por Shawn Carlson (Scientific American, junho de 1996), mas retirado de um link de vespiário. no entanto, publicarei uma versão atualizada nas respostas!!! ^_^
As balanças de microgramas são dispositivos inteligentes que podem medir massas incrivelmente pequenas. Os modelos topo de linha empregam uma combinação engenhosa de isolamento mecânico, isolamento térmico e magia eletrônica para produzir medições repetíveis de até um décimo de milionésimo de grama. Com suas elaboradas caixas de vidro e acessórios banhados a ouro polido, essas balanças se parecem mais com obras de arte do que com instrumentos científicos. Os novos modelos podem custar mais de US$ 10.000 e geralmente exigem o toque de um mestre para extrair dados confiáveis do ruído de fundo.
Mas apesar de todo o seu custo e complexidade externa, esses dispositivos são, em essência, bastante simples. Um tipo comum usa uma bobina magnética para fornecer um torque que equilibra delicadamente uma amostra na extremidade de um braço de alavanca. O aumento da corrente elétrica na bobina aumenta o torque. A corrente necessária para compensar o peso da amostra é, portanto, uma medida direta de sua massa. As bobinas das balanças comerciais são montadas em pivôs de safira azul polida. As safiras são usadas porque sua extrema dureza (somente os diamantes são mais duros) evita o desgaste dos pivôs. Dispositivos de detecção e circuitos sofisticados controlam a corrente na bobina, razão pela qual as eletrobalanças de microgramas são tão caras.
E essa é uma boa notícia para os amadores. Se você estiver disposto a substituir seus olhos pelos sensores e suas mãos pelos circuitos de controle, poderá construir uma eletrobalança delicada por menos de US$ 30.
George Schmermund, de Vista, Califórnia, deixou esse fato claro para mim. Há mais de 20 anos, Schmermund dirige uma pequena empresa chamada Science Resources, que compra, conserta e personaliza equipamentos científicos. Embora ele possa ser um profissional austero para seus clientes, eu o conheço como um espírito livre que dedica seu tempo ao mundo dos negócios apenas para poder ganhar dinheiro suficiente para se entregar à sua verdadeira paixão - a ciência amadora.
Schmermund já possui quatro balanças comerciais caras de microgramas. Mas, no interesse do avanço da ciência amadora, ele decidiu ver se conseguiria fazer isso de forma econômica. Seu engenhoso truque foi combinar uma tábua de queijo e um galvanômetro antigo, um dispositivo que mede a corrente. O resultado foi uma eletrobalança que pode determinar pesos de cerca de 10 microgramas até 500.000 microgramas (0,5 grama).
A precisão das medições é bastante impressionante. Confirmei pessoalmente que seu projeto pode medir até 1% das massas que excedem um miligrama. Além disso, ele pode distinguir entre massas na faixa de 100 microgramas que diferem em apenas dois microgramas. E os cálculos sugerem que o instrumento pode medir massas individuais tão pequenas quanto 10 microgramas (eu não tinha um peso tão pequeno para testar).
O componente crucial, o galvanômetro, é fácil de encontrar. Esses dispositivos são a peça central da maioria dos medidores elétricos analógicos antigos, do tipo que usa uma agulha montada em uma bobina. A corrente que flui pela bobina cria um campo magnético que desvia a agulha. O projeto de Schmermund exige que a agulha, montada no plano vertical, atue como braço de alavanca: os espécimes ficam pendurados na ponta da agulha.
As lojas de produtos eletrônicos provavelmente terão vários galvanômetros analógicos à disposição. Uma boa maneira de avaliar a qualidade é sacudir o medidor suavemente de um lado para o outro. Se a agulha permanecer no lugar, você está segurando uma bobina adequada. Além desse teste, um estranho senso de estética me orienta na escolha de um bom medidor. É frustrantemente difícil descrever esse senso, mas se eu for levado a dizer: "Este é um belo medidor!" quando o examino, eu o compro. Há um benefício prático nessa imprecisão estética. Medidores finamente fabricados e cuidadosamente projetados geralmente possuem bobinas requintadas que são tão boas quanto as bobinas usadas em eletrobalanças finas, com rolamentos de safira e tudo mais. Monte a bobina em uma folha de alumínio (veja a ilustração na página oposta). Se não for possível usar uma folha de alumínio, monte a bobina dentro de uma caixa plástica para projetos. Para isolar a balança das correntes de ar, prenda o conjunto inteiro em uma tábua de queijo coberta de vidro, com a folha de alumínio na posição vertical para que a agulha se mova para cima e para baixo. Os dois fios de proteção pesados canibalizados do medidor são montados no suporte de alumínio para restringir a amplitude de movimento da agulha.
