Shawn Carlson (Scientific American, červen 1996), ale převzato z vespiary link. nicméně v odpovědích zveřejním aktualizovanou verzi!!! ^_^
Mikrogramové váhy jsou chytrá zařízení, která dokáží měřit fantasticky malé hmotnosti. Špičkové modely využívají důmyslnou kombinaci mechanické izolace, tepelné izolace a elektronického kouzla, která umožňuje opakovatelné měření s přesností na desetinu miliontiny gramu. Díky propracovaným skleněným krytům a leštěným pozlaceným držákům vypadají tyto váhy spíše jako umělecká díla než jako vědecké přístroje. Nové modely mohou stát více než 10 000 dolarů a často vyžadují mistrovský přístup, aby se z šumu pozadí podařilo vyloudit spolehlivé údaje.
Přes všechnu svou cenu a vnější složitost jsou však tyto přístroje v podstatě velmi jednoduché. Jeden z běžných typů využívá magnetickou cívku k vytvoření točivého momentu, který jemně vyvažuje vzorek na konci ramene páky. Zvýšením elektrického proudu v cívce se zvýší točivý moment. Proud potřebný k vyrovnání hmotnosti vzorku je tedy přímou mírou jeho hmotnosti. Cívky v komerčních vahách jsou na čepu z leštěného modrého safíru. Safíry se používají proto, že jejich extrémní tvrdost (tvrdší jsou pouze diamanty) zabraňuje opotřebení čepů. Důmyslná snímací zařízení a obvody řídí proud v cívce - proto jsou mikrogramové elektrováhy tak drahé.
A to je dobrá zpráva pro amatéry. Pokud jste ochotni nahradit oči za snímače a ruce za řídicí obvody, můžete si sestrojit jemnou elektrováhu za méně než 30 dolarů.
Tuto skutečnost mi objasnil George Schmermund z kalifornské Visty. Již více než 20 let vede Schmermund malou společnost Science Resources, která nakupuje, opravuje a upravuje vědecké vybavení. Ačkoli pro své klienty může být přísným profesionálem, znám ho jako svobodného ducha, který tráví čas ve světě obchodu jen proto, aby si mohl vydělat dost peněz na to, aby se mohl věnovat své skutečné vášni - amatérské vědě.
Schmermund už vlastní čtyři drahé komerční mikrogramové váhy. V zájmu rozvoje amatérské vědy se však rozhodl vyzkoušet, jak dobře si poradí s levnými váhami. Jeho důmyslný trik spočíval v tom, že zkombinoval prkénko na sýr a starý galvanometr, přístroj na měření proudu. Výsledkem byla elektrováha, která dokáže určit hmotnost od 10 mikrogramů až po 500 000 mikrogramů (0,5 gramu).
Přesnost měření je docela působivá. Osobně jsem si ověřil, že jeho konstrukce dokáže měřit s přesností na 1 % hmotnosti přesahující jeden miligram. Navíc dokáže rozlišit hmotnosti v rozsahu 100 mikrogramů, které se liší jen o dva mikrogramy. A výpočty naznačují, že přístroj dokáže měřit jednotlivé hmotnosti o hmotnosti pouhých 10 mikrogramů (takto malou hmotnost jsem k testu neměl).
Klíčovou součástku, galvanometr, lze snadno sehnat. Tato zařízení jsou ústředním prvkem většiny starých analogových elektroměrů, takových, které používají jehlu nasazenou na cívce. Proud protékající cívkou vytváří magnetické pole, které vychyluje jehlu. Schmermundova konstrukce vyžaduje, aby jehla, upevněná ve svislé rovině, fungovala jako rameno páky: vzorky visí ze špičky jehly.
