por Shawn Carlson (Scientific American, