EPÓNIMOS

 

Brian David Josephson
Brian David Josephson
Información personal
Nacimiento	4 de enero de 1940 (86 años) Cardiff (Reino Unido)
Residencia	Reino Unido
Nacionalidad	Reino Unido
Educación
Educado en	Universidad de Cambridge
Tesis doctoral	Non-linear conduction in superconductors (1964)
Supervisor doctoral	Brian Pippard
Información profesional
Área	física
Conocido por	Efecto Josephson
Empleador	Universidad de Cambridge
Obras notables	Efecto Josephson
Miembro de	Real Sociedad de Londres Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias
Sitio web	www.tcm.phy.cam.ac.uk/~bdj10
Distinciones	Medalla Hughes (1972) Medalla y Premio Faraday (1972) Medalla Elliott Cresson (1972) Premio Nobel de Física (1973) Premio Holweck (1973)
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Brian David Josephson (Cardiff, País de Gales, 4 de enero de 1940) es un físico británico galés galardonado con el Premio Nobel de Física del año 1973 por la predicción del efecto Josephson.

Desde finales de 2007 es profesor jubilado de la Universidad de Cambridge, siendo luego jefe del proyecto de unificación mente-materia en la Teoría de la Materia Condensada. También es miembro del Trinity College de Cambridge.

Biografía

Brian nació el 4 de enero de 1940 en la ciudad de Cardiff. Se graduó en física en 1960 en la Universidad de Cambridge, universidad en la cual se doctoró cuatro años después.

Carrera académica

Josephson se convirtió en un miembro del Trinity College de Cambridge^[1] en 1962 antes de que se mudará a los Estados Unidos a tomar una posición como profesor asistente de la investigación en la Universidad de Illinois.^[1] Volvió a la Universidad de Cambridge en 1967 como ayudante de dirección de la investigación en el Laboratorio Cavendish y luego profesor de física en 1974,^[1] mantuvo esa ocupación hasta su jubilación en 2007.

Desde 1983 Josephson ha sido nombrado como profesor visitante en varias instituciones como la Universidad Estatal Wayne en 1983,^[1] el Indian Institute of Science en 1984^[1] y la Universidad de Misuri- Rolla^[1] en 1987.

Josephson es miembro del Grupo de la Teoría de la Materia Condensada ( TCM ), un grupo de físicos teóricos en el Laboratorio Cavendish, estando ahí una gran parte de su carrera de investigación. Mientras trabajaba en el grupo TCM fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1973 cuando todavía tenía el nivel académico de lector en la física. Compartió el premio con el físico japonés Leo Esaki y físico estadounidense Ivar Giaever, que recibieron cada una cuarta parte de los premios, y la mitad para Josephson. Inusualmente, Josephson junto con Esaki y Giaever, no fueron ayudados por profesores. Siendo raro que los académicos clasificados por debajo del nivel de profesores ganen el prestigioso premio. Además, y excepcionalmente, cada uno realizó sus investigaciones pertinentes antes de ser galardonado con el doctorado.

Josephson también dirige el Proyecto de Unificación Mente-Materia en el Grupo de TCM.

Investigaciones científicas

Inició sus actividades de investigación en el Laboratorio Cavendish de la misma Universidad de Cambridge, lugar donde ha desarrollado la totalidad de sus investigaciones científicas. En 1962 predijo el que se llamaría efecto Josephson, según el cual una corriente eléctrica puede fluir entre dos elementos de material superconductor separados por una delgada capa de materia aislante sin sufrir resistencia eléctrica alguna, pese a estar atravesando una capa de material no-superconductor.^[2]

En 1973 fue galardonado con el Premio Nobel de Física por su predicción del efecto Josephson, premio que compartió con los físicos Leo Esaki e Ivar Giaever, quienes lo demostraron experimentalmente.

En este efecto se basa en el diseño de magnetómetros SQUID,^[3] utilizados para la definición del voltio estándar.

EPÓNIMO :

Una unión de Josephson real. La línea horizontal es el primer electrodo, mientras que la línea vertical es el segundo electrodo. El cuadrado que las separa es un aislante que tiene en el centro donde se encuentran los dos electrodos una pequeña apertura a través de la cual está la verdadera unión Josephson.

El efecto Josephson es un efecto físico que se manifiesta por la aparición de una corriente eléctrica por efecto túnel entre dos superconductores separados. El físico británico Brian David Josephson predijo tal efecto en 1962^[1] Un año más tarde, las uniones Josephson fueron construidas por primera vez por Anderson y Rowell.^[2] Estos trabajos le valieron a Josephson el premio Nobel de física en 1973 (junto con Leo Esaki e Ivar Giaever).

Descripción

Según la teoría BCS, la corriente eléctrica en los superconductores no la transportan electrones simples como sería el caso normal, sino pares de electrones, los llamados pares de Cooper.

Cuando los dos superconductores están separados por una capa de un medio aislante o un metal no superconductor de unos pocos nanómetros, los pares de Cooper pueden atravesar la barrera por efecto túnel, un efecto característico de la mecánica cuántica. Aunque los pares de Cooper no pueden existir en un aislante o un metal no superconductor, cuando la capa que separa los dos superconductores es lo suficientemente estrecha, estos la pueden atravesar y guardar su coherencia de fase. Es la persistencia de esta coherencia de fase lo que da lugar al efecto Josephson.

Las ecuaciones básicas^[3] que gobiernan la dinámica del efecto Josephson son:

${\displaystyle V(t)=\frac{\hslash }{2e}\frac{\mathrm{\partial }\varphi }{\mathrm{\partial }t}}$   (ecuación de la evolución de fase superconductora)

${\displaystyle I(t)=I_c\sin (\varphi (t))}$   (relación de Josephson o de enlace débil corriente-fase)

donde ${\displaystyle V(t}$) e ${\displaystyle I(t)}$ son los voltajes y la corriente a través de la unión de Josephson, ${\displaystyle \varphi (t)}$ es la diferencia de fase entre las funciones de onda en los dos superconductores que forman la unión, e ${\displaystyle I_c}$ es una constante, la corriente crítica de la unión. La corriente crítica es un parámetro experimental importante del dispositivo que puede alterarse tanto por la temperatura como por un campo magnético aplicado. La constante física, ${\displaystyle \begin{array}{c}\frac{h}{2e}\end{array}}$ es el cuanto de flujo magnético, la inversa del cual es la constante de Josephson.

Se distinguen dos tipos de efecto Josephson, el efecto Josephson continuo (D.C. Josephson effect en inglés) y el efecto Josephson alterno (A.C. Josephson effect en inglés).

Efecto Josephson alterno

Con un voltaje fijo ${\displaystyle U_{DC}}$ entre las uniones, la fase variará linealmente con el tiempo y la corriente será una corriente alterna con una amplitud de ${\displaystyle I_c}$ y una frecuencia de ${\displaystyle \begin{array}{c}\frac{2e}{h}\end{array}}$${\displaystyle U_{DC}}$. Esto significa que la unión de Josephson puede funcionar como un convertidor voltaje-frecuencias perfecto.

La corriente a través de la barrera separando los superconductores es:

${\displaystyle I_s=I_c\sin ({\varphi }_1-{\varphi }_2)}$

donde ${\displaystyle I_c}$ es una corriente característica de la unión y ${\displaystyle {\varphi }_{1,2}}$ son las fases superconductoras de los dos superconductores.

Por otra parte, la fase superconductora está conjugada canónicamente con el número de partículas, y obedece a la ecuación de movimiento:

${\displaystyle \hslash \frac{d({\varphi }_1-{\varphi }_2)}{dt}=2e(V_1-V_2)}$

donde ${\displaystyle e}$ es la carga del electrón, y ${\displaystyle V_1-V_2}$ es la diferencia de potencial existente entre los dos superconductores.

Por ello resulta que:

${\displaystyle I(t)=I_c\sin \left(\frac{2e}{\hslash }(V_1-V_2)t+{\phi }_0\right)}$

O dicho de otra forma, la aplicación de una diferencia de potencial conlleva las oscilaciones de la corriente superconductora a una frecuencia de ${\displaystyle \frac{2e}{h}(V_1-V_2)}$. El efecto Josephson alterno es una forma de medir la relación ${\displaystyle e/h}$.

Efecto Josephson continuo

El efecto Josephson continuo se refiere al fenómeno de una corriente continua que atraviesa el aislante en ausencia de un campo electromagnético externo. Se obtiene al aplicar un campo magnético a una unión de Josephson. El campo magnético produce un desfase entre los pares de Cooper que atraviesan la unión de forma análoga al efecto Aharonov-Bohm. Este desfase puede producir interferencias destructivas entre los pares de Cooper, lo que constituye una reducción de la corriente máxima que puede atravesar la unión. Si ${\displaystyle \mathrm{\Phi }}$ es el flujo magnético a través de la unión, se tiene la relación:

${\displaystyle I_s^{max}=I_c\frac{\sin \frac{\pi \mathrm{\Phi }}{{\mathrm{\Phi }}_0}}{\frac{\pi \mathrm{\Phi }}{{\mathrm{\Phi }}_0}}}$

El efecto Josephson continuo se aprovecha en los SQUIDs (Superconducting Quantum Inteference Device) para medir los campos magnéticos.

