Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:
En párrafos más abajo se dan unos pequeños esbozos de lo que
pueden hacer los semiconductores en nuestra vida:
-Llegar a costes imbatibles en la extracción de la energía
procedente del Sol
-El LED azul
-La Resonancia Magnética
-La ecografía Doppler
Empezamos por un videoclip que explica de manera muy visual
cómo funciona un transistor
¿Por qué podría sustituir la energía solar a los
combustibles fósiles?
Extractos del Link:
El Sol descarga unos 0.600 kw sobre cada metro cuadrado de
suelo entre los paralelos 40ºS y 40ºN y menos en latitudes superiores, durante
unas 6 horas al día. Eso supone una cantidad de 144 billones (españoles,
millones de millones) de kwh cada dos días. La humanidad está gastando hoy esa
cantidad de energía en un año. Con rendimientos del 10%, toda la energía que
gasta hoy la humanidad en un año es lo que podemos extraer de la energía que
llega del sol en 20 días.
Hay materiales que liberan sus electrones solo cuando se les
aplica una tensión eléctrica (los de los ordenadores) y otros cuando reciben
las ondas de la luz. Entre estos están el silicio, con pequeñas
cantidades de arsénico y galio, (dopado) o, por ejemplo, el teluro de
cadmio. El telurio es un elemento de la familia (o columna de la
Tabla Periódica) del oxígeno y el azufre, mientras que el cadmio es un metal de
la columna del zinc y cercano al oro y la plata.
Cuando se forman láminas de pocas micras (milésimas de
milímetro) de teluro de cadmio, ligeramente separadas de otras de sulfuro de
cadmio por átomos de cloruro de cadmio, los electrones de los átomos que las
forman se disponen cerca del canal de conducción, de manera que cuando reciben
luz, la energía de ésta los hace saltar al canal de conducción eléctrica y se
genera una corriente que puede acumularse en una batería o lanzarse por los
cables (de cobre) para mover un ventilador, encender una bombilla o hacer
funcionar la lavadora.
La cuestión básica es el ''salto'' del canal de enlace con
los núcleos al canal de conducción.
Esto ocurre también en el silicio dopado, pero para
conseguir la misma corriente se precisa un cristal perfecto (todos los átomos a
la misma distancia exacta unos de otros) y de unas 200 micras de silicio
(esencialmente arena de playa fundida). El proceso es costoso, pues la
fusión del silicio debe realizarse en condiciones muy estrictas de vacío y alta
temperatura, y de manera muy lenta.
El teluro/sulfuro de cadmio funciona como generador de
corriente bajo inyección de luz, similarmente al silicio, pero en láminas más
delgadas y de precio muy razonable comparado con la electricidad actual.
Ahora bien, el cadmio es un metal escaso en la Tierra, y es
altamente tóxico cuando está puro, o en forma de cloruro de cadmio. No
debe utilizarse en estos dos estados. Sin embargo, una noticia publicada en El
Mundo hace unos días, da cuenta de un descubrimiento casi accidental, como
todos los buenos descubrimientos científicos (se precisa el azar, pero sobre
todo, al científico capaz de reconocer ese azar) realizado en Liverpool por el
equipo de J.D. Major. Para separar el teluro del sulfuro de cadmio se utilizaba
cloruro del mismo material. Pero este cloruro es inestable, soluble en agua y
altamente tóxico, y por tanto muy caro por las necesidades de su manipulación,
lo que no ocurre con el teluro y el sulfuro, que son estables e insolubles. El
descubrimiento de Major y su equipo es que el cloruro de magnesio
funciona como separador exactamente igual de bien que el cloruro de
cadmio. Ahora bien, el cloruro de magnesio (¿recuerdan las sales de
magnesio?) es enormemente abundante (en el mar, por ejemplo) y muy barato. Y
sobre todo, es inocuo para los seres vivos.
Celdas solares de pocas micras de espesor, fabricadas con
teluro y sulfuro de cadmio y con cloruro de magnesio como separador/activador,
pueden hacer bajar el precio de la energía solar diaria, actual, a niveles
inferiores a los de la energía solar fósil.
C. ¿Por qué el LED
azul merece un Premio Nobel en Física y el verde no?
La física del los LEDs
Extractos del link:
Vamos a empezar por lo más interesante y complejo: entender
un LED. Un LED es una unión de dos semiconductores tipo p-n. El tipo de
semiconductor nos dice si los portadores de corriente serán negativos
(electrones) o positivos (huecos sin electrón). Es importante entender
que un hueco en el que falta un electrón se comporta como un electrón
con carga positiva, aunque realmente no haya nada ahí.
Lo interesante de estas uniones es que forman diodos que solo
dejan pasar la señal en una dirección. Esto permite que conviertan una
señal alterna en contínua, por ejemplo. Los LEDs son unos diodos especiales que
emiten luz cuando pasa corriente en la dirección permitida. Esta emisión
de luz se produce por un salto de los electrones entre niveles de energía
y deben cumplirse unas propiedades para que exista y podamos ver esa luz.