Fixe com epóxi um pequeno parafuso no suporte de alumínio, logo atrás da ponta da agulha. A agulha deve passar bem na frente do parafuso sem tocá-lo. Cubra o parafuso com um pequeno pedaço de papel de construção e, em seguida, desenhe uma linha horizontal fina no centro do papel. Essa linha define a posição zero da balança.
A bandeja de amostras que fica pendurada na agulha é apenas uma pequena estrutura feita em casa, dobrando um fio não isolado. O diâmetro exato do fio não é crítico, mas mantenha-o fino: o fio de calibre 28 funciona bem. Um pequeno círculo de papel-alumínio fica na base da estrutura de arame e serve como bandeja. Para evitar a contaminação com óleos corporais, nunca toque a bandeja (ou a amostra) com os dedos; em vez disso, use sempre uma pinça.
Para energizar a bobina do galvanômetro, você precisará de um circuito que forneça cinco volts estáveis [veja o diagrama do circuito abaixo]. Não substitua as baterias por um adaptador CA para CC, a menos que esteja disposto a adicionar filtros que possam suprimir as flutuações de tensão de baixa frequência, que podem vazar para o sistema a partir do adaptador. Flutuações tão pequenas quanto 0,1 milivolt reduzirão drasticamente sua capacidade de resolver os menores pesos.
O dispositivo usa dois resistores variáveis de precisão de 100 kilohm e 10 voltas (também chamados de potenciômetros ou reostatos) - o primeiro para ajustar a tensão na bobina e o segundo para fornecer uma referência zero. Um capacitor de 20 microfarad amortece a bobina contra qualquer solavanco na resposta dos resistores e ajuda a fazer ajustes delicados na posição da agulha. Para medir a tensão na bobina, você precisará de um voltímetro digital com leitura de até 0,1 milivolt. A Radio Shack vende versões portáteis por menos de US$ 80. Usando uma fonte de alimentação de cinco volts, a balança de Schmermund pode levantar 150 miligramas. Para pesos maiores, substitua o chip regulador de tensão do tipo 7805 por um chip 7812. Ele produzirá 12 volts estáveis e levantará objetos com peso de quase meio grama.
Para calibrar a balança, você precisará de um conjunto de pesos conhecidos de microgramas. Um único peso calibrado de alta precisão entre um e 100 microgramas normalmente custa US$ 75, e você precisará de pelo menos dois. No entanto, há uma maneira mais barata. A Society for Amateur Scientists está disponibilizando por US$ 10 conjuntos de dois pesos calibrados de microgramas adequados para este projeto. Observe que esses dois pesos permitem que você calibre sua balança com quatro massas conhecidas: zero, peso um, peso dois e a soma dos dois pesos.
Para fazer uma medição, comece com o prato da balança vazio. Cubra o dispositivo com a caixa de vidro. Diminua a corrente elétrica ajustando o primeiro resistor em seu valor mais alto. Em seguida, ajuste o segundo resistor até que a tensão seja lida o mais próximo possível de zero. Anote essa tensão e não toque nesse resistor novamente até que tenha concluído todo o conjunto de medições. Agora, aumente o primeiro resistor até que a agulha afunde até o batente inferior e, em seguida, gire-o de volta para que a agulha retorne à marca zero. Anote a leitura da tensão novamente. Use a média das três medições de tensão para definir o ponto zero da escala.
Em seguida, aumente a resistência até que a agulha encoste no suporte inferior do fio. Coloque um peso na bandeja e reduza a resistência até que a armadura volte a obscurecer a linha. Registre a tensão. Novamente, repita a medição três vezes e tire a média. A diferença entre essas duas tensões médias é uma medida direta do peso da amostra.
Depois de medir os pesos calibrados, faça um gráfico da massa levantada em relação à tensão aplicada. Os dados devem cair em uma linha reta. A massa correspondente a qualquer tensão intermediária pode então ser lida diretamente na curva.
A balança de Schmermund é extremamente linear acima de 10 miligramas. A inclinação da linha de calibração diminuiu apenas 4% em 500 microgramas, o menor peso calibrado que tínhamos disponível. No entanto, sugiro enfaticamente que você calibre sua balança sempre que usá-la e sempre compare seus espécimes diretamente com os pesos calibrados.
