará los cálculos necesarios del calibre del conductor.

Las Normas de Distribución establecidas por la CFE fueron creadas para uniformar la calidad y simplificar la construcción de líneas y redes subterráneas conforme a un criterio técnico-económico.




Distribución comercial y turística, y edificios que requieren alta confiabilidad


Se consideran edificios de alta confiabilidad: hospitales, clínicas, laboratorios y demás instalaciones, donde se requiere garantizar una continuidad de la energía eléctrica las 24 horas del día.


Ver también: 2 tipos de redes subterráneas en México

Aquí se empleará un sistema 3F-4H y la configuración de la alimentación será selectiva, mediante dos o más alimentadores que parten de una misma o diferentes subestaciones de distribución.

En este caso cada alimentador se diseñará de acuerdo a las cargas de operación y de emergencia; la conexión a la carga se hará con un seccionador con transferencia automática. Lo anterior se aplicará en hoteles de gran turismo, edificios altos (donde la distribución no puede realizarse con transformadores a nivel de piso), centros de convenciones, o donde se requiera de acuerdo a la importancia estratégica de la instalación.



Distribución industrial


Se empleará un sistema de 600 A, 3F-4H en el circuito alimentador.



Distribución en poblaciones rurales rehabilitadas, colonias, conjuntos habitacionales y fraccionamientos con vivienda de interés social, popular y económica


Este tipo de distribución hoy en día es el más empleado en el país, ya que el mayor nivel de electrificación se encuentra en los fraccionamientos con vivienda de interés social. Para ello, se deben emplear sistemas monofásicos en configuración radial.

Cuando el número de viviendas requiera sistemas de más de 200 A, se debe analizar desde el punto de vista económico si es conveniente aplicar el contenido de la sección de Distribución residencial enunciada en la primer parte del artículo.


1. El uso de múltiples derivaciones de ramales radiales sólo se permite en sistemas de 200 A.


2. Cuando el desarrollo se proyecte con ramales radiales monofásicos, la demanda máxima permisible en cada ramal debe ser el resultado de realizar un análisis de coordinación de protecciones, determinando la capacidad máxima del ramal, la cual debe estar limitada a evitar la salida del circuito por una operación por desbalance, cuidando la capacidad del codo fusible.


3. Se deben instalar indicadores de falla al inicio de los ramales y se emplearán transformadores sin indicador de falla.


4. No se podrán realizar derivaciones de un circuito troncal de 600 A mediante el uso de conectores múltiple o empalmes separables.

Como puedes ver, este tema es muy complejo y engloba bastantes factores. En esta entrada tocamos algunos de los requerimientos técnicos que solicita la CFE para tener instalaciones eléctricas confiables, seguras y eficientes.

Si requieres mayor información, consulta las normas de CFE-BMT-DP, sección 02 Diseño y proyecto en baja y media tensión.

2 factores determinantes para un choque eléctrico

Un choque eléctrico puede ser altamente peligroso; sin embargo ¿Conoces los niveles de energía que deben existir para producir un deceso? Para nadie es agradable hablar acerca de este tema, sin embargo la intención al abordarlo es hacer conciencia en el electricista, y con ello resaltar la importancia de realizar el trabajo con seguridad, llevando al pie de la letra todos los lineamientos marcados; y que conozca también los riesgos de electrocución y choque eléctrico que existen dentro de la vivienda, para ejecutar un plan de mantenimiento o verificación.

Para iniciar debes saber que los tres factores principales determinantes para que un choque eléctrico afecte a una persona cuando se convierte en parte de un circuito eléctrico son:

• Cantidad de corriente que fluye a través del cuerpo (medida en amperes).


• Trayectoria de la corriente a través del cuerpo.


• Tiempo en el que permanece el cuerpo como parte del circuito.

Otros factores son:

• Tensión de la corriente.


• Presencia de humedad en el ambiente.


• Fase del ciclo cardiaco cuando ocurre el choque.


• Estado de salud de la persona antes del choque.

Las consecuencias de un choque eléctrico son variadas, van desde un pequeño hormigueo hasta quemaduras graves y paro cardiaco inmediato. Aunque se desconoce qué niveles de corriente las desencadenan, la tabla que a continuación se muestra es para un choque eléctrico que demora un segundo, con un ciclo de 60 Hz y que viaja desde la mano hasta el pie:

Ver también: ¿Cómo proteger a los niños de los riesgos eléctricos?

