The excitation of liquids to produce optical amplification depends on a number of factors associated with the molecular properties and the intra molecular structure of liquids. The most important factors determining the efficiency of the activation process are the lifetimes of the states which decay to produce laser transitions and the various mechanisms by which the excitation may be by-passed, for example, by the excitation of triplet states of dyes. In a given column of excited liquid, the optical gain of the column will depend on the population inversion, the column length and the reflectivities of the mirrors defining the optical cavity. The latter mirror reflectivity may be enhanced by non linear optical processes in the liquid in the course of which hypersonic waves may be stimulated, or a stationary wave of thermal origin may be brought into existance which could introduce a periodicity of refractive index into the column. The purpose of this investigation is to design and develop a very fast flashlamp pumped dye laser system which will have an active lasing time period > 100 ns so that triplet state population and any major thermal effects become less important. The design parameters for ultrafast ultra violet lights sources are also investigated. The first part of the thesis considers the criteria required for the efficient optical excitation of a liquid and describes the design and construction of fast light sources. The properties of strip line pulsers are considered in detail, and the results from a series of prototype devices are evaluated. These include specially designed coaxial flash lamps as well as the usual linear type. Preliminary experiments and problems associated with achieving lasing output from rhodamine 6G are discussed.

Numerical simulation techniques play an important role due to their flexibility in dealing with a broad range of complex geometries and material responses. This flexibility requires substantial computational time and memory. Most numerical methods use structured grid for graphical discretization, although this approach is straightforward it is not ideal for smoothly curved boundaries. In this thesis the two-dimensional Transmission Line Modelling (TLM) method based on unstructured meshes is adopted. TLM is an established numerical simulation technique that has been employed in a variety of applications area. Using unstructured meshes to discretize the problem domain permits smooth boundary presentation which provides significant enhancement in the flexibility and accuracy of the TLM simulations. An algorithm is developed to implement Unstructured Transmission Line Modelling (UTLM) which is carefully designed for simplicity and scalability of model size. Several examples are employed to test the accuracy and efficiency of the UTLM simulations. Delaunay meshes, as a type of unstructured meshes, provide good quality triangles but have the disadvantage of providing close to zero transmission line length which has impact on the maximum permissible time step for stable operation. In this thesis, a simple perturbation method for relaxing the minimum link length and clustering triangles in pairs is presented, which permits substantial increase in time step and hence computational runtime to be made without compromising the simulation stability or accuracy. Also, a new model for relaxing the short link lines that fall on the boundaries is presented. UTLM method is based on temporal and spatial sampling of electromagnetic fields which results in dispersion. In this thesis, dispersion characteristics of the unstructured TLM mesh are investigated and compared against structured TLM results for different mesh sizes and shapes. Unlike the structured TLM mesh, the unstructured mesh gives rise to spatial mode coupling. Intermodal coupling behaviour is investigated in a statistical manner upon the change of the mesh local characteristics.

The work described in this thesis provides an optical study of pre-breakdown events in liquid dielectrics. A small scale rig employing a 50SI test cell with viewing windows, as part of a high voltage co-axial line, enabled short rise time pulses to be applied to a non-uniform test gap. For the liquid dielectric, changes of refractive index resulting from applied voltage were rendered visible by means of a Schlieren optical system. A high speed image converter camera enabled rapidly changing pre-breakdown phenomena to be photographically recorded at framing speeds up to 107 per second. Scattered light photographs were taken by orthogonal flash illumination under both pulse and direct voltage conditions, allowing large format macrophotography. Using a piezoelectric transducer placed within the test cell, and a photomultiplier to view the gap region, a relationship has also been established between the generation of mechanical waves, light scintillation and conduction current pulses. From the photographic records and conventional parameter measurements there exists strong evidence for the presence of a gaseous phase in processes leading to the electrical breakdown of liquid dielectrics even under pulse conditions.

Fermi-liquid theory is one of the standard models of condensed matter physics, supplying a valid explanation of the low temperature properties of many metals. However, non-Fermi-liquid behaviours arise in many itinerant systems that exhibit a zero temperature magnetic phase transition. This thesis is mainly concerned with such quantum critical points and is an investigation into the various phenomena seen in the phase diagram of itinerant ferromagnetic systems. We apply a standard theory of itinerant quantum criticality to a quantum-critical end-point in a three-dimensional ferromagnet, before speculating on ZrZn\(_2\) being a test-bed of our results. Then we consider two explanations for the appearance of a first-order phase transition at low temperatures and attempt to reconcile them with ZrZn\(_2\). Finally we concentrate on the wide range of novel states that appear instead of a pure quantum critical point. Such exotic phases are superconducting or magnetic in nature and we investigate whether the onset of ferromagnetic quantum critical fluctuations can give rise to a certain class of such states.

