di Shawn Carlson (Scientific American, giugno 1996) ma tratto da un link di vespiary. tuttavia, posterò una versione aggiornata nelle risposte!!! ^_^
Le bilance per microgrammi sono dispositivi intelligenti in grado di misurare masse incredibilmente piccole. I modelli di punta impiegano un'ingegnosa combinazione di isolamento meccanico, isolamento termico ed elettronica per produrre misure ripetibili fino a un decimo di milionesimo di grammo. Con i loro elaborati involucri di vetro e le finiture dorate, queste bilance sembrano più opere d'arte che strumenti scientifici. I nuovi modelli possono costare più di 10.000 dollari e spesso richiedono il tocco di un maestro per estrarre dati affidabili dal rumore di fondo.
Ma nonostante il loro costo e la loro complessità esteriore, questi dispositivi sono in sostanza piuttosto semplici. Un tipo comune utilizza una bobina magnetica per fornire una coppia che bilancia delicatamente un campione all'estremità di un braccio di leva. Aumentando la corrente elettrica nella bobina, la coppia aumenta. La corrente necessaria per compensare il peso del campione è quindi una misura diretta della sua massa. Le bobine delle bilance commerciali sono montate su perni di zaffiro blu lucidato. Gli zaffiri sono utilizzati perché la loro estrema durezza (solo i diamanti sono più duri) impedisce l'usura dei perni. Sofisticati dispositivi di rilevamento e circuiti controllano la corrente nella bobina, motivo per cui le elettrobilance da microgrammi sono così costose.
Questa è una buona notizia per i dilettanti. Se siete disposti a sostituire gli occhi con i sensori e le mani con i circuiti di controllo, potete costruire un delicato elettrobilanciamento con meno di 30 dollari.
George Schmermund di Vista, in California, mi ha chiarito questo fatto. Da oltre 20 anni, Schmermund gestisce una piccola azienda chiamata Science Resources, che acquista, ripara e personalizza apparecchiature scientifiche. Anche se per i suoi clienti può essere un professionista austero, io lo conosco come uno spirito libero che dedica il suo tempo al mondo degli affari solo per poter guadagnare abbastanza soldi da dedicarsi alla sua vera passione: la scienza amatoriale.
Schmermund possiede già quattro costose bilance da microgrammi commerciali. Ma nell'interesse di far progredire la scienza amatoriale, decise di vedere quanto poteva fare a basso costo. Il suo ingegnoso stratagemma è stato quello di combinare una tavola da formaggio e un vecchio galvanometro, un dispositivo che misura la corrente. Il risultato fu un'elettrobilancia in grado di determinare pesi da circa 10 microgrammi fino a 500.000 microgrammi (0,5 grammi).
La precisione delle misure è davvero impressionante. Ho personalmente confermato che il suo progetto è in grado di misurare all'1% masse superiori a un milligrammo. Inoltre, è in grado di distinguere tra masse nell'intervallo di 100 microgrammi che differiscono di appena due microgrammi. I calcoli suggeriscono che lo strumento può misurare singole masse fino a 10 microgrammi (non avevo un peso così piccolo da testare).
Il componente cruciale, il galvanometro, è facile da reperire. Questi dispositivi sono il fulcro della maggior parte dei vecchi misuratori elettrici analogici, quelli che utilizzano un ago montato su una bobina. La corrente che attraversa la bobina crea un campo magnetico che devia l'ago. Il progetto di Schmermund prevede che l'ago, montato sul piano verticale, funga da braccio di leva: i campioni pendono dalla punta dell'ago.
I negozi di elettronica hanno probabilmente a disposizione diversi galvanometri analogici. Un buon modo per giudicare la qualità è scuotere delicatamente il misuratore da un lato all'altro. Se l'ago rimane in posizione, si ha in mano una bobina adatta. Oltre a questo test, uno strano senso estetico mi guida nella scelta di un buon misuratore. È frustrante e difficile descrivere questo senso, ma se quando lo guardo mi viene da dire: "Questo sì che è un bell'apparecchio!", lo compro. C'è un vantaggio pratico in questa sfocatura estetica. I misuratori finemente lavorati e progettati con cura di solito ospitano bobine squisite che sono altrettanto valide delle bobine utilizzate nelle elettrobilance di pregio, con cuscinetti in zaffiro e tutto il resto.Per costruire la bilancia, liberare delicatamente la bobina dall'alloggiamento del misuratore, facendo attenzione a non danneggiare l'ago. Montare la bobina su un foglio di alluminio di scarto [vedi illustrazione nella pagina a fianco]. Se non è possibile utilizzare una lamiera di alluminio, montare la bobina all'interno di una scatola di plastica per progetti. Per isolare la bilancia dalle correnti d'aria, fissate l'intero gruppo in una tavola da formaggio ricoperta di vetro, con il foglio di alluminio in posizione verticale in modo che l'ago si muova su e giù. I due pesanti fili di protezione recuperati dal misuratore sono montati sul supporto di alluminio per limitare il raggio di movimento dell'ago.
