Magnitudes fundamentales

¿Qué son las magnitudes fundamentales?

Las magnitudes fundamentales son magnitudes físicas que reciben ese nombre porque no pueden ser definidas en término de otras. Es decir, son independientes, y a partir de ellas se obtienen o derivan otras tantas magnitudes de distintas índoles.

La longitud, por ejemplo, es una magnitud fundamental, mientras que la superficie no, pues viene definida en términos de longitud. Igualmente, no puede definirse la magnitud longitud en términos de la magnitud superficie.

Se entiende por magnitud física una propiedad de un material o sistema que puede medirse o cuantificarse. También puede definirse como la combinación de la magnitud y una unidad. La masa, una cantidad física, se expresa como nKg, donde n representa la magnitud, y kg la unidad de masa.

Otros definen la magnitud física como la cantidad medible de un sistema físico. Se mide usando un patrón que posea exactamente definida dicha magnitud, y tomando como unidad la cantidad de esa propiedad que posea el objeto patrón.

La Oficina Internacional de Pesas y Medidas, por medio del Vocabulario Internacional de Metrología (International Vocabulary of Metrology, VIM), define la magnitud como un atributo de un fenómeno, cuerpo o sustancia, que puede ser distinguido cualitativamente y determinado cuantitativamente.

¿Cuáles son las magnitudes fundamentales?

Las magnitudes fundamentales, según el Sistema Internacional de Unidades (SI), son las siguientes: longitud, tiempo, masa, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, cantidad de sustancia (mol) e intensidad luminosa. Por lo tanto, existen siete magnitudes fundamentales.

• Longitud. Metro (m). El metro es la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1/299.792.458 segundos. Patrón establecido en 1883.
• Tiempo. Segundo (s). Es la duración de 9.192.631.770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio-133. Patrón establecido en 1967.
• Masa. Kilogramo (kg). El kilogramo es la masa de un cilindro de aleación de platino-iridio depositado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. Patrón establecido en 1887. Sin embargo, actualmente su valor exacto viene definido a partir de la constante de Planck.
• Intensidad de corriente eléctrica. Amperio (A). El amperio, o ampere, es la intensidad de corriente constante que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a la distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2·10^-7 newton por metro de longitud.
• Temperatura. Kelvin (K). El kelvin es la fracción 1/273,16 de la temperatura del punto triple del agua.
• Cantidad de sustancia. Mol (mol). El mol es la cantidad de una sustancia de un sistema que contiene tantas unidades elementales como átomos hay en 12 gramos de carbono-12.
• Intensidad luminosa. Candela (cd). La candela es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente de radiación monocromática de frecuencia 540·10¹² Hz, y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 vatios/estereorradián.

¿Qué representan las magnitudes fundamentales?

• La longitud. La longitud es una medida de una dimensión lineal, es decir, de una línea recta o curva. También se refieren a la longitud como el lado de un cuerpo con la mayor extensión, sin hacer otra consideración. Los cartógrafos consideran la longitud como la distancia angular (grados, minutos y segundos) de cualquier punto sobre la Tierra, con relación al Meridiano 0 que pasa por el Observatorio Astronómico de Greenwich, Londres. La longitud es una magnitud fundamental de tipo extensiva, ya que es aditiva y varía con la extensión o tamaño considerado. Además, es una magnitud de tipo vectorial por poseer una cantidad, una dirección y un sentido. La unidad en el SI es el metro, pero en el CGS es el centímetro.
• Tiempo. Magnitud física que señala la duración de acontecimientos que pueden variar determinando los períodos de duración. También se define como el período en el que se realiza una acción o se desarrolla un acontecimiento. Es una magnitud física de tipo escalar, aunque algunos señalan que es vectorial. Tanto en el SI como en el CGS la unidad es el segundo.
• Masa. Indica la cantidad de materia de una sustancia o un cuerpo. Es una magnitud fundamental extensiva, ya que es aditiva y está influenciada por el tamaño del ente al que pertenece. Además, es una magnitud de tipo escalar, porque solo indica cantidad, sin indicar dirección y sentido. En el SI la unidad de la masa es el kilogramo. Mientras que en el CGS la unidad de masa es el gramo.
• Intensidad de corriente eléctrica. Se define la intensidad de corriente eléctrica (I) como la cantidad de carga eléctrica (Q) que pasa por la sección transversal de un conductor por unidad de tiempo (t): I = Q / t. La carga es transportada fundamentalmente por electrones en movimiento. La intensidad de corriente (I) se expresa en amperios; la cantidad de carga (Q) lo hace en culombios, y el tiempo (t), en segundos. La intensidad de corriente es una magnitud física de tipo escalar e intensiva.
• Temperatura. Es una medida de la cantidad de calor de un cuerpo. El calor es una forma de energía que fluye a favor de su diferencia de concentración. La temperatura es una magnitud fundamental de tipo escalar e intensiva. El cero absoluto (0 Kelvin) es la mínima temperatura posible. A esta temperatura el valor de la entalpía y entropía de un gas ideal congelado alcanza su valor mínimo. El 0 kelvin equivale a -273,16 °C. Por ser un valor constante y absoluto, el kelvin es usado como unidad de la magnitud fundamental de temperatura, relacionándolo con el punto triple del agua. Este se caracteriza por estar en equilibrio los estados sólido, líquido y gaseoso del agua.
• Cantidad de sustancia. El mol equivale a 6,022·10²³ átomos o moléculas (número de Avogadro) y es un valor constante para todos los elementos y compuestos. Por esta razón, se dice que un mol de cualquier sustancia contiene tantas unidades elementales como la cantidad que contiene 12 gramos de carbono-12. En 12 gramos de carbono-12 hay un mol del elemento, ya que por definición 12 gramos de este elemento es la masa de un mol del mismo.
• Intensidad luminosa. La intensidad luminosa se define en fotometría como la cantidad de flujo luminoso que emite una fuente por unidad de ángulo sólido. El estereorradián es la unidad derivada del SI que mide ángulos sólidos. Es el equivalente tridimensional del radián. La intensidad luminosa también es definida como la luz radiada por segundo en una dirección específica, conocida como intensidad radiante. Viene definida por la siguiente fórmula: IV = Im / sr. Donde IV es la intensidad luminosa, Im el flujo luminoso, y sr el estereorradián. El flujo luminoso es una medida de la potencia luminosa percibida. La unidad de intensidad luminosa es la candela, la cual tradicionalmente es definida como la intensidad luminosa que produce una vela encendida.

Referencias

1. Serway & Jewett. Física: para ciencias e ingeniería con Física Moderna. Volumen 2 (Séptima edición). Cengage Learning.
2. Elert, G. International System of Units. Recuperado de:physics.info.
3. Nelson, K. Physics for Kids: Scalars and Vectors. Recuperado de ducksters.com.
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5. Sistema de medida en química. Recuperado de quimicafisica.com.