In this thesis we investigate two independent topics: neutron Compton scattering from hydrogen and perovskite oxide interfaces. Part one is an investigation of the scattering of high energy neutrons from hydrogen compounds. The motivation for this investigation stems from neutron Compton scattering experiments, performed with the VESUVIO neutron spectrometer at the ISIS pulsed neutron source, which report an anomalously reduced cross section for hydrogen. We explore the possibility that electronic excitation is responsible for the discrepancy between conventional theory and experiment. We conclude that the effect of electronic excitation on the scattering is small, at the energies relevant to the experiments, and therefore cannot account for the anomalies. Part two is an investigation of two perovskite oxide interfaces: a cuprate-manganite interface, and the interface between SrTiO\(_3\) and LaAlO\(_3\). Both interfaces are investigated using the techniques of impurity theory. Firstly, a simple model of a cuprate-manganite interface is proposed to explain several recent experiments. By applying the idea that the metallicity of the manganite spills out into the cuprate, we provide a theoretical interpretation of the unusual electronic and magnetic properties observed at the interface. Finally, a simple model of the SrTiO\(_3\)-LaAlO\(_3\) interface is investigated. Two ingredients are contained within this model: the orbital physics of the titanates, and the long range coulomb interactions produced by the polar discontinuity at the interface. From this model, we predict a two dimensional layer of charge confined to the interface, which is consistent with experimental observations.

Quantum electrodynamics in free-space is a well-understood and a very successful theory. This is not the case when polarizable boundaries are present, which is a common scenario. The presence of reflective surfaces affects the photon field. Thereby the quantummechanical vacuum fluctuations of the electromagnetic field are constrained leading to changes in the interaction energies of charged particles which are directly measurable. One of the most famous examples of such an effect is the Lamb shift of an atom in front of a perfectly reflecting mirror, which depends on the distance of the atom from the mirror, thus giving rise to an attractive force - the so-called Casimir-Polder force. This thesis touches upon current challenges of quantum electrodynamics with externally applied boundary conditions, which is of increasing importance for nanotechnology and its applications in physics, chemistry and biology. When studying the abovementioned vacuum effects one can use models of various degrees of sophistication for the material properties that need to be taken into account. The simplest is to assume perfect reflectivity. This leads to simple boundary conditions on the electromagnetic field and thereby its quantum fluctuations. The difficulty of such calculations then lies only in the possibly complex geometry of the macroscopic body. The next possible level of sophistication is to allow imperfect reflectivity. The simplest way to achieve this is by considering a material with constant and frequency-independent refractive index. However, for all real material surfaces the reflectivity is frequency-dependent. Causality then requires that dispersion is accompanied by absorption. The aim of this project was twofold: (i) to construct, using well-understood tools of theoretical physics, the microscopic theory of quantum systems, like atoms, interacting with macroscopic polarizable media, which would facilitate relatively simple perturbative calculations of QED corrections due to the presence of boundaries, (ii) to apply the developed formalism to the calculation of the Casimir-Polder force between an atom and a realistic material.

Monte Carlo modelling is a useful method of investigating the electron and photon transport in radiotherapy linear accelerators. The probability of interactions of the materials stored in the cross-section library is considered to be theoretically accurate. Calculations made by Monte Carlo techniques have many roles including investigation of unusual situations where measurements are difficult and as a problem solver. The predictions made by a validated model can be used to confirm an assumption or prove a hypothesis. This study is aimed to investigate the performance of the DOSI detector, a prototype detector which is position sensitive with submillimeter resolution. This solid-state detector is made of p-type diode has silicon material as its volume element. Work from other authors has shown that other silicon detectors overestimate the dose as field size and depth increase. To overcome this, a mechanism for correction has to be determined. For this reason, this investigation compares experimental data and calculated results using Monte Carlo method at 6 MV photon energy from a Varian linear accelerator. A small degree of perturbation has been found from this study, and work on improvement of the dose measurements has been carried out. Results have been presented and suggestion for a better dose meter is discussed.

Nuclear spins in motion is an intrinsic component of any dynamic process when studied using magnetic resonance imaging (MRI). Moving spins define many functional characteristics of the human body such as diffusion, perfusion and blood flow. Quantitative MRI of moving spins can provide valuable information about the human physiology or of a technical system. In particular, phase-contrast MRI, which is based on two images with and without a flow-encoding gradient, has emerged as an important diagnostic tool in medicine to quantify human blood flow. Unfortunately, however, its clinical usage is hampered by long acquisition times which only provide mean data averaged across multiple cardiac cycles and therefore preclude Monitoring the immediate physiological responses to stress or exercise. These limitations are expected to be overcome by real-time imaging which constitutes a primary aim of this thesis. Short image acquisition times, as the core for real-time phase-contrast MRI, can be mainly realized through undersampling of the acquired data. Therefore the development focused on related technical aspects such as pulse sequence design, k-space encoding schemes and image reconstruction. A radial encoding scheme was experimentally found to be robust to motion and less sensitive to undersampling than Cartesian encoding. Radial encoding was combined with a FLASH acquisition technique for building an efficient real-time phase-contrast MRI sequence. The sequence was further optimized through overlapping of gradients to achieve the shortest possible echo time. Regularized nonlinear inverse reconstruction (NLINV), a technique which jointly estimates the image content and its corresponding coil sensitivities, was used for image reconstruction. NLINV was adapted specifically for phase-contrast MRI to produce both Magnitude images and phase-contrast maps. Real-time phase-contrast MRI therefore combined two highly undersampled (up to a factor of 30) radial gradient-echo acquisitions with and without a flow-encoding gradient with modified NLINV reconstructions. The developed method achieved real-time phase-contrast MRI at both high spatial (1.3 mm) and temporal resolution (40 ms). Applications to healthy human subjects as well as preliminary studies of patients demonstrated real-time phase-contrast MRI to offer improved patient compliance (e.g., free breathing) and immediate access to physiological variations of flow parameters (e.g., response to enhanced intrathoracic pressure). In most cases, quantitative blood flow was measured in the ascending aorta as an important blood vessel of the cardiovascular circulation system commonly studied in the clinic. The performance of real-time phase-contrast MRI was validated in comparison to standard Cine phase-contrast MRI using studies of flow phantoms as well as under in vivo conditions. The evaluations confirmed good agreement for comparable results. As a further extension to real-time phase-contrast MRI, this thesis implemented and explored a dual-echo phase-contrast MRI method which employs two sequential gradient echoes with and without flow encoding. The introduction of a flow-encoding gradient in between the two echoes aids in the further reduction of acquisition time. Although this technique was efficient under in vitro conditions, in vivo studies showed the influence of additional motion-induced Phase contributions. Due to these additional temporal phase information, the approach showed Little promise for quantitative flow MRI. As a further method three-dimensional real-time phase-contrast MRI was developed in this thesis to visualize and quantify multi-directional flow at about twice the measuring time of the standard real-time MRI method, i.e. at about 100 ms temporal resolution. This was achieved through velocity mapping along all three physical gradient directions. Although the method is still too slow to adequately cover cardiovascular blood flow, the preliminary results were found to be promising for future applications in tissues and organ systems outside the heart. Finally, future developments are expected to benefit from the adaptation of model-based reconstruction techniques to real-time phase-contrast MRI. / Die Bewegung der Kernspins ist eine wesentliche Eigenschaft von dynamischen Vorgängen, die mit Hilfe der Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht werden. Bewegte oder fließende Spins charakterisieren viele Funktionen des menschlichen Körpers, wie z.B. die Gewebeperfusion und den Blutfluss in den Gefäßen. Die quantitative MRT von bewegten Spins kann daher wertvolle Informationen über die menschliche Physiologie oder auch über ein technisches System geben. Insbesondere die Phasenkontrast-MRT, die auf der Aufnahme von zwei Bildern mit und ohne flusskodierenden Gradienten basiert, hat sich als ein wichtiges diagnostisches Werkzeug in der Medizin entwickelt, um den Blutfluss funktionell zu quantifizieren. Die klinische Nutzung ist jedoch durch die langen Messzeiten eingeschränkt, da die Daten über mehrere Herzzyklen gemittelt werden müssen und damit die Untersuchung unmittelbarer physiologischer Reaktionen auf Stress und/oder Muskelbelastung ausgeschlossen ist. Ein primäres Ziel dieser Arbeit war es, diese Einschränkungen durch die Entwicklung einer MRT-Flussmessung in Echtzeit zu überwinden. Entscheidende Grundlage jeder Echtzeit-MRT sind kurze Aufnahmezeiten, die vor allem durch eine Reduktion der aufgenommenen Daten (Unterabtastung) realisiert werden. Daher konzentrierte sich die hier vorgestellte Entwicklung auf die damit verbundenen technischen Aspekte wie die MRT-Sequenz zur Datenaufnahme, das räumliche Kodierungsschema, und die Bildrekonstruktion. Experimentell erwies sich ein radiales Kodierungsschema als robust gegenüber Bewegungen und relativ unempfindlich gegenüber milder Unterabtastung. Dieses Kodierungsschema wurde mit der FLASH Aufnahmetechnik für eine effiziente Phasenkontrast-Sequenz in Echtzeit kombiniert. Zusätzlich wurde die Sequenz durch Überlappung von Gradienten hinsichtlich einer kurzen Echozeit optimiert. Für die Bildrekonstruktion wurde die regularisierte nichtlineare inverse Rekonstruktion (NLINV) verwendet, bei der die Bildinformation und die entsprechenden pulensensitivitäten gleichzeitig geschätzt werden. NLINV wurde speziell für die Phasenkontrast-MRT angepasst, um sowohl Betragsbilder als auch robuste Phasenkontrast-Karten mit hoher raumzeitlicher Genauigkeit zu berechnen. Das erarbeitete Verfahren der Phasenkontrast-MRT in Echtzeit kombiniert daher zwei stark unterabgetastete (bis zu einem Faktor von 30) und unterschiedlich flusskodierte, radiale Gradientenecho-Aufnahmen mit einer modifizierten NLINV Rekonstruktion. Mit dieser Methode wurde sowohl eine gute räumliche Auflösung (1.3 mm), als auch eine hohe zeitliche Auflösung (40 ms) erreicht. Bei Anwendungen an gesunden Probanden sowie vorläufigen Untersuchungen von Patienten konnte nachgewiesen werden, dass die Phasenkontrast-MRT in Echtzeit einen verbesserten Komfort für die Patienten (z.B. freie Atmung) und unmittelbaren Zugang zu physiologischen Veränderungen der Flussparameter bietet (z.B. Reaktion auf erhöhten Druck im Brustraum). In den meisten Fällen wurden quantitative Blutflussmessungen in der aufsteigenden Aorta, einem klinisch wichtigen Gefäß des Herz-Kreislauf-Systems, vorgenommen. Die Messungen mit der Phasenkontrast-MRT in Echtzeit wurden mit der EKG-getriggerten Cine Phasenkontrast-MRT (klinischer Standard) an einem Flussphantom und unter in vivo Bedingungen verglichen. Die Ergebnisse zeigten unter vergleichbaren Bedingungen gute Übereinstimmung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zusätzlich eine Doppelecho-Variante der Phasenkontrast-MRT in Echtzeit implementiert. Das Einfügen eines flusskodierenden Gradienten zwischen den beiden Echos führte zu einer weiteren Reduzierung der Messzeit. Obwohl sich diese Technik unter in vitro Bedingungen als tauglich erwies, zeigten sich bei in vivo Studien störende Einflüsse durch bewegungsinduzierte Phasenbeiträge, die wenig Erfolg für quantitative Flussmessungen versprechen. Als weitere Methode wurde in dieser Arbeit eine dreifach kodierte Sequenz zur Phasenkontrast-MRT entwickelt, um multidirektionalen Fluss zu untersuchen. Die Geschwindigkeitskodierung entlang aller drei physikalischen Gradientenrichtungen führte zu einer verlängerten Messzeit (zeitliche Auflösung � 100 ms) gegenüber der Echtzeit-Flussmessung in nur einer Richtung. Obwohl das Verfahren noch zu langsam ist, um den kardiovaskulären Blutfluss adäquat zu beschreiben, waren vorläufige Ergebnisse in Körperregionen außerhalb des Herzens für zukünftige klinische Anwendungen sehr vielversprechend. Es ist zu erwarten, dass entsprechende Weiterentwicklungen von modellbasierten ekonstruktionsverfahren profitieren werden.