Applicare con l'epossidica un piccolo bullone al supporto di alluminio, appena dietro la punta dell'ago. L'ago deve passare davanti al bullone senza toccarlo. Coprite il bullone con un piccolo pezzo di carta da costruzione, quindi tracciate una sottile linea orizzontale al centro della carta. Questa linea definisce la posizione zero della bilancia.
Il vassoio portacampioni che pende dall'ago è solo un piccolo telaio costruito in casa piegando un filo non isolato. Il diametro esatto del filo non è fondamentale, ma è bene che sia sottile: un filo di 28 gauge va bene. Un piccolo cerchio di foglio di alluminio si trova alla base del telaio di filo e funge da vassoio. Per evitare la contaminazione con olii corporei, non toccare mai il vassoio (o il campione) con le dita, ma usare sempre un paio di pinzette.
Per alimentare la bobina del galvanometro, è necessario un circuito che fornisca una tensione stabile di cinque volt [vedere lo schema del circuito qui sotto]. Non sostituite le batterie con un adattatore CA-CC, a meno che non siate disposti ad aggiungere dei filtri in grado di sopprimere le fluttuazioni di tensione a bassa frequenza, che possono penetrare nel sistema dall'adattatore. Fluttuazioni minime di 0,1 millivolt riducono drasticamente la capacità di risolvere i pesi più piccoli.
Il dispositivo utilizza due resistenze variabili di precisione da 100 kilohm e 10 giri (chiamate anche potenziometri o reostati): la prima per regolare la tensione attraverso la bobina e la seconda per fornire un riferimento di zero. Un condensatore da 20 microfarad protegge la bobina da eventuali oscillazioni nella risposta delle resistenze e aiuta a effettuare regolazioni delicate della posizione dell'ago. Per misurare la tensione attraverso la bobina, è necessario un voltmetro digitale con lettura fino a 0,1 millivolt. Radio Shack vende versioni portatili a meno di 80 dollari. Utilizzando un alimentatore da cinque volt, la bilancia di Schmermund può sollevare 150 milligrammi. Per pesi maggiori, sostituite il chip regolatore di tensione di tipo 7805 con un chip 7812. Produrrà una tensione stabile di 12 volt e solleverà oggetti del peso di quasi mezzo grammo.
Per calibrare la bilancia, è necessario un set di pesi noti in microgrammi. Un singolo peso calibrato di alta precisione tra uno e 100 microgrammi costa in genere 75 dollari, e ne occorrono almeno due. Esiste tuttavia un modo più economico. La Society for Amateur Scientists mette a disposizione per 10 dollari set di due pesi calibrati da microgrammi adatti a questo progetto. Questi due pesi consentono di calibrare la bilancia con quattro masse note: zero, peso uno, peso due e la somma dei due pesi.
Per effettuare una misurazione, iniziare con il piatto della bilancia vuoto. Coprire l'apparecchio con la copertura di vetro. Per ridurre la corrente elettrica, impostate il primo resistore al valore massimo. Quindi, regolate il secondo resistore finché la tensione non si avvicina il più possibile allo zero. Annotate questa tensione e non toccate più questo resistore fino a quando non avrete terminato l'intera serie di misure. Ora alzate il primo resistore finché la lancetta non scende fino all'arresto inferiore, poi tornate indietro in modo che la lancetta torni al segno zero. Annotare nuovamente la lettura della tensione. Utilizzare la media delle tre misure di tensione per definire il punto zero della scala.
Aumentare quindi la resistenza fino a quando l'ago si ferma sul supporto inferiore del filo. Posizionare un peso nel vassoio e ridurre la resistenza finché l'armatura non oscura nuovamente la linea. Registrare la tensione. Ripetere la misurazione per tre volte e prendere la media. La differenza tra queste due tensioni medie è una misura diretta del peso del campione.
Una volta misurati i pesi calibrati, tracciare un grafico della massa sollevata in funzione della tensione applicata. I dati devono cadere su una linea retta. La massa corrispondente a qualsiasi tensione intermedia può essere letta direttamente dalla curva.
La bilancia di Schmermund è estremamente lineare al di sopra dei 10 milligrammi. La pendenza della linea di calibrazione diminuisce solo del 4% a 500 microgrammi, il peso calibrato più piccolo che avevamo a disposizione. Tuttavia, vi consiglio vivamente di calibrare la vostra bilancia ogni volta che la utilizzate e di confrontare sempre i vostri campioni direttamente con i pesi calibrati.