V obchodech s elektronickými přebytky je pravděpodobně k dispozici několik analogových galvanometrů. Dobrým způsobem, jak posoudit kvalitu, je jemně zatřást měřidlem ze strany na stranu. Pokud jehla zůstane na místě, držíte v ruce vhodnou cívku. Kromě tohoto testu mě při výběru dobrého měřiče vede zvláštní smysl pro estetiku. Je frustrující, že je těžké tento smysl popsat, ale pokud jsem při prohlížení měřiče dojat a řeknu: "Tak tohle je krásný měřič!", koupím ho. Tato estetická rozbředlost má i praktický přínos. Jemně vyrobené a pečlivě navržené měřiče obvykle obsahují vynikající cívky, které jsou stejně dobré jako cívky používané v jemných elektrováhách, se safírovými ložisky a vším všudy." Chcete-li sestavit váhu, opatrně uvolněte cívku z pouzdra měřiče, přičemž dávejte pozor, abyste nepoškodili jehlu. Cívku připevněte na hliníkový odpad [viz obrázek na protější straně]. Pokud nemůžete použít hliníkový plech, namontujte cívku do plastové projektové krabičky. Chcete-li váhu izolovat od vzdušných proudů, upevněte celou sestavu do skleněné desky na sýr, přičemž hliníkový plech musí stát svisle, aby se jehla pohybovala nahoru a dolů. Dva těžké ochranné dráty kanibalizované z měřidla se připevní na hliníkovou podložku, aby omezovaly rozsah pohybu jehly.
K hliníkové podpěře, těsně za špičkou jehly, přilepte epoxidem malý šroub. Jehla by měla procházet těsně před šroubem, aniž by se ho dotýkala. Zakryjte šroub malým kouskem stavebního papíru a pak nakreslete tenkou vodorovnou čáru přes střed papíru. Tato čára určuje nulovou polohu stupnice.
Zásobník na vzorky, který visí na jehle, je pouze malý rámeček podomácku vyrobený ohnutím neizolovaného drátu. Přesný průměr drátu není rozhodující, ale ať je tenký: dobře funguje drát o průměru 28 mm. Na základně drátěného rámu je malý kruh z hliníkové fólie, který slouží jako miska na vzorky. Abyste zabránili kontaminaci tělesnými oleji, nikdy se nedotýkejte tácu (ani vzorku) prsty; vždy raději použijte pinzetu.
Pro napájení cívky galvanometru budete potřebovat obvod, který dodává stabilní napětí pět voltů [viz schéma zapojení níže]. Nenahrazujte baterie adaptérem AC-DC, pokud nejste ochotni přidat filtry, které dokáží potlačit nízkofrekvenční kolísání napětí, které může z adaptéru unikat do systému. Kolísání o hodnotě pouhých 0,1 milivoltu prudce sníží vaši schopnost rozlišit nejmenší závaží.
Přístroj používá dva přesné, 100kilohmové, 10otáčkové, proměnné rezistory (nazývané také potenciometry nebo reostaty) - první k nastavení napětí na cívce a druhý k zajištění nulové reference. Kondenzátor o kapacitě 20 mikrofaradů vyrovnává cívku proti jakémukoli trhání v odezvě rezistorů a pomáhá při jemném nastavení polohy jehly. K měření napětí na cívce budete potřebovat digitální voltmetr, který měří s přesností na 0,1 milivoltu. Společnost Radio Shack prodává ruční verze za méně než 80 dolarů. Při použití pětivoltového zdroje dokáže Schmermundova váha zvednout 150 miligramů. Pro větší váhy vyměňte čip regulátoru napětí typu 7805 za čip 7812. Ten bude produkovat stabilních 12 voltů a zvedne předměty o hmotnosti téměř půl gramu.
Ke kalibraci váhy budete potřebovat sadu známých mikrogramových závaží. Jedno vysoce přesné kalibrované závaží o hmotnosti od jednoho do 100 mikrogramů obvykle stojí 75 dolarů a budete potřebovat nejméně dvě. Existuje však levnější způsob. Společnost pro amatérské vědce dává za 10 dolarů k dispozici sady dvou kalibrovaných mikrogramových závaží vhodných pro tento projekt. Všimněte si, že tato dvě závaží vám umožní kalibrovat váhy se čtyřmi známými hmotnostmi: nulou, závažím jedna, závažím dvě a součtem obou závaží.