Se estudian e investigan las concepciones de los alumnos de Formación Profesional de Ciclos Superiores sobre las relaciones entre Ciencia, Tecnología y Sociedad (CTS), y el provecho didáctico que la realización de actividades que tratan esas interacciones puede introducir para mejorar dichas concepciones, las actitudes y el interés de los alumnos hacía la Ciencia y la Tecnología. El problema se puede plantear del siguiente modo:1. ¿Qué concepciones poseen los alumnos de Formación Profesional en torno a las relaciones entre ciencia, tecnología, sociedad y ambiente?2. ¿Qué motivaciones poseen para realizar sus actividades de estudio y aprendizaje?, y en base a las mismas.3. ¿Cómo diseñar actividades que, mediante un adecuado tratamiento de las relaciones CTS, modifiquen aquellas concepciones distorsionadas o incompletas que posean, aumenten su interés y mejoren sus actitudes respecto al aprendizaje de las ciencias físicas y las tecnologías asociadas? 2. HIPÓTESIS DE INVESTIGACIÓN Y TRABAJO Para la resolución del problema planteado se han formulado dos hipótesis, fundamentadas en investigaciones didácticas sobre los procesos de enseñanza aprendizaje como construcción significativa y cambio conceptual, metodológico y actitudinal.La primera es que en la enseñanza de la ciencia física (electromagnetismo) y de las tecnologías asociadas (electrotécnicas) se proporciona en ocasiones una imagen aislada de su contexto social, predominantemente teórica y cuantitativa, que ignora su conexión con el mundo circundante, así como sus aplicaciones en el entorno natural y social, adquiriendo los alumnos una visión incompleta, distorsionada y descontextualizada de la ciencia y de la tecnología. Como consecuencia es posible que esto pueda ser una de las causas de falta de interés, rechazo y actitudes negativas hacia el estudio y aprendizaje de las ciencias y sus tecnologías asociadas y prefieran la realización de prácticas.La segunda hipótesis cosiste en la posibilidad del tratamiento didáctico alternativo de las relaciones entre ciencia, tecnología, sociedad y ambiente que, teniendo en cuenta las preconcepciones de los alumnos, aumente su interés y mejore sus actitudes hacía el estudio y aprendizaje de las ciencias experimentales (electromagnetismo) y las tecnologías asociadas (electrotécnicas), y proporcione una imagen más contextualizada y menos distorsionada de las mismas.3. DISEÑO EXPERIMENTAL Se han elaborado varios diseños convergentes para tratar de contrastar y verificar la primera hipótesis, todos ellos consistentes en la elaboración y aplicación de una batería de cuestionarios, de diversa índole, que se han aplicado a libros de texto, profesores y estudiantes. Para contrastar y verificar la segunda hipótesis se han diseñado y construido un conjunto de actividades que, insertas en los programas habituales, tratan sobre las relaciones entre ciencia, tecnología y sociedad de modo alternativo, las cuales han sido realizadas por diversos grupos experimentales. Además de los cuestionarios relacionados con la primera hipótesis, para estudiar las diferencias, estos alumnos han contestado otros cuestionarios relacionados con la realización de las actividades propuestas (su interés, lo que han aprendido, etc.). También dieron su opinión profesores sobre las diversas actividades construidas.4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES OBTENIDASEntre otros, se exponen brevemente algunos de los resultados obtenidos en este trabajo de investigación con la aplicación de las actividades CTS elaboradas, en los aspectos actitudinales, conceptuales y metodológicos:- Los alumnos muestran una valoración más alta de las enseñanzas recibidas sobre ciencia y tecnología.- En el cambio de motivaciones aumentaron las motivaciones intrínsecas relacionadas con sus estudios, entre las que se pueden citar saber más, saber hacer, formarse y ser un buen profesional. Las mayores motivaciones extrínsecas de los alumnos son encontrar trabajo.- Valoran con mayores calificaciones las categorías como "la conexión teoría- prácticas", "materiales de prácticas", "conexión teoría realidad", "tratar relaciones CTS", las fábricas e industrias, etc.- Se les planteo una cuestión abierta para analizar que factores podrían crear una actitud desfavorable hacia los procesos de enseñanza aprendizaje, resultando como factores que más pueden crear una actitud desfavorable hacia los estudios que realizan: los profesores, su metodología, los compañeros, el material insuficiente, los contenidos poco útiles, las prácticas insuficientes, la evaluación, etc.- Aprecian más los diseños experimentales y las prácticas de tipo investigativo (problemáticas) en las que hay que utilizar metodologías científicas, especialmente las semidirigidas con procesos de investigación.