James Prescott Joule
James Prescott Joule.
Información personal
Nacimiento	24 de diciembre de 1818 Salford (Reino Unido de Gran Bretaña e Irlanda)
Fallecimiento	11 de octubre de 1889 (70 años) Sale (Reino Unido)
Sepultura	Brooklands
Nacionalidad	Británico
Familia
Padres	Benjamin Joule Alice Prescott
Cónyuge	Amelia Grimes
Educación
Educado en	Universidad de Mánchester
Alumno de	John Dalton
Información profesional
Ocupación	Físico
Área	Químico y física
Cargos ocupados	Secretario de Sociedad Filosófica y Literaria de Mánchester (1846-1849) Presidente (1860-1862) Presidente (1868-1870) Presidente (1872-1874) Presidente (1878-1880)
Obras notables	termodinámica
Miembro de	Real Sociedad de Londres Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias Sociedad Filosófica y Literaria de Mánchester Academia de Ciencias de Turín (desde 1848) Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (desde 1887)
Distinciones	Miembro de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias Miembro de la Royal Society Medalla Real (1852) Medalla Copley (1870) Medalla Albert (1880)
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James Prescott Joule (Salford, Reino Unido, 24 de diciembre de 1818-11 de octubre de 1889) fue un físico inglés, uno de los más notables físicos de su época, conocido sobre todo por sus investigaciones en termodinámica. Descubrió su relación con el trabajo mecánico, lo cual le condujo a la teoría de la energía. La unidad internacional de energía, calor y trabajo, el joule, fue bautizada en su honor. Trabajó con lord Kelvin para desarrollar la escala absoluta de la temperatura, hizo observaciones sobre la teoría termodinámica (efecto Joule-Thomson) y encontró una relación entre la corriente eléctrica que atraviesa una resistencia y el calor disipado, llamada actualmente ley de Joule. Después de numerosos experimentos, obtuvo el valor numérico del equivalente mecánico del calor. Contribuyó a explicar la teoría cinética de los gases. Fue «posiblemente el último autodidacta que hizo una contribución significativa al progreso de la ciencia».^[1]

Biografía

James Prescott Joule era hijo de Benjamin Joule (1784-1858), propietario de una fábrica de cerveza. De carácter tímido y humilde, recibió clases particulares en su propio hogar de física y matemáticas, siendo su profesor el químico británico John Dalton; compaginaba estas clases con su actividad profesional, trabajando junto a su padre en la destilería, la cual llegó a dirigir. Dalton le alentó hacia la investigación científica y realizó sus primeros experimentos en un laboratorio cercano a la fábrica de cervezas, formándose a la vez en la Universidad de Mánchester.^[2] Solo recibió dos años de educación en aritmética y geometría antes de que Dalton se tuviera que retirar por un accidente vascular cerebral. Aun así, Dalton influyó en Joule, así como sus socios, el químico William Henry y los ingenieros de Mánchester Peter Ewart y Eaton Hodgkinson. Más adelante, Joule fue educado por John Davies. Joule estaba fascinado por la electricidad. Él y su hermano experimentaban dándose descargas eléctricas el uno al otro y también a los criados de la familia.^[3]

Joule llegó a gerente de la cervecería y tuvo un papel activo hasta que el negocio fue vendido en 1854. La ciencia era una afición, pero pronto empezó a investigar la posibilidad de sustituir la máquina de vapor de la cervecería con un motor eléctrico, entonces recién inventado. Joule tenía una habitación en casa de su padre que la utilizaba como laboratorio; fue allí donde empezó a hacer sus primeros experimentos eléctricos y magnéticos.^[4] En 1838 contribuyó con sus primeros trabajos académicos sobre electricidad en los Annals of Electricity, la revista científica fundada y dirigida por el socio de Davies William Sturgeon. Descubrió la ley de Joule en 1840^[5] e intentó impresionar a la Royal Society pero descubrió, no por última vez, que se le veía como un mero principiante de provincias. Cuando Sturgeon se mudó a Mánchester en 1840, Joule y él llegaron a ser el centro de un círculo de intelectuales de la ciudad. Ambos compartían la creencia de que la ciencia y la teología tenían que integrarse. Joule enseñó en la Royal Victoria Gallery of Practical Science de Sturgeon.^[3]

Descubrió que quemar una libra de carbón en una máquina de vapor produce cinco veces el trabajo del consumo de una libra de zinc en una Celda de Grove,^{[nota 1]} una de las primeras baterías eléctricas.^[6] La unidad estándar de trabajo de Joule era la capacidad de levantar una libra a una altura de un pie, el pie-libra.^{[nota 2][3]}

Joule fue influido por el pensamiento de Franz Aepinus y trató de explicar los fenómenos de la electricidad y el magnetismo en términos de átomos rodeados por un "éter calorífico en estado de vibración".^[3]

Aun así, el interés de Joule cambió desde algo puramente financiero sobre cuánto trabajo se podía extraer de una única fuente, hasta especular sobre la transformación de la energía. En 1843 publicó los resultados de sus experimentos, que demostraban que el efecto de calentamiento que había cuantificado en 1841 se debía a la generación de calor en el conductor eléctrico y no a su transmisión desde otra parte del equipamiento.^[7] Esto era un reto directo de la teoría del calórico, que sostenía que el calor no se podía ni crear ni destruir. La teoría del calórico había dominado el pensamiento en la ciencia del calor desde que Antoine Lavoisier lo había introducido en 1783. El prestigio de Lavoisier y el éxito práctico de la teoría del calórico de la máquina de vapor de Sadi Carnot desde 1824 hicieron que el joven Joule, que trabajaba fuera de los ámbitos académico y de ingeniería, tuviera un camino difícil para recorrer. Los valedores de la teoría del calórico indicaron la simetría de la efecto Peltier-Seebeck para afirmar que el calor y la corriente son convertibles, al menos aproximadamente, por un proceso reversible.^[3]