Nivel de humedad


Las condiciones húmedas son comunes durante los choques eléctricos a bajo voltaje. Bajo condiciones secas, la piel humana es muy resistente. Si la piel está húmeda, la resistencia del cuerpo baja drásticamente.


• Condiciones Secas. 
  
  Corriente = Volts/Ohms = 120/100,000 = 1 mA. Un nivel de corriente apenas casi imperceptible


• Condiciones húmedas. 
  
  Corriente = Volts/Ohms = 120/1,000 = 120 mA. Suficiente corriente para causar la fibrilación ventricular



Desencadenantes de accidentes


Si los músculos extensores se estimulan por el choque, la persona puede ser expulsada lejos del circuito. A menudo, esto puede resultar en una caída de elevación que puede matar a una persona aún cuando no haya ocurrido una electrocución.

Cuando la contracción muscular causada por el estímulo no le permita la víctima liberarse del circuito, incluso las tensiones relativamente bajas pueden ser extremadamente peligrosas, debido a que la severidad de la lesión aumenta según el tiempo que el cuerpo sea parte del circuito. Por lo tanto una tensión baja no significa que no exista riesgo.

100 mA durante 3 segundos = 900 mA durante .03 segundos. Con este nivel de corriente ya se puede presentar la fibrilación. Observemos que existe una diferencia de menos de 100 mA entre la corriente apenas perceptible y la que puede matar.

La energía eléctrica del alto voltaje reduce sustancialmente la resistencia eléctrica del cuerpo, debilitando la piel humana. Una vez que la piel está perforada, la baja en la resistencia tiene como resultado un flujo masivo de corriente eléctrica.

La ley de Ohm se utiliza para demostrar lo anterior. A 1,000 V, corriente = Volts/Ohms = 1,000/500 = 2 A Esto puede causar paro cardiaco y serio daño a los órganos internos.

En resumen, estos son los efectos que existen con niveles de corriente pequeños. Si observas, en las instalaciones eléctricas residenciales los dispositivos de protección principales son de 30 A, por lo tanto una corriente de 2 A es un valor muy por debajo a lo que podría activar la protección y el accidente puede ser mortal.

2 tipos de protecciones de los sistemas solares fotovoltaicos

En esta tercera y última entrada sobre los sistemas solares fotovoltaicos conocerás los tipos de protección que debes considerar al momento de proponer un sistema de este tipo.

El circuito de una fuente fotovoltaica, el circuito fotovoltaico de salida, el circuito de salida del inversor y los conductores del circuito de la batería de acumuladores así como los equipos, deben estar protegidos acorde a la NOM-001-SEDE-2012.

Los circuitos conectados a más de una fuente de suministro eléctrico deben tener dispositivos de protección contra sobrecorriente, instalados para brindar esa protección desde todas las fuentes.

Por otro lado, si existe un transformador con una o varias fuentes conectadas en cada lado, se tiene que proteger contra sobrecorriente de acuerdo a su tensión y tipo, considerando primero uno de los lados del transformador (como el primario) y después el otro.

En el caso de la proyección de un sistema fotovoltaico autónomo, la NOM-001-SEDE-2012 indica que debe existir una preparación para acometida similar a la de una instalación tradicional, incluyendo los conductores del lado de la alimentación, los medios de desconexión y protección aplicables.

La salida del inversor de un sistema solar fotovoltaico autónomo puede suministrar 120 volts a un equipo de acometida monofásico, de 3 hilos, de 120/240 volts, o tableros de distribución cuando no hay salidas de 240 volts; y cuando no existan circuitos derivados multifamiliares.

En todas las instalaciones, el valor nominal del dispositivo de protección contra sobrecorriente conectado a la salida del inversor debe ser menor que el valor nominal de la barra conductora del neutro en el equipo de acometida. Por seguridad y para conocimiento de todo el personal, tiene que presentar un marcado de advertencia que indique que no debe conectarse a circuitos derivados multifamiliares.

Protección de falla por arcos eléctricos


Siempre existe el riesgo de que se presenten arcos eléctricos, por lo tanto es necesario que incorpores al sistema la protección de falla por arco, tipo fotovoltaico, en circuitos de fuentes de corriente continua, circuitos de salida de corriente continua o ambos; encima o penetrando a un edificio, operando con tensión máxima de sistema fotovoltaico de 80 volts o mayor; también puedes instalar otros componentes del sistema que provean una protección equivalente.