- Sobre lo que los alumnos piensan sobre las ciencias físico- químicas, aumentan las concepciones relacionadas con distintas dimensiones de la ciencia: conceptos, procedimientos, investigación y tecnología. Son mayores las expresiones positivas en relación a la ciencia que denotan actitudes positivas y son menores las visiones negativas mayoritariamente relacionadas con los procesos de su aprendizaje. - Aumenta el número de alumnos que saben hacer una definición amplia de la ciencia, su dimensión de estudio, explicación de fenómenos físicos y provecho de la humanidad. - En referencia a lo que piensan los alumnos sobre tecnología, es mayor la relación de las tecnologías con los conceptos y los procedimientos que se utilizan en ella, la consideración de su aplicabilidad, su dimensión científica. Aumentan las concepciones positivas y disminuyen las visiones negativas, especialmente relacionadas con su enseñanza. - Definen mejor la tecnología, y aumenta la concepción de la misma como una asignatura, estudio y búsqueda de explicaciones, su dimensión científica, su aplicabilidad, aumentando las expresiones positivas que denotan actitudes positivas hacía la misma. - Disminuyen las concepciones erróneas sobre los científicos (inventor que realiza patentes, genio, neutral, desinteresado), aumentando la consideración del tipo de tareas que realizan: estudian, recopilan datos, investigan, realizan descubrimientos, resuelven problemas, mejoran la vida, trabajan, etc. - Consideran mucho más los factores sociales e individuales de influencia sobre el desarrollo de la ciencia y la tecnología: económicos, gubernamentales, demandas sociales, investigación, industriales, culturales, regímenes políticos, los estudios y la preparación, los medios, los precedentes históricos en su desarrollo, las personas y su trabajo y dedicación, etc. - En cuanto a las influencias de la sociedad sobre el desarrollo de la ciencia y la tecnología a lo largo de la historia, aumenta su consideración sobre las situaciones económicas (revoluciones comerciales, industriales y tecnológicas), las socio-políticas, las guerras y los conflictos, etc. - En la valoración sobre el papel que juega la ciencia y la tecnología en nuestras vidas, se sopesa mejor las ventajas e inconvenientes del desarrollo de la ciencia y la tecnología en la vida del hombre (valoración de aspectos positivos y negativos), siendo una crítica más equilibrada y menos polarizada. Las ventajas más consideradas son el nivel y calidad de vida, la salud, la cultura y el desarrollo, etc., entre los inconvenientes más citados están la contaminación, la deshumanización, la guerra y los conflictos, la mala ética en el uso de la ciencia y la tecnología, etc. - Aumenta la creencia en la posibilidad personal de influir sobre el desarrollo de la ciencia y la tecnología. Las razones más esgrimidas son a través de sus estudios, obteniendo el título, ejerciendo como profesional, desarrollando algún aparato o sistema, ejerciendo como consumidor, participando en organizaciones sociales, teniendo dinero o medios, siendo una persona influyente, etc. - Las visiones negativas que los alumnos poseen sobre los procesos de enseñanza y aprendizaje de las ciencias físico- químicas y las tecnologías asociadas disminuyen considerablemente, y que por razones de espacio no exponemos aquí. - Se constato que los alumnos obtenían un aprendizaje y una comprensión más significativa de los conceptos que se pretendían introducir o consolidar a través de las actividades CTS propuestas.Los resultados anteriores confirmaron las hipótesis, los alumnos lograron una imagen más amplia y contextualizada de las relaciones entre ciencia, tecnología, sociedad y naturaleza, aumentando su interés y mejorando sus actitudes hacia el estudio de las ciencias y las tecnologías asociadas. Lo cual indica que la introducción de las actividades CTS diseñadas producen en los alumnos un cambio conceptual, metodológico y actitudinal que mejora sus resultados en los estudios profesionales que realizan. / In this work the author studies and investigates the High Professional Formation Cicles studients's conceptions about the relations between Science, Technology and Society (STS), and the didactic profit that the realization of activities which implies such interactions can introduce for the improvement of pupil's conceptions, acttitudes and interest toward the science and technology. The problems the author establish can be expressed in the following mode: What conceptions have the Professional Formation studients about the relations between science, technology, society and ambient?. What motivations have they for doing their study and learning activities?, and on the basis of the same ones; How to design activities that by means of an adequate treatment of the STS relations, which can modify the student's distortioned and incomplete conceptions, incrise their interest and improve their acttitudes about the learning of the physical sciences and the associated technologies? For the resolution of the establish problem the author has formulate two hypothesis, based on didactic investigations about the learning and teaching process as significant building and conceptual, metodologic and attitudinal change. The author has made, first, several experimental desings to contrast and verify the outset hiphotesis, all of them cosisting on the elaboration and aplication of a set of test and formularys, of diverse nature, which have been applied to text books, teachers and students for to analize conceptions. In the second place, to contrast and verify his hypothesis about the changes that introduce the activities, he has designed and made a set of them by iterative process based in the constructivist theory, inserted in the habitual programs, that deal about the relations and interactions between science, technology and society in an alternative way, which have been doing for various experimental groups. Beside the test and formularys related with the first hypothesis, to study the conceptual differences, these students have done and answer another questionaries related with the execution of the proposal activities (its interest, which they have learn, etc.). Also another teachers give their opinions about the diverse activities. The author proves that the designed STS activities produce the desire effects on the pupils.