En junio de 1844, su padre se trasladó de Pendlebury a Whalley Range e hizo construir un laboratorio para su hijo situado cerca de la casa.^[4] Joule mantuvo una estrecha relación con la Manchester Literary and Philosophical Society. El 25 de enero de 1842 acabó siendo miembro de la sociedad, en 1844 era nombrado bibliotecario, en 1846 secretario honorario, en 1851 vicepresidente y finalmente, en 1860 llegó a presidente de la sociedad por primera vez.^[4]

El equivalente mecánico del calor

Artículo principal: Efecto Joule

En su obra del 1845, Joule escribió:

... el trabajo mecánico ejercido al girar una máquina magnetoeléctrica se convierte en calor creado por el paso de corrientes inductivas a través de sus bobinas; y, por otro lado, que el poder motil del motor magnetoeléctrico se obtiene a expensas del calor debido a las reacciones químicas de la batería que lo hace trabajar.^[8]

El aparato de calor de Joule (1845).

En este pasaje, Joule adopta el lenguaje de la vis viva (energía), posiblemente porque Hodgkinson había leído una revisión de la obra de Ewart On the measure of moving force a la Literary and Philosophical Society en abril del 1844.

Experimentos y medidas posteriores hechos por Joule le llevaron a calcular que el equivalente mecánico del calor era de 838 pies-libra para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit.^[9] Anunció sus resultados en un encuentro del departamento de química de la British Association for the Advancement of Science en Cork en 1843, pero se encontró con un silencio como respuesta.

Joule no se desanimó y empezó a buscar una demostración puramente mecánica de la conversión de trabajo en calor. Forzando agua a través de un cilindro perforado, fue capaz de medir el ligero calentamiento viscoso del fluido. Obtuvo un equivalente mecánico de 770 pies-libra/UTB (4,14 J/cal). El hecho de que los valores obtenidos tanto por medios eléctricos y puramente mecánicos se correspondieran al menos un orden de magnitud era, para Joule, evidencia convincente de la realidad de la transformación de trabajo en calor.

Joule probó un tercer camino. Midió el calor generado con el trabajo hecho al comprimir un gas. Obtuvo un equivalente mecánico de 823 pies-libra (4,43 J/cal).^[10] De muchas maneras, este experimento se convirtió en el objetivo más fácil para los críticos de Joule, pero Joule se encargó de las objeciones anticipadas mediante experimentos inteligentes. Aun así, su obra fue rehusada por la Royal Society y se tuvo que contentar con publicarla en la Philosophical Magazine. En esta obra quedaba evidente su rechazo del razonamiento calórico de Carnot y Émile Clapeyron, pero también eran evidentes sus motivaciones teológicas:

Concibo que esta teoría... se opone a los principios reconocidos de la filosofía porque lleva a la conclusión que la vis viva se puede destruir mediante una configuración incorrecta del aparato: por lo tanto, el Sr. Clapeyron infiere que «siendo la temperatura del fuego entre 1000 °C y 2000 °C superior a la de la caldera, hay una enorme pérdida de vis viva en el paso del calor del horno a la caldera». Convencido de que el poder de destruir cosas pertenece únicamente al Creador, afirmo... que cualquier teoría que, cuando puesta en práctica, requiere la aniquilación de fuerza, es necesariamente errónea.

Aparato para determinar el equivalente mecánico al calor

El aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor.

En 1845, Joule leyó su obra On the mechanical equivalient of heat en la reunión de la British Association en Cambridge.^[11] En esta obra, explicó su experimento más conocido, utilizando un peso cayendo para hacer girar un carrete en un barril de agua aislado, del cual midió el incremento de temperatura. Su nueva estimación del equivalente mecánico era de 819 pies-libra/BTU (4.41 J/cal).

En 1850, Joule publicó una medida refinada de 772,692 pies-libra/BTU (4,159 J/cal), más cercana a las estimaciones del siglo XX.^[12]

Recepción y prioridad

Gran parte de la resistencia inicial de la obra de Joule se debía a su dependencia de medidas extremamente precisas. Afirmaba poder medir temperaturas con un margen de error de sólo 1/200 de grado Fahrenheit. Una precisión de esta magnitud era ciertamente rara en la física experimental de su tiempo, pero sus críticos podrían haber despreciado su experiencia en el arte de la cervecería y en su acceso a tecnologías prácticas.^[13] También recibió el apoyo del fabricante de instrumentos científicos John Benjamin Dancer.^[14]

Aun así, el alemán Hermann Helmholtz descubrió la obra de Joule y una obra similar publicada en 1842 por Julius Robert von Mayer. A pesar de que ambos habían sido despreciados desde la publicación de sus respectivos trabajos, la declaración definitiva del 1847 de Helmholtz de la conservación de la energía dio crédito a los dos.