Le bilance per microgrammi sono dispositivi intelligenti in grado di misurare masse incredibilmente piccole. I modelli di punta impiegano un'ingegnosa combinazione di isolamento meccanico, isolamento termico ed elettronica per produrre misure ripetibili fino a un decimo di milionesimo di grammo. Con i loro elaborati involucri di vetro e le finiture dorate, queste bilance sembrano più opere d'arte che strumenti scientifici. I nuovi modelli possono costare più di 10.000 dollari e spesso richiedono il tocco di un maestro per estrarre dati affidabili dal rumore di fondo.
Ma nonostante il loro costo e la loro complessità esteriore, questi dispositivi sono in sostanza piuttosto semplici. Un tipo comune utilizza una bobina magnetica per fornire una coppia che bilancia delicatamente un campione all'estremità di un braccio di leva. Aumentando la corrente elettrica nella bobina, la coppia aumenta. La corrente necessaria per compensare il peso del campione è quindi una misura diretta della sua massa. Le bobine delle bilance commerciali sono montate su perni di zaffiro blu lucidato. Gli zaffiri sono utilizzati perché la loro estrema durezza (solo i diamanti sono più duri) impedisce l'usura dei perni. Sofisticati dispositivi di rilevamento e circuiti controllano la corrente nella bobina, motivo per cui le elettrobilance da microgrammi sono così costose.
Questa è una buona notizia per i dilettanti. Se siete disposti a sostituire gli occhi con i sensori e le mani con i circuiti di controllo, potete costruire un delicato elettrobilanciamento con meno di 30 dollari.
George Schmermund di Vista, in California, mi ha chiarito questo fatto. Da oltre 20 anni, Schmermund gestisce una piccola azienda chiamata Science Resources, che acquista, ripara e personalizza apparecchiature scientifiche. Anche se per i suoi clienti può essere un professionista austero, io lo conosco come uno spirito libero che dedica il suo tempo al mondo degli affari solo per poter guadagnare abbastanza soldi da dedicarsi alla sua vera passione: la scienza amatoriale.
Schmermund possiede già quattro costose bilance da microgrammi commerciali. Ma nell'interesse di far progredire la scienza amatoriale, decise di vedere quanto poteva fare a basso costo. Il suo ingegnoso stratagemma è stato quello di combinare una tavola da formaggio e un vecchio galvanometro, un dispositivo che misura la corrente. Il risultato fu un'elettrobilancia in grado di determinare pesi da circa 10 microgrammi fino a 500.000 microgrammi (0,5 grammi).
La precisione delle misure è davvero impressionante. Ho personalmente confermato che il suo progetto è in grado di misurare all'1% masse superiori a un milligrammo. Inoltre, è in grado di distinguere tra masse nell'intervallo di 100 microgrammi che differiscono di appena due microgrammi. I calcoli suggeriscono che lo strumento può misurare singole masse fino a 10 microgrammi (non avevo un peso così piccolo da testare).
Il componente cruciale, il galvanometro, è facile da reperire. Questi dispositivi sono il fulcro della maggior parte dei vecchi misuratori elettrici analogici, quelli che utilizzano un ago montato su una bobina. La corrente che attraversa la bobina crea un campo magnetico che devia l'ago. Il progetto di Schmermund prevede che l'ago, montato sul piano verticale, funga da braccio di leva: i campioni pendono dalla punta dell'ago.
I negozi di elettronica hanno probabilmente a disposizione diversi galvanometri analogici. Un buon modo per giudicare la qualità è scuotere delicatamente il misuratore da un lato all'altro. Se l'ago rimane in posizione, si ha in mano una bobina adatta. Oltre a questo test, uno strano senso estetico mi guida nella scelta di un buon misuratore. È frustrante e difficile descrivere questo senso, ma se quando lo guardo mi viene da dire: "Questo sì che è un bell'apparecchio!", lo compro. C'è un vantaggio pratico in questa sfocatura estetica. I misuratori finemente lavorati e progettati con cura di solito ospitano bobine squisite che sono altrettanto valide delle bobine utilizzate nelle elettrobilance di pregio, con cuscinetti in zaffiro e tutto il resto.Per costruire la bilancia, liberare delicatamente la bobina dall'alloggiamento del misuratore, facendo attenzione a non danneggiare l'ago. Montare la bobina su un foglio di alluminio di scarto [vedi illustrazione nella pagina a fianco]. Se non è possibile utilizzare una lamiera di alluminio, montare la bobina all'interno di una scatola di plastica per progetti. Per isolare la bilancia dalle correnti d'aria, fissate l'intero gruppo in una tavola da formaggio ricoperta di vetro, con il foglio di alluminio in posizione verticale in modo che l'ago si muova su e giù. I due pesanti fili di protezione recuperati dal misuratore sono montati sul supporto di alluminio per limitare il raggio di movimento dell'ago.