Las ventajas de los sensores de fibra óptica resuelven muchos de los inconvenientes presentados por los dispositivos de medida tradicionales. En el caso de la medida de voltaje y corriente, resultan especialmente interesantes características como el carácter dieléctrico de la fibra óptica y su inmunidad frente a la interferencia electromagnética, ya que eliminan la necesidad de incorporar complejos sistemas de aislamiento, que muchas veces incluyen sustancias peligrosas o contaminantes.Esta tesis muestra una nueva concepción de sensores de fibra óptica de voltaje y corriente, para señales de corriente alterna y sistemas de alta tensión, cuya característica principal es la codificación en frecuencia de la medida. El tipo de codificación utilizado soluciona los problemas asociados con las múltiples causas que perturban la intensidad de la luz en un sistema de fibra óptica (como el envejecimiento de la fuente de luz o el desajuste de conectores), y que suelen afectar a los sensores codificados en amplitud.En el desarrollo de los sistemas propuestos se ha tenido en cuenta su aplicación final en las redes de distribución de energía eléctrica.La modulación de fase de una señal de luz que se propaga por una fibra óptica monomodo modifica las propiedades de su espectro en frecuencia. La información sobre la modulación de fase aplicada aparece como una codificación en frecuencia en su espectro, que podemos recuperar mediante un proceso de detección coherente. Una manera sencilla de realizar un procedimiento de detección homodina consiste en construir una configuración interferométrica Mach-Zehnder. Aunque los sensores presentados constituyen un interferómetro de este tipo, la medida se mantiene insensible a la deriva de fase o a los desajustes de polarización, gracias a las propiedades de la codificación utilizada. Además, la configuración Mach-Zehnder nos permite obtener de forma sencilla sensores que calculan ópticamente la suma y resta de señales, como comprobamos experimentalmente.El punto esencial en que se sustenta esta nueva propuesta de sensor codificado en frecuencia es la posibilidad de emplear moduladores de fase de alta eficiencia y elevado rango dinámico controlados por voltaje o corriente, para conseguir así sensores de gran sensibilidad. Conseguimos este objetivo mediante la utilización de transductores formados por cerámicas piezoeléctricas y materiales magnetostrictivos, sobre los que bobinamos una gran longitud de fibra. Estos materiales experimentan una deformación cuando se les aplica un campo eléctrico o magnético respectivamente, generando una tensión mecánica en la fibra bobinada sobre ellos.Hemos prestado una especial atención a los bobinados de fibra sobre tubos piezoeléctricos. De hecho, hemos desarrollado un modelo teórico sencillo que predice la modulación de fase generada en función de las características particulares de los tubos empleados, que ha sido verificado experimentalmente con los resultados obtenidos a partir de elementos de diferentes geometrías y tipos de material. En total, hemos bobinado treinta tubos piezoeléctricos. Por su parte, los sensores fundamentados en la magnetostricción están formados por núcleos de acero al silicio, de los empleados en los transformadores de medida de corriente.Muchos de los bobinados sobre tubos piezoeléctricos contienen múltiples capas de fibra, incrementándose todavía más su eficiencia. La construcción de bobinados multicapa de gran calidad y eficiencia, sin pérdidas de luz significativas, ha sido posible gracias a una bobinadora semiautomática diseñada y construida por nosotros.La memoria describe el trabajo de montaje de los diferentes conjuntos sensores y muestra las dos técnicas de calibración básica empleadas: la medida de la frecuencia media de modulación de la luz (mediante el recuento de las franjas de interferencia en un semiperíodo con un contador) y de su anchura espectral, utilizando un analizador de espectro eléctrico. También se estudian otros procedimientos para caracterizar los sensores construidos (curvas de histéresis y respuesta en frecuencia). Los diferentes resultados conseguidos verifican el comportamiento lineal y sin histéresis de los transductores piezoeléctricos, y el comportamiento no lineal y con una histéresis acusada de los transductores magnetostrictivos.Esta tesis también aborda la estabilidad