Chcete-li provést měření, začněte s prázdnou miskou vah. Zakryjte přístroj skleněným krytem. Přiškrťte elektrický proud nastavením prvního rezistoru na nejvyšší hodnotu. Poté nastavte druhý rezistor tak, aby se napětí odečítalo co nejblíže nule. Toto napětí si zapište a nedotýkejte se tohoto rezistoru, dokud nedokončíte celou sadu měření. Nyní otáčejte prvním rezistorem nahoru, dokud ručička neklesne na spodní doraz, a pak jej otočte zpět tak, aby se ručička vrátila na nulovou hodnotu. Znovu si zapište údaj o napětí. K určení nulového bodu stupnice použijte průměr ze tří měření napětí.
Dále zvyšujte odpor, dokud se jehla nezastaví na spodní drátěné opěrce. Umístěte do zásobníku závaží a snižujte odpor, dokud kotva opět nezakryje čáru. Zaznamenejte napětí. Opět měření třikrát zopakujte a odečtěte průměr. Rozdíl mezi těmito dvěma průměrnými napětími je přímou mírou hmotnosti vzorku.
Jakmile změříte kalibrovaná závaží, nakreslete graf závislosti zvednuté hmotnosti na přiloženém napětí. Údaje by měly ležet na přímce. Hmotnost odpovídající jakémukoli meziproduktu napětí pak lze odečíst přímo z křivky.
Schmermundovy váhy jsou nad 10 miligramů extrémně lineární. Sklon kalibrační přímky se snížil pouze o 4 % při 500 mikrogramech, což je nejmenší kalibrovaná hmotnost, kterou jsme měli k dispozici. Přesto důrazně doporučuji, abyste váhu kalibrovali při každém použití a vždy porovnávali vzorky přímo s kalibrovanými závažími.
Mikrogramové váhy jsou chytrá zařízení, která dokáží měřit fantasticky malé hmotnosti. Špičkové modely využívají důmyslnou kombinaci mechanické izolace, tepelné izolace a elektronického kouzla, která umožňuje opakovatelné měření s přesností na desetinu miliontiny gramu. Díky propracovaným skleněným krytům a leštěným pozlaceným držákům vypadají tyto váhy spíše jako umělecká díla než jako vědecké přístroje. Nové modely mohou stát více než 10 000 dolarů a často vyžadují mistrovský přístup, aby se z šumu pozadí podařilo vyloudit spolehlivé údaje.
Přes všechnu svou cenu a vnější složitost jsou však tyto přístroje v podstatě velmi jednoduché. Jeden z běžných typů využívá magnetickou cívku k vytvoření točivého momentu, který jemně vyvažuje vzorek na konci ramene páky. Zvýšením elektrického proudu v cívce se zvýší točivý moment. Proud potřebný k vyrovnání hmotnosti vzorku je tedy přímou mírou jeho hmotnosti. Cívky v komerčních vahách jsou na čepu z leštěného modrého safíru. Safíry se používají proto, že jejich extrémní tvrdost (tvrdší jsou pouze diamanty) zabraňuje opotřebení čepů. Důmyslná snímací zařízení a obvody řídí proud v cívce - proto jsou mikrogramové elektrováhy tak drahé.
A to je dobrá zpráva pro amatéry. Pokud jste ochotni nahradit oči za snímače a ruce za řídicí obvody, můžete si sestrojit jemnou elektrováhu za méně než 30 dolarů.
Tuto skutečnost mi objasnil George Schmermund z kalifornské Visty. Již více než 20 let vede Schmermund malou společnost Science Resources, která nakupuje, opravuje a upravuje vědecké vybavení. Ačkoli pro své klienty může být přísným profesionálem, znám ho jako svobodného ducha, který tráví čas ve světě obchodu jen proto, aby si mohl vydělat dost peněz na to, aby se mohl věnovat své skutečné vášni - amatérské vědě.