Cada línea es un nivel de energía.
En concreto tienen que cumplirse dos condiciones
sencillas, la primera de las cuales es que el mínimo de un nivel de energía
se encuentre justo encima del máximo del nivel anterior. En la imagen vemos
este efecto en el esquema de niveles. Estos semiconductores se llaman de “gap
directo” (gap es la diferencia de energías) por razones que os imagináis.
La segunda condición es que el gap de energía entre
un nivel y otro sea tal que el fotón resultante se emita tenga
una frecuencia en el rango visible. Lo que dicho en cristiano
significa que tenemos que hacer el gap del tamaño justo para poder ver la luz y
que no sea infrarroja (gap pequeño) o ultravioleta (gap grande). Modificando el
tamaño del gap podemos variar el color desde el rojo hasta el azul pasando por
todos los del arcoíris
4 D.Una de las medicinas que más vidas
salva: la electrónica que hay en un Hospital
Sin la miniaturización que permiten los
semiconductores, sencillamente hubiera sido imposible
Dos pequeños ejemplo bastan:
1.
La Resonancia Magnética. Ver link adjunto:
Todos los núcleos que contienen un número impar de protones (número atómico) o un número másico impar tienen un momento magnético intrínseco y un momento
angular. Si un núcleo con estas características se somete a un campo
magnético constante, percibirá un par
de fuerzas que lo harán girar sobre sí mismo hasta que el momento magnético
y el campo magnético se encuentren alineados.
Dos alineamientos serán posibles. Por una parte, el campo
magnético y el momento magnético pueden apuntar en la misma dirección,
configuración que tendrá una energía mínima y será la más probable. Por la
otra, ambos vectores
pueden apuntar en direcciones opuestas, caso en el que la energía será
ligeramente superior. La diferencia de energía entre ambos estados se expresa
según la ecuación siguiente:
Donde γ es la constante giromagnética
o factor giromagnético, que
depende del núcleo que observemos.
Ambos niveles estarán poblados según las leyes del equilibrio térmico. Como se puede observar, la
diferencia de energía es proporcional a la magnitud del campo magnético y está
directamente relacionada con la frecuencia de Larmor.
Podemos expresar la diferencia de energía en forma de la
frecuencia del campo electromagnético
cuyos fotones tienen
esta energía
Debido a esta diferencia de energía, si un núcleo es
perturbado por un campo electromagnético de la frecuencia apropiada, se
producirá un fenómeno de resonancia;
los núcleos del estado de energía inferior se excitarán al estado de energía
superior. Cuando el estímulo cese, los núcleos emitirán, en forma de fotones,
la energía que habían absorbido. Fotones que podrán detectarse utilizando el
equipamiento adecuado.
Las frecuencias necesarias para producir el fenómeno de
resonancia se encuentran dentro del rango de la radiofrecuencia.
El núcleo más utilizado para observar el efecto son: el protio (1H),
por ser el más abundante y fácil de encontrar, y el carbono-13
(13C). Otros isótopos que pueden utilizarse son: 15N, 14N,
19F, 31P, 17O, 29Si, 10B,
11B, 23Na, 35Cl y 195Pt.
Los equipos médicos de resonancia magnética nuclear suelen
trabajar a una frecuencia de 300 MHz para la resonancia de H1, y entre 20 MHz y
50 MHz para otros átomos
Los equipos médicos de resonancia magnética nuclear
suelen trabajar a una frecuencia de 300 MHz para la resonancia de H1, y entre
20 MHz y 50 MHz para otros átomos.
2.
Las ecografías Doppler. Ver link adjunto:
La ecografía doppler o simplemente eco-Doppler,
es una variedad de la ecografía tradicional, basada por tanto en el empleo de ultrasonidos,
en la que aprovechando el efecto Doppler, es posible visualizar las ondas de
velocidad del flujo que atraviesa ciertas estructuras del cuerpo, por lo
general vasos sanguíneos, y que son inaccesibles a la visión
directa.1 La técnica permite determinar si el flujo se
dirige hacia la sonda o si se aleja de ella, así como la velocidad de dicho
flujo. Mediante el cálculo de la variación en la frecuencia del volumen
de una muestra en particular, por ejemplo, el de un flujo de sangre en una
válvula del corazón, se puede determinar y visualizar su velocidad y dirección.
La impresión de una ecografía
tradicional combinada con una ecografía Doppler se conoce como ecografía
dúplex.2
La información Doppler se representa gráficamente con un
Doppler espectral, o bien como una imagen usando Doppler direccional o un power Doppler (Doppler
no-direccional). La frecuencia Doppler cae en el rango audible y puede
escucharse utilizando altavoces estéreo, produciendo un sonido pulsátil
distintivo.
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
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