También en 1847, en una de las exposiciones de Joule de la British Association en Oxford asistieron George Gabriel Stokes, Michael Faraday, y el precoz e independiente William Thomson, quien más tarde sería nombrado Lord Kelvin, y que acababa de conseguir el puesto de catedrático de filosofía natural de la Universidad de Glasgow. Stokes se sintió «inclinado a ser un Joulita» y Faraday «quedó muy impresionado», a pesar de que tenía dudas. Thomson estaba intrigado pero permanecía escéptico.

Thomson y Joule se encontraron de improviso más tarde aquel año en Chamonix. Joule se casó con Amelia Grimes el 18 de agosto y la pareja marchó de luna de miel. Dejando de lado el entusiasmo marital, Joule y Thomson decidieron intentar un experimento unos días más tarde para medir la diferencia de temperatura entre la parte superior y la parte inferior de la Cascada de Sallanches, a pesar de que más tarde esto se reveló muy poco práctico.

A pesar de que Thomson sentía que los resultados de Joule exigían una explicación teórica, defendió con vigor la escuela de Carnot y Clapeyron. En su tratado sobre la temperatura absoluta de 1848, Thomson escribió que «la conversión de calor (o calórico) en efecto mecánico es probablemente imposible, y ciertamente no ha sido descubierta»^[15] - pero una nota a pie de página demostró sus dudas sobre la teoría calórica, refiriéndose a los «descubrimientos muy remarcables» de Joule. Sorprendentemente, Thomson no envió a Joule una copia de la obra, pero cuando este finalmente la leyó, escribió a Thomson el 6 de octubre, afirmando que sus estudios habían demostrado la conversión de calor en trabajo pero que estaba planeando más experimentos. Thomson respondió el día 27, revelando que estaba planeando sus propios experimentos y que esperaba una reconciliación de sus dos teorías. A pesar de que Thomson no hizo más experimentos, a lo largo de los dos años siguientes se desencantó con la teoría de Carnot y se convenció de la de Joule. En su obra de 1852, Thomson no deseaba llegar más lejos que un compromiso y declaró que «toda la teoría del poder motil del calor se basa en… dos… proposiciones… debidas a Joule, por un lado, y Carnot y Clausius, por la otra».^[16]

Tan pronto como Joule leyó la obra, escribió a Thomson con sus comentarios y preguntas. Así empezó una colaboración fructífera entre ambos hombres, a pesar de que fue esencialmente epistolar, con Joule llevando a cabo experimentos y Thomson analizando los resultados y proponiendo otros nuevos. La colaboración duró de 1852 a 1856, y sus descubrimientos incluyeron el efecto Joule-Thomson, y los resultados publicados contribuyeron mucho a la aceptación general del trabajo de Joule y de la teoría cinética.

Teoría cinética

James Prescott Joule

La cinética es la ciencia que estudia el movimiento.^[17][18] Joule fue alumno de Dalton y no es sorpresivo que desarrollara una firme creencia en la teoría atómica, a pesar de que muchos científicos de su época todavía eran escépticos. También fue una de las pocas personas receptivas a la poco aceptada obra de John Herapath sobre la teoría cinética de gases. También fue profundamente influido por la obra de Peter Ewart de 1813 On the measure of moving force.

Joule percibió la relación entre sus descubrimientos y la teoría cinética del calor. Sus notas de laboratorio revelan que creía que el calor era una forma de movimiento más rotacional que translacional.

Joule no pudo resistir encontrar antecedentes de sus creencias en Francis Bacon, Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson y Humphry Davy. A pesar de que estas creencias están justificadas, Joule calculó un valor para el equivalente mecánico del calor de 1.034 pies-libra a partir de las obras de Thompson. Algunos estudiosos actuales han criticado esto, argumentando que los experimentos de Thompson no representaban medidas cuantitativas sistemáticas. En una de sus notas personales, Joule argumenta que la medida de Mayer no era más precisa que la de Thompson, quizás esperando que Mayer no se hubiera anticipado a su obra.

Muerte y reconocimientos

Una estatua de Joule en la casa de la villa de Mánchester.