Schmermund už vlastní čtyři drahé komerční mikrogramové váhy. V zájmu rozvoje amatérské vědy se však rozhodl vyzkoušet, jak dobře si poradí s levnými váhami. Jeho důmyslný trik spočíval v tom, že zkombinoval prkénko na sýr a starý galvanometr, přístroj na měření proudu. Výsledkem byla elektrováha, která dokáže určit hmotnost od 10 mikrogramů až po 500 000 mikrogramů (0,5 gramu).
Přesnost měření je docela působivá. Osobně jsem si ověřil, že jeho konstrukce dokáže měřit s přesností na 1 % hmotnosti přesahující jeden miligram. Navíc dokáže rozlišit hmotnosti v rozsahu 100 mikrogramů, které se liší jen o dva mikrogramy. A výpočty naznačují, že přístroj dokáže měřit jednotlivé hmotnosti o hmotnosti pouhých 10 mikrogramů (takto malou hmotnost jsem k testu neměl).
Klíčovou součástku, galvanometr, lze snadno sehnat. Tato zařízení jsou ústředním prvkem většiny starých analogových elektroměrů, takových, které používají jehlu nasazenou na cívce. Proud protékající cívkou vytváří magnetické pole, které vychyluje jehlu. Schmermundova konstrukce vyžaduje, aby jehla, upevněná ve svislé rovině, fungovala jako rameno páky: vzorky visí ze špičky jehly.
V obchodech s elektronickými přebytky je pravděpodobně k dispozici několik analogových galvanometrů. Dobrým způsobem, jak posoudit kvalitu, je jemně zatřást měřidlem ze strany na stranu. Pokud jehla zůstane na místě, držíte v ruce vhodnou cívku. Kromě tohoto testu mě při výběru dobrého měřiče vede zvláštní smysl pro estetiku. Je frustrující, že je těžké tento smysl popsat, ale pokud jsem při prohlížení měřiče dojat a řeknu: "Tak tohle je krásný měřič!", koupím ho. Tato estetická rozbředlost má i praktický přínos. Jemně vyrobené a pečlivě navržené měřiče obvykle obsahují vynikající cívky, které jsou stejně dobré jako cívky používané v jemných elektrováhách, se safírovými ložisky a vším všudy." Chcete-li sestavit váhu, opatrně uvolněte cívku z pouzdra měřiče, přičemž dávejte pozor, abyste nepoškodili jehlu. Cívku připevněte na hliníkový odpad [viz obrázek na protější straně]. Pokud nemůžete použít hliníkový plech, namontujte cívku do plastové projektové krabičky. Chcete-li váhu izolovat od vzdušných proudů, upevněte celou sestavu do skleněné desky na sýr, přičemž hliníkový plech musí stát svisle, aby se jehla pohybovala nahoru a dolů. Dva těžké ochranné dráty kanibalizované z měřidla se připevní na hliníkovou podložku, aby omezovaly rozsah pohybu jehly.
K hliníkové podpěře, těsně za špičkou jehly, přilepte epoxidem malý šroub. Jehla by měla procházet těsně před šroubem, aniž by se ho dotýkala. Zakryjte šroub malým kouskem stavebního papíru a pak nakreslete tenkou vodorovnou čáru přes střed papíru. Tato čára určuje nulovou polohu stupnice.
Zásobník na vzorky, který visí na jehle, je pouze malý rámeček podomácku vyrobený ohnutím neizolovaného drátu. Přesný průměr drátu není rozhodující, ale ať je tenký: dobře funguje drát o průměru 28 mm. Na základně drátěného rámu je malý kruh z hliníkové fólie, který slouží jako miska na vzorky. Abyste zabránili kontaminaci tělesnými oleji, nikdy se nedotýkejte tácu (ani vzorku) prsty; vždy raději použijte pinzetu.