Ver también: Cálculo y protección de sistemas solares fotovoltaicos

Requerimientos para los medios de protección fotovoltaicos por falla de arco:


1. El sistema debe detectar e interrumpir fallas por arco resultantes de una falla en la continuidad esperada de un conductor, conexión, módulo u otro componente del sistema, en los circuitos de fuentes fotovoltaicas y circuitos de salida.


2. El sistema debe desactivar o desconectar a uno de los siguientes:


1. Inversores o controladores de carga conectados al circuito con falla cuando la falla sea detectada.


2. Componentes del sistema dentro del circuito donde se produce el arco.


3. El sistema requiere que el equipo desactivado o desconectado sea manualmente restablecido.


4. El sistema debe tener un indicador que suministre una señal visual de que el interruptor del circuito ha operado. Esta indicación no debe restablecerse automáticamente.



Medios de desconexión


En un sistema de este tipo debes instalar medios de desconexión en todos los conductores portadores de corriente continua, de todos los demás conductores, en un edificio u otra estructura.

No tienes que instalar un interruptor, un interruptor automático ni otro dispositivo, en un conductor puesto a tierra, si su funcionamiento deja al conductor marcado como puesto a tierra en un estado energizado y no puesto a tierra.

Por razones de estética, en ocasiones el medio de desconexión se instala en lugares inadecuados o poco accesibles como en baños, esto lo prohíbe la NOM-001-SEDE-2012. Lo correcto es instalarlos en un lugar de fácil acceso, bien sea en el exterior de un edificio o estructura, o en el interior, lo más cerca del punto de entrada de los conductores del sistema, a menos que el sistema eléctrico tenga el medio de desconexión ubicado en un lugar remoto desde el punto de entrada de los conductores.

Otro punto importante a considerar es el marcado, el cual debe ser permanente, indicando que es el desconectador del sistema fotovoltaico.

Al tener protecciones como fusibles, éstos pueden estar energizados desde ambas direcciones, en cuyo caso debes instalar medios de desconexión que aíslen totalmente al fusible del sistema eléctrico.

Cuando los medios de desconexión estén localizados a más de 1.80 metros del dispositivo de sobrecorriente, tienes que instalar en la ubicación del dispositivo de sobrecorriente un directorio mostrando la ubicación de cada desconectador, y marcar claramente cuál de ellos no debe abrirse con carga instalada.

Para finalizar con el tema, te comentamos que existen desconectadores o interruptores automáticos para los conductores de fase, éstos consisten en uno o varios interruptores o interruptores automáticos operados manualmente, los cuales deben cumplir estos requisitos:


1. Tener una ubicación accesible.


2. Ser operable desde el exterior, evitando el contacto con partes vivas.


3. Estar claramente marcado para indicar cuándo está en la posición de abierto o cerrado.


4. Contar con una capacidad de interrupción suficiente para la tensión del circuito y para la corriente disponible en los terminales de línea de los equipos.

Principios básicos de circuitos eléctricos

El desarrollo del circuito eléctrico está ligado al desarrollo mismo de la electricidad. Uno de los primeros investigadores y desarrolladores de los circuitos eléctricos fue William Gilbert, quien a inicios del siglo XVI llamó fuerza eléctrica de atracción al fenómeno que se presentaba cuando se frotaban ciertos materiales, lo que hoy conocemos como estática. El resultado de su investigación derivó en la clasificación de dos tipos de materiales hasta ese momento: conductores y aislantes.

William Gilbert

El físico alemán Otto von Guericke continúo con el trabajo de Gilbert, obteniendo resultados interesantes al agregar carga electrostática en dos materiales, dando el efecto de atracción y posteriormente de repulsión. Entre otras cosas, Guericke fabricó la primera máquina electrostática y generó chispas a partir de un globo de azufre; como resultado de estas investigaciones se derivaron otras orientadas a entender la naturaleza de los rayos y relámpagos.