Busto de Joule en Worthington Park

Joule tenía que haber sido el presidente de la British Association en la reunión de Bradford en 1872 y de nuevo en la reunión de Mánchester de 1887, pero en ambas ocasiones no pudo asistir por cuestiones de salud.^[4] A partir de 1872 su salud se debilitó, y desde aquel momento y hasta su muerte el 11 de octubre de 1889 vivió tranquilamente en su residencia del 12 de Wardle Road de Sale,^[4][19] donde estudiaba en la medida que su salud se lo permitía. Fue enterrado en el cementerio de Brooklands.^[20] La lápida lleva la inscripción «772,75», su medida culminante del equivalente mecánico del calor (1878), y una cita del Evangelio de Juan, «Mientras sea de día, tengo que hacer las obras de quien me ha enviado: pero ahora se acerca la noche, cuando nadie puede trabajar» (Juan, 9:4).^[20]

A lo largo de su vida, pero especialmente durante sus últimos años, recibió numerosos reconocimientos provenientes tanto de Inglaterra cómo del extranjero. Joule fue elegido miembro (en inglés, Fellow) de la Royal Society el día 6 de junio de 1850.^[4] En 1852 el Consejo de la Royal Society le concedió Joule la Royal Medal por su tarea de investigación;^[21] en 1860 le otorgaron la Medalla Copley por los mismos experimentos de la mano de Sir Edward Sabine; en el discurso de entrega Sabine dijo:

El premio de dos medallas por la misma investigación es un procedimiento extremadamente raro en nuestra sociedad, y con razón. En esta ocasión, el Consejo ha deseado mostrar de la manera más enfática posible su opinión del carácter especial y original y la gran utilidad del descubrimiento del Sr. Joule.

Sir Edward Sabine (1860)^[4]

Varias universidades le concedieron el título de doctor honoris causa; el primero fue el D.C.L. por la Trinity College Dublin (1857), después el D.C.L. por la Universidad de Oxford (1860) y finalmente el D.C.L. por la Universidad de Edimburgo (1871).^[4] En 1878 recibió una pensión de £ 200 al año por servicios a la ciencia y el 1880 el príncipe de Gales Eduardo VII le entregó la Albert Medal, otorgada por la Royal Society of Artes.^[4] J.P. Joule es miembro honorario de la Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland desde 1857.^[22]

Existen dos retratos al óleo de James Prescott; el primero se alberga en una sala de la Manchester Literary and Philosophical Society y fue pintado por George Patten en 1863, mientras que el segundo es propiedad de Royal Society y es obra de George Reynolds en 1882. También Reynolds esculpió un busto en 1882.^[4]

En la ciudad de Mánchester cuenta con bastantes reconocimientos, como por ejemplo la biblioteca^[23] que lleva su nombre y que, dentro de la Universidad de Mánchester, está especializada en obras de ciencia, tecnología e ingeniería, o como la estatua esculpida por Alfred Gilbert, ubicada justo ante una de Dalton en el exterior del ayuntamiento. En el corazón de la Abadía de Westminster hay un monumento a Joule, a pesar de que no está enterrado allí, contra lo que dicen algunas biografías.^[24]

El parque de Worthington, antiguamente parque de Sale, acoge un busto de arcilla bañado en bronce que representa la figura del científico. La obra es de 1905 del escultor John Cassidy. El proyecto fue financiado parcialmente por donaciones, entre otros, de científicos de todo el mundo. El busto presenta Joule sosteniendo una obra científica en la que se entrevé el dibujo de un galvanómetro.^[2][25]

El cráter lunar Joule posee ese nombre en su honor,^[26] así como el submarino francés Joule, que se hundió en los Dardanelos la primavera del 1915.^[27]

Actividad cervecera

Junto con su hermano Benjamin, James Joule se hizo cargo de la cervecería situada en Salford que su abuelo William había fundado tres décadas antes de su nacimiento.^[28] Mientras que algunos autores afirman que Joule se implicó poco en la gestión de la cervecería, otros dicen todo el contrario, que Joule mostraba un gran interés para mejorar los procesos técnicos, físicos y químicos de la cervecería. Este último punto de vista se sostiene en su correspondencia con Lord Kelvin. La producción de gas durante el proceso de fabricación de la cerveza habría sido el punto de partida para los estudios que desembocaron en el descubrimiento del efecto Joule-Thomson. La enfermedad de su padre y la marcha de su hermano obligaron a James Joule a implicarse con los aspectos técnicos y comerciales de la cervecería. Joule acabó vendiendo la cervecería en 1855, pocos años antes de la muerte de su padre, para centrarse exclusivamente en sus experimentos científicos.

EPÓNIMO :

Julio
Estándar	Unidades derivadas del Sistema Internacional
Magnitud	Energía, trabajo y calor
Símbolo	J
Nombrada en honor de	James Prescott Joule
Equivalencias
Unidades básicas del Sistema Internacional	1 J = kg·m2/s2
Sistema CGS	1 J = 107 ergios
Unidades derivadas del SI	1 J = W·s
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El julio^[1] (en el original, joule;^[2] pronunciación en inglés: /ˈdʒuːl/; símbolo: J) es la unidad derivada del Sistema Internacional utilizada para medir energía, trabajo y calor.^[3] Como unidad de trabajo, el julio se define como la cantidad de trabajo realizado por una fuerza constante de un newton en un metro de longitud en la misma dirección de la fuerza.^[4]

En esta definición, al ser tan específica, no se consideran tipos de resistencia como el roce del aire.

Su símbolo es J, con mayúscula y sin punto,^[5] como todos los símbolos de unidades del SI que derivan de nombres de persona.