Pro napájení cívky galvanometru budete potřebovat obvod, který dodává stabilní napětí pět voltů [viz schéma zapojení níže]. Nenahrazujte baterie adaptérem AC-DC, pokud nejste ochotni přidat filtry, které dokáží potlačit nízkofrekvenční kolísání napětí, které může z adaptéru unikat do systému. Kolísání o hodnotě pouhých 0,1 milivoltu prudce sníží vaši schopnost rozlišit nejmenší závaží.
Přístroj používá dva přesné, 100kilohmové, 10otáčkové, proměnné rezistory (nazývané také potenciometry nebo reostaty) - první k nastavení napětí na cívce a druhý k zajištění nulové reference. Kondenzátor o kapacitě 20 mikrofaradů vyrovnává cívku proti jakémukoli trhání v odezvě rezistorů a pomáhá při jemném nastavení polohy jehly. K měření napětí na cívce budete potřebovat digitální voltmetr, který měří s přesností na 0,1 milivoltu. Společnost Radio Shack prodává ruční verze za méně než 80 dolarů. Při použití pětivoltového zdroje dokáže Schmermundova váha zvednout 150 miligramů. Pro větší váhy vyměňte čip regulátoru napětí typu 7805 za čip 7812. Ten bude produkovat stabilních 12 voltů a zvedne předměty o hmotnosti téměř půl gramu.
Ke kalibraci váhy budete potřebovat sadu známých mikrogramových závaží. Jedno vysoce přesné kalibrované závaží o hmotnosti od jednoho do 100 mikrogramů obvykle stojí 75 dolarů a budete potřebovat nejméně dvě. Existuje však levnější způsob. Společnost pro amatérské vědce dává za 10 dolarů k dispozici sady dvou kalibrovaných mikrogramových závaží vhodných pro tento projekt. Všimněte si, že tato dvě závaží vám umožní kalibrovat váhy se čtyřmi známými hmotnostmi: nulou, závažím jedna, závažím dvě a součtem obou závaží.
Chcete-li provést měření, začněte s prázdnou miskou vah. Zakryjte přístroj skleněným krytem. Přiškrťte elektrický proud nastavením prvního rezistoru na nejvyšší hodnotu. Poté nastavte druhý rezistor tak, aby se napětí odečítalo co nejblíže nule. Toto napětí si zapište a nedotýkejte se tohoto rezistoru, dokud nedokončíte celou sadu měření. Nyní otáčejte prvním rezistorem nahoru, dokud ručička neklesne na spodní doraz, a pak jej otočte zpět tak, aby se ručička vrátila na nulovou hodnotu. Znovu si zapište údaj o napětí. K určení nulového bodu stupnice použijte průměr ze tří měření napětí.
Dále zvyšujte odpor, dokud se jehla nezastaví na spodní drátěné opěrce. Umístěte do zásobníku závaží a snižujte odpor, dokud kotva opět nezakryje čáru. Zaznamenejte napětí. Opět měření třikrát zopakujte a odečtěte průměr. Rozdíl mezi těmito dvěma průměrnými napětími je přímou mírou hmotnosti vzorku.
Jakmile změříte kalibrovaná závaží, nakreslete graf závislosti zvednuté hmotnosti na přiloženém napětí. Údaje by měly ležet na přímce. Hmotnost odpovídající jakémukoli meziproduktu napětí pak lze odečíst přímo z křivky.
Schmermundovy váhy jsou nad 10 miligramů extrémně lineární. Sklon kalibrační přímky se snížil pouze o 4 % při 500 mikrogramech, což je nejmenší kalibrovaná hmotnost, kterou jsme měli k dispozici. Přesto důrazně doporučuji, abyste váhu kalibrovali při každém použití a vždy porovnávali vzorky přímo s kalibrovanými závažími.