Otto von Guericke

Charles Cisternay Du Fay, al realizar diversos experimentos, notó que una lámina de oro siempre era repelida por una barra de vidrio con carga electrostática. Después de analizar el fenómeno, publicó sus trabajos en 1733, donde menciona la existencia de dos tipos de cargas eléctricas, a las que llamó carga vitria y carga resinosa, debido a que ambas se manifestaban de una forma al frotar con un paño de seda el vidrio (carga positiva), y de forma distinta al frotar con una piel algunas sustancias resinosas como el ámbar o la goma (carga negativa).

Charles Cisternay Du Fay

A la par de Du Fay, el físico holandés Pieter van Musschenbroek realizó varios experimentos sobre la electricidad. Uno de ellos ha trascendido y actualmente es replicado como experimento en laboratorios de muchas escuelas: investigar si el agua encerrada en un recipiente puede conservar cargas eléctricas.

Otro célebre experimento se debió a la falta del uso del equipo de protección personal, ya que en el desarrollo de otro experimento un asistente tocó la botella y recibió una fuerte descarga eléctrica. De esta manera fue descubierta la botella de Leyden y la base de los actuales capacitores.

Ver también: 12 personajes de la historia que contribuyeron al desarrollo de la electricidad

Uno de los investigadores que profundizaron en el estudio de la botella de Leyden fue el físico William Watson, quien agregó una cobertura de metal, descubriendo que de esta forma se incrementaba la descarga eléctrica. En 1747 demostró que una descarga de electricidad estática es una corriente eléctrica y se propaga mejor en un ambiente enrarecido que en condiciones normales.

William Watson

Todas estas observaciones empiezan a dar sus frutos con Luigi Galvani, quien a partir de 1780 comenzó a incluir en sus conferencias pequeños experimentos prácticos que demostraban a los estudiantes la naturaleza y propiedades de la electricidad; en uno de ellos, aplicó una pequeña corriente eléctrica a la médula espinal de una rana muerta y observó que se producían grandes contracciones musculares en los miembros de la misma. Estas descargas podían lograr que las patas (incluso separadas del cuerpo) saltaran igual que cuando el animal estaba vivo, esto originó múltiples vertientes de investigación para muchas ramas de la ciencia.

Luigi Galvani

En paralelo con Galvani, Alessandro Volta comenzó a hacer sus propios experimentos de electricidad con animales, llegando a la conclusión de que no era necesaria la participación de los músculos de los animales para producir corriente y que la estructura muscular del animal era sólo un conductor. Para defender su teoría, Volta construyó la llamada “pila de Volta”, con esto no sólo demostró que su teoría era correcta sino que revolucionó el uso de la electricidad y dio al mundo uno de sus mayores beneficios: el control de la circulación de una corriente eléctrica.

Alessandro Volta

Volta pensaba que existía una diferencia eléctrica entre dos metales (hierro y latón). Para corroborar sus afirmaciones, y utilizando su lengua como sensor, eligió el zinc y el cobre como materiales a utilizar en sus experimentos. Debido a que el uso de una sola placa de zinc y otra de cobre proporcionaban un voltaje demasiado bajo para poder medirlo, construyó un sistema que le permitía colocar una serie de discos de zinc y cobre apilados (de ahí el nombre de pila) de forma alternada, separados entre ellos por cartón empapado en salmuera.

Pila de Volta

Uniendo los extremos con un cable metálico se producía una corriente eléctrica regular y continua, con una tensión resultante de la suma de los diferentes pares zinccobre. La pila voltaica consistía en 30 discos de metal, separados por paños humedecidos con agua salada, su funcionamiento era simple: si al extremo inferior de esta pila se le conectaba un alambre se establecía una corriente eléctrica al cerrarse el circuito; al principio Volta lo dio a conocer como “órgano eléctrico artificial”.

Además, Volta, uno de los investigadores más reconocidos del fenómeno eléctrico, construyó una serie de dispositivos capaces de producir electricidad que salía continuamente al exterior a medida que se producía, esto creaba una corriente eléctrica, que resultó mucho más útil que una carga de electricidad estática que no fluyera; actualmente lo conocemos como generador eléctrico. A partir de este invento la electricidad fue realmente aplicable en todos los sentidos, ya que se pudieron construir circuitos para diferentes finalidades.

Posteriormente, Georg Simon Ohm sentó las bases del estudio de la circulación de las cargas eléctricas en el interior de materias conductoras y formuló la ley que relaciona las tres magnitudes más importantes: tensión, intensidad de corriente y resistencia.