As balanças de microgramas são dispositivos inteligentes que podem medir massas incrivelmente pequenas. Os modelos topo de linha empregam uma combinação engenhosa de isolamento mecânico, isolamento térmico e magia eletrônica para produzir medições repetíveis de até um décimo de milionésimo de grama. Com suas elaboradas caixas de vidro e acessórios banhados a ouro polido, essas balanças se parecem mais com obras de arte do que com instrumentos científicos. Os novos modelos podem custar mais de US$ 10.000 e geralmente exigem o toque de um mestre para extrair dados confiáveis do ruído de fundo.
Mas apesar de todo o seu custo e complexidade externa, esses dispositivos são, em essência, bastante simples. Um tipo comum usa uma bobina magnética para fornecer um torque que equilibra delicadamente uma amostra na extremidade de um braço de alavanca. O aumento da corrente elétrica na bobina aumenta o torque. A corrente necessária para compensar o peso da amostra é, portanto, uma medida direta de sua massa. As bobinas das balanças comerciais são montadas em pivôs de safira azul polida. As safiras são usadas porque sua extrema dureza (somente os diamantes são mais duros) evita o desgaste dos pivôs. Dispositivos de detecção e circuitos sofisticados controlam a corrente na bobina, razão pela qual as eletrobalanças de microgramas são tão caras.
E essa é uma boa notícia para os amadores. Se você estiver disposto a substituir seus olhos pelos sensores e suas mãos pelos circuitos de controle, poderá construir uma eletrobalança delicada por menos de US$ 30.
George Schmermund, de Vista, Califórnia, deixou esse fato claro para mim. Há mais de 20 anos, Schmermund dirige uma pequena empresa chamada Science Resources, que compra, conserta e personaliza equipamentos científicos. Embora ele possa ser um profissional austero para seus clientes, eu o conheço como um espírito livre que dedica seu tempo ao mundo dos negócios apenas para poder ganhar dinheiro suficiente para se entregar à sua verdadeira paixão - a ciência amadora.
Schmermund já possui quatro balanças comerciais caras de microgramas. Mas, no interesse do avanço da ciência amadora, ele decidiu ver se conseguiria fazer isso de forma econômica. Seu engenhoso truque foi combinar uma tábua de queijo e um galvanômetro antigo, um dispositivo que mede a corrente. O resultado foi uma eletrobalança que pode determinar pesos de cerca de 10 microgramas até 500.000 microgramas (0,5 grama).
A precisão das medições é bastante impressionante. Confirmei pessoalmente que seu projeto pode medir até 1% das massas que excedem um miligrama. Além disso, ele pode distinguir entre massas na faixa de 100 microgramas que diferem em apenas dois microgramas. E os cálculos sugerem que o instrumento pode medir massas individuais tão pequenas quanto 10 microgramas (eu não tinha um peso tão pequeno para testar).
O componente crucial, o galvanômetro, é fácil de encontrar. Esses dispositivos são a peça central da maioria dos medidores elétricos analógicos antigos, do tipo que usa uma agulha montada em uma bobina. A corrente que flui pela bobina cria um campo magnético que desvia a agulha. O projeto de Schmermund exige que a agulha, montada no plano vertical, atue como braço de alavanca: os espécimes ficam pendurados na ponta da agulha.
As lojas de produtos eletrônicos provavelmente terão vários galvanômetros analógicos à disposição. Uma boa maneira de avaliar a qualidade é sacudir o medidor suavemente de um lado para o outro. Se a agulha permanecer no lugar, você está segurando uma bobina adequada. Além desse teste, um estranho senso de estética me orienta na escolha de um bom medidor. É frustrantemente difícil descrever esse senso, mas se eu for levado a dizer: "Este é um belo medidor!" quando o examino, eu o compro. Há um benefício prático nessa imprecisão estética. Medidores finamente fabricados e cuidadosamente projetados geralmente possuem bobinas requintadas que são tão boas quanto as bobinas usadas em eletrobalanças finas, com rolamentos de safira e tudo mais. Monte a bobina em uma folha de alumínio (veja a ilustração na página oposta). Se não for possível usar uma folha de alumínio, monte a bobina dentro de uma caixa plástica para projetos. Para isolar a balança das correntes de ar, prenda o conjunto inteiro em uma tábua de queijo coberta de vidro, com a folha de alumínio na posição vertical para que a agulha se mova para cima e para baixo. Os dois fios de proteção pesados canibalizados do medidor são montados no suporte de alumínio para restringir a amplitude de movimento da agulha.