térmica de los sensores, relevante para la aplicación práctica de los sistemas que, al tener que trabajar a la intemperie, estarán sometidos a temperaturas que oscilan entre los -30 y los +70 ºC. Hemos identificado la contribución principal a la dependencia con la temperatura de la modulación de fase, que para tubos como los empleados proviene de la variación del coeficiente piezoeléctrico d31, frente a la que el resto de contribuciones resulta despreciable.Hemos estudiado experimentalmente esta dependencia de la respuesta de nuestros dispositivos de medida con la temperatura. Con una cámara de temperatura hemos medido el comportamiento de sensores montados con cuatro tipos distintos de cerámicas piezoeléctricas, y de los núcleos magnéticos, y lo hemos comparado con las especificaciones aportadas por los fabricantes de esos materiales. Basándonos en estos resultados, proponemos y demostramos experimentalmente un método de compensación pasiva de la dependencia con la temperatura del sensor de voltaje, reduciéndola a una variación del ±1%. El método está basado en la utilización de materiales piezoeléctricos de opuesto coeficiente térmico. Asimismo, desarrollamos una propuesta de medida simultánea de la temperatura para corregir sus efectos en los datos de voltaje.Finalmente, la forma específica de codificación del sensor nos facilita el desarrollo de métodos sencillos de decodificación de la salida del sistema, con el objetivo de poder medir tanto la amplitud de las señales de voltaje y corriente como su forma en función del tiempo. Con los programas informáticos que hemos implementado, demostramos la posibilidad de recuperación en tiempo real de las señales de excitación de los sensores de voltaje, tanto si son perfectamente sinusoidales como si se trata de señales realistas claramente inarmónicas, mientras que la histéresis y no linealidad de los materiales magnetostrictivos dificulta la aplicación de estos métodos al sensor de corriente. / Optical fiber sensors present several advantages over conventional techniques for high voltage and current metering, mainly due to their immunity to electromagnetic interference and easier insulation. This work proposes a frequency-output fiber optic sensor for power systems, based on the linear piezoelectric effect of PZT ceramic tubes (voltage sensor) and the magnetostriction of the cores of traditional commercially available current transformers (current sensor).A long length of single-mode fiber is coiled onto the piezoelectric tubes or the magnetic cores and a Mach-Zehnder interferometer interrogates their deformation when a voltage or current signal, respectively, is applied. The output of the interferometer is a frequency-modulated signal whose spectral bandwidth can be correlated with the voltage or the current amplitude.Since the measurement is obtained from the frequency features of the optical signal, the system is insensitive to light power fluctuations and to some typical shortcomings of fiber-optic interferometric sensors such as phase drift and polarization fading.The thesis first develops the basis of the frequency codified output configuration, and then the implementation of high performance phase modulators, by using efficient piezoelectric and magnetostrictive transducers, is examined. Next, the results concerning two main calibration procedures are shown. These methods involve the average frequency of the optical modulation (related to the number of fringes in the interferometer output) and the measurement of its spectral bandwidth. The vector addition and subtraction of ac electric signals through the optical system has also been demonstrated.The response to temperature of our sensors has been thoroughly studied. The main contribution to the temperature sensitivity of the voltage sensor comes from the temperature coefficient of the piezoelectric constants of the ceramic tubes. The combination of different piezoelectric materials is successfully exploited to passively compensate the temperature response of the sensor. Owing to this compensation, the deviations of the voltage sensor's response due to temperature changes are within 1% over the temperature range between -35 and 70 ºC.Finally, the real-time reconstruction of the electric signals is investigated, leading to two techniques that recover the ac voltage signal waveform