La unidad julio también se puede definir como:

• El trabajo necesario para mover una carga de un culombio a través de una tensión (diferencia de potencial) de un voltio. Es decir, un voltio-culombio (V·C). Esta relación se puede utilizar, a su vez, para definir la unidad voltio.^[6]
• El trabajo necesario para producir un vatio de potencia durante un segundo. Es decir, un vatio-segundo (W·s). Esta relación es, además, utilizable para definir el vatio.

También es la energía disipada en forma de calor cuando una corriente eléctrica de un amperio pasa a través de una resistencia de un ohmio durante un segundo.

Puede utilizarse para medir calor, el cual es energía cinética (movimiento en forma de vibraciones) a escala atómica y molecular de un cuerpo.

Toma su nombre en honor del físico inglés James Prescott Joule (1818–1889).^{[7][8][9][10]}

Como todas las unidades del SI que llevan el nombre de una persona, su símbolo comienza con una letra mayúscula (J), pero cuando se escribe completo, sigue las reglas de mayúsculas de un sustantivo común; es decir, "joule" se escribe con mayúsculas al principio de una frase y en los títulos, pero por lo demás va en minúsculas.

Historia

El Sistema Cegesimal de Unidades había sido declarado oficial en 1881, en el primer Congreso Internacional de Electricidad. El ergio se adoptó como unidad de energía en 1882. Wilhelm Siemens, en su discurso de toma de posesión como presidente de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (23 de agosto de 1882) propuso por primera vez el Joule como unidad de calor, que se derivaría de las unidades electromagnéticas amperio y ohmio, en unidades cgs equivalentes a 10⁷ ergios. La denominación de la unidad en honor de James Prescott Joule (1818-1889), en aquel momento jubilado pero aún vivo (63 años), se debe a Siemens:

Una unidad de calor de este tipo, si resulta aceptable, podría llamarse, con gran propiedad, Joule, en honor del hombre que tanto ha contribuido al desarrollo de la teoría dinámica del calor. ^[11]

En el segundo Congreso Internacional de Electricidad, celebrado el 31 de agosto de 1889, se adoptó oficialmente el joule junto con el vatio y el cuadrante (más tarde rebautizado como henry).^[12] Joule murió ese mismo año, el 11 de octubre de 1889. En el cuarto congreso (1893), se definieron el "amperio internacional" y el "ohmio internacional", con ligeros cambios en las especificaciones para su medición, siendo el "joule internacional" la unidad derivada de ellos.^[13]

En 1935, la Comisión Electrotécnica Internacional (como organización sucesora del Congreso Eléctrico Internacional) adoptó el " sistema Giorgi", que al asumir un valor definido para la constante magnética también implicaba una redefinición del joule. El sistema Giorgi fue aprobado por el Comité Internacional de Pesas y Medidas en 1946. El joule ya no se definía basándose en la unidad electromagnética, sino como la unidad de trabajo realizado por una unidad de fuerza (en aquel momento aún no se llamaba newton) en una distancia de 1 metro. El joule se concibió explícitamente como la unidad de energía que se utilizaría tanto en contextos electromagnéticos como mecánicos.^[14] La ratificación de la definición en la novena Conferencia General de Pesas y Medidas, en 1948, añadió la especificación de que el joule también debía preferirse como unidad de calor en el contexto de la calorimetría, desaprobando así oficialmente el uso de la caloría.^[15] Esta definición fue la precursora directa del joule tal y como se adoptó en el moderno Sistema Internacional de Unidades en 1960.

La definición del joule como J = kg⋅m²⋅s^-2 ha permanecido inalterada desde 1946, pero el joule como unidad derivada ha heredado cambios en las definiciones del segundo (en 1960 y 1967), el metro (en 1983) y el kilogramo (en 2019).

Equivalencias

El julio equivale a:

${\displaystyle 1\mathrm{J}=1\mathrm{N}\cdot \mathrm{m}=\left(\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot \frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}\right)\cdot \mathrm{m}=\frac{\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot {\mathrm{m}}^2}{{\mathrm{s}}^2}}$

Donde N representa newtons; m, metros; kg: kilogramos; s: segundos.

Un julio equivale a

1 N·m (newton·metro)

1 W·s (vatio·segundo)

6,2415 × 10¹⁸ eV (electronvoltio)

1 C·V (culombio·voltio)

0,00987 atm·L (atmósfera·litro)

1 Pa·m³ (pascal·metro cúbico)

0,238902957 cal (caloría)

Equivalencias inversas

1 Wh (vatio-hora) = 3600 J

1 kWh (kilovatio-hora) = 3,6·10⁶ J = 3,6 MJ

1 cal (caloría) = 4,187 J

1 kcal (kilocaloría) = 1000 cal = 4187 J

1 tep (tonelada equivalente de petróleo) = 41,84·10⁹ J = 11 622 kilovatios-hora

1 tec (tonelada equivalente de carbón) = 29,3·10⁹ J = 8138,9 kilovatios-hora

1 g de TNT = 4184 J ≈ 1 kcal

Equivalencias prácticas aproximadas

Para tener una idea de la magnitud de un julio, existen varios ejemplos en la vida cotidiana que pueden aportar alguna idea de dicha cantidad de energía. Un julio es, aproximadamente, la:^[16]