Fixe com epóxi um pequeno parafuso no suporte de alumínio, logo atrás da ponta da agulha. A agulha deve passar bem na frente do parafuso sem tocá-lo. Cubra o parafuso com um pequeno pedaço de papel de construção e, em seguida, desenhe uma linha horizontal fina no centro do papel. Essa linha define a posição zero da balança.
A bandeja de amostras que fica pendurada na agulha é apenas uma pequena estrutura feita em casa, dobrando um fio não isolado. O diâmetro exato do fio não é crítico, mas mantenha-o fino: o fio de calibre 28 funciona bem. Um pequeno círculo de papel-alumínio fica na base da estrutura de arame e serve como bandeja. Para evitar a contaminação com óleos corporais, nunca toque a bandeja (ou a amostra) com os dedos; em vez disso, use sempre uma pinça.
Para energizar a bobina do galvanômetro, você precisará de um circuito que forneça cinco volts estáveis [veja o diagrama do circuito abaixo]. Não substitua as baterias por um adaptador CA para CC, a menos que esteja disposto a adicionar filtros que possam suprimir as flutuações de tensão de baixa frequência, que podem vazar para o sistema a partir do adaptador. Flutuações tão pequenas quanto 0,1 milivolt reduzirão drasticamente sua capacidade de resolver os menores pesos.
O dispositivo usa dois resistores variáveis de precisão de 100 kilohm e 10 voltas (também chamados de potenciômetros ou reostatos) - o primeiro para ajustar a tensão na bobina e o segundo para fornecer uma referência zero. Um capacitor de 20 microfarad amortece a bobina contra qualquer solavanco na resposta dos resistores e ajuda a fazer ajustes delicados na posição da agulha. Para medir a tensão na bobina, você precisará de um voltímetro digital com leitura de até 0,1 milivolt. A Radio Shack vende versões portáteis por menos de US$ 80. Usando uma fonte de alimentação de cinco volts, a balança de Schmermund pode levantar 150 miligramas. Para pesos maiores, substitua o chip regulador de tensão do tipo 7805 por um chip 7812. Ele produzirá 12 volts estáveis e levantará objetos com peso de quase meio grama.
Para calibrar a balança, você precisará de um conjunto de pesos conhecidos de microgramas. Um único peso calibrado de alta precisão entre um e 100 microgramas normalmente custa US$ 75, e você precisará de pelo menos dois. No entanto, há uma maneira mais barata. A Society for Amateur Scientists está disponibilizando por US$ 10 conjuntos de dois pesos calibrados de microgramas adequados para este projeto. Observe que esses dois pesos permitem que você calibre sua balança com quatro massas conhecidas: zero, peso um, peso dois e a soma dos dois pesos.
Para fazer uma medição, comece com o prato da balança vazio. Cubra o dispositivo com a caixa de vidro. Diminua a corrente elétrica ajustando o primeiro resistor em seu valor mais alto. Em seguida, ajuste o segundo resistor até que a tensão seja lida o mais próximo possível de zero. Anote essa tensão e não toque nesse resistor novamente até que tenha concluído todo o conjunto de medições. Agora, aumente o primeiro resistor até que a agulha afunde até o batente inferior e, em seguida, gire-o de volta para que a agulha retorne à marca zero. Anote a leitura da tensão novamente. Use a média das três medições de tensão para definir o ponto zero da escala.
Em seguida, aumente a resistência até que a agulha encoste no suporte inferior do fio. Coloque um peso na bandeja e reduza a resistência até que a armadura volte a obscurecer a linha. Registre a tensão. Novamente, repita a medição três vezes e tire a média. A diferença entre essas duas tensões médias é uma medida direta do peso da amostra.
Depois de medir os pesos calibrados, faça um gráfico da massa levantada em relação à tensão aplicada. Os dados devem cair em uma linha reta. A massa correspondente a qualquer tensão intermediária pode então ser lida diretamente na curva.
A balança de Schmermund é extremamente linear acima de 10 miligramas. A inclinação da linha de calibração diminuiu apenas 4% em 500 microgramas, o menor peso calibrado que tínhamos disponível. No entanto, sugiro enfaticamente que você calibre sua balança sempre que usá-la e sempre compare seus espécimes diretamente com os pesos calibrados.