Applicare con l'epossidica un piccolo bullone al supporto di alluminio, appena dietro la punta dell'ago. L'ago deve passare davanti al bullone senza toccarlo. Coprite il bullone con un piccolo pezzo di carta da costruzione, quindi tracciate una sottile linea orizzontale al centro della carta. Questa linea definisce la posizione zero della bilancia.
Il vassoio portacampioni che pende dall'ago è solo un piccolo telaio costruito in casa piegando un filo non isolato. Il diametro esatto del filo non è fondamentale, ma è bene che sia sottile: un filo di 28 gauge va bene. Un piccolo cerchio di foglio di alluminio si trova alla base del telaio di filo e funge da vassoio. Per evitare la contaminazione con olii corporei, non toccare mai il vassoio (o il campione) con le dita, ma usare sempre un paio di pinzette.
Per alimentare la bobina del galvanometro, è necessario un circuito che fornisca una tensione stabile di cinque volt [vedere lo schema del circuito qui sotto]. Non sostituite le batterie con un adattatore CA-CC, a meno che non siate disposti ad aggiungere dei filtri in grado di sopprimere le fluttuazioni di tensione a bassa frequenza, che possono penetrare nel sistema dall'adattatore. Fluttuazioni minime di 0,1 millivolt riducono drasticamente la capacità di risolvere i pesi più piccoli.
Il dispositivo utilizza due resistenze variabili di precisione da 100 kilohm e 10 giri (chiamate anche potenziometri o reostati): la prima per regolare la tensione attraverso la bobina e la seconda per fornire un riferimento di zero. Un condensatore da 20 microfarad protegge la bobina da eventuali oscillazioni nella risposta delle resistenze e aiuta a effettuare regolazioni delicate della posizione dell'ago. Per misurare la tensione attraverso la bobina, è necessario un voltmetro digitale con lettura fino a 0,1 millivolt. Radio Shack vende versioni portatili a meno di 80 dollari. Utilizzando un alimentatore da cinque volt, la bilancia di Schmermund può sollevare 150 milligrammi. Per pesi maggiori, sostituite il chip regolatore di tensione di tipo 7805 con un chip 7812. Produrrà una tensione stabile di 12 volt e solleverà oggetti del peso di quasi mezzo grammo.
Per calibrare la bilancia, è necessario un set di pesi noti in microgrammi. Un singolo peso calibrato di alta precisione tra uno e 100 microgrammi costa in genere 75 dollari, e ne occorrono almeno due. Esiste tuttavia un modo più economico. La Society for Amateur Scientists mette a disposizione per 10 dollari set di due pesi calibrati da microgrammi adatti a questo progetto. Questi due pesi consentono di calibrare la bilancia con quattro masse note: zero, peso uno, peso due e la somma dei due pesi.
Per effettuare una misurazione, iniziare con il piatto della bilancia vuoto. Coprire l'apparecchio con la copertura di vetro. Per ridurre la corrente elettrica, impostate il primo resistore al valore massimo. Quindi, regolate il secondo resistore finché la tensione non si avvicina il più possibile allo zero. Annotate questa tensione e non toccate più questo resistore fino a quando non avrete terminato l'intera serie di misure. Ora alzate il primo resistore finché la lancetta non scende fino all'arresto inferiore, poi tornate indietro in modo che la lancetta torni al segno zero. Annotare nuovamente la lettura della tensione. Utilizzare la media delle tre misure di tensione per definire il punto zero della scala.
Aumentare quindi la resistenza fino a quando l'ago si ferma sul supporto inferiore del filo. Posizionare un peso nel vassoio e ridurre la resistenza finché l'armatura non oscura nuovamente la linea. Registrare la tensione. Ripetere la misurazione per tre volte e prendere la media. La differenza tra queste due tensioni medie è una misura diretta del peso del campione.
Una volta misurati i pesi calibrati, tracciare un grafico della massa sollevata in funzione della tensione applicata. I dati devono cadere su una linea retta. La massa corrispondente a qualsiasi tensione intermedia può essere letta direttamente dalla curva.
La bilancia di Schmermund è estremamente lineare al di sopra dei 10 milligrammi. La pendenza della linea di calibrazione diminuisce solo del 4% a 500 microgrammi, il peso calibrato più piccolo che avevamo a disposizione. Tuttavia, vi consiglio vivamente di calibrare la vostra bilancia ogni volta che la utilizzate e di confrontare sempre i vostri campioni direttamente con i pesi calibrati.