• Energía necesaria para lanzar una manzana pequeña un metro hacia arriba.
• Energía liberada cuando una manzana pequeña cae un metro hacia el suelo.
• Energía liberada por una persona en reposo en una centésima de segundo.
• Energía cinética (movimiento) de una bola de tenis de 56 gramos a 22 km/h o 6 m/s.
• Energía cinética de un humano adulto que se mueve a una velocidad de alrededor de 20 cm/s.
• Energía necesaria para elevar 0,24 °C la temperatura de un gramo de agua.^[17]

Múltiplos del SI

A continuación se presenta una tabla de los múltiplos y submúltiplos del Sistema Internacional de Unidades.

Múltiplos del Sistema Internacional para julio (J)

Submúltiplos				Múltiplos
Valor	Símbolo	Nombre		Valor	Símbolo	Nombre
10−1 J	dJ	decijulio		101 J	daJ	decajulio
10−2 J	cJ	centijulio		102 J	hJ	hectojulio
10−3 J	mJ	milijulio		103 J	kJ	kilojulio
10−6 J	µJ	microjulio		106 J	MJ	megajulio
10−9 J	nJ	nanojulio		109 J	GJ	gigajulio
10−12 J	pJ	picojulio		1012 J	TJ	terajulio
10−15 J	fJ	femtojulio		1015 J	PJ	petajulio
10−18 J	aJ	attojulio		1018 J	EJ	exajulio
10−21 J	zJ	zeptojulio		1021 J	ZJ	zettajulio
10−24 J	yJ	yoctojulio		1024 J	YJ	yottajulio
10−27 J	rJ	rontojulio		1027 J	RJ	ronnajulio
10−30 J	qJ	quectojulio		1030 J	QJ	quettajulio
Los prefijos más comunes de la unidad están en negritas.

Esta unidad del Sistema Internacional es nombrada así en honor a James Prescott Joule. En las unidades del SI cuyo nombre proviene del nombre propio de una persona, la primera letra del símbolo se escribe con mayúscula (J), en tanto que su nombre siempre empieza con una letra minúscula (julio o joule), salvo en el caso de que inicie una frase o un título.

Basado en The International System of Units, sección 5.2.

Newton-metro y par

Artículo principal: Newton metro

En mecánica, el concepto de fuerza (en alguna dirección) tiene un análogo cercano en el concepto de par (sobre algún ángulo):

Lineal	Angular
Fuerza	Par
Masa	Momento de inercia
Desplazamiento	Ángulo

Como resultado de esta similitud, la unidad del SI para el par es el newton metro, que según el algebraico tiene las mismas [[análisis dimensional]|dimensiones]] que el joule, pero no son intercambiables. La Conferencia General de Pesas y Medidas ha dado a la unidad de energía el nombre de joule, pero no ha dado a la unidad de par ningún nombre especial, por lo que es simplemente el newton-metro (N⋅m) - un nombre compuesto derivado de sus partes constituyentes. El uso de newton-metros para el par pero joules para la energía es útil para evitar malentendidos y falta de comunicación.

La distinción puede verse también en el hecho de que la energía es una cantidad escalar - el producto escalar de un vector vector de fuerza y un vector de desplazamiento. Por el contrario, el par es un vector - el producto cruzado de un vector fuerza y un vector distancia. El par y la energía están relacionados entre sí por la ecuación$${\displaystyle E=\tau \theta ,}$$

donde E es la energía, τ es (la magnitud vectorial del) par, y θ es el ángulo barrido (en radianes). Dado que los ángulos planos son adimensionales, se deduce que el par y la energía tienen las mismas dimensiones.

Vatio segundo

Un vatio-segundo (símbolo W s o W⋅s) es una unidad derivada de energía equivalente al julio.^[18] El vatio-segundo es la energía equivalente a la potencia de un vatio sostenido durante un segundo. Aunque el vatio-segundo es equivalente al joule tanto en unidades como en significado, hay algunos contextos en los que se utiliza el término "vatio-segundo" en lugar de "joule", como en la clasificación de los flashes electrónicos fotográficos. ^[19]

Orden de magnitud

Artículo principal: Anexo:Órdenes de magnitud (energía)

El julio es una unidad de energía muy pequeña para la vida corriente. Aproximadamente, un julio es la cantidad de energía necesaria para levantar 0,1 kg una altura de 1 metro en la superficie terrestre.^[20] Una patada de un deportista puede tener una energía de unos 200 J; una bombilla (de cualquier tipo) de 20 W encendida durante 8 horas gasta unos 600 000 J; y el consumo eléctrico de una familia media durante un mes puede ser de 1 000 000 000 J (unos 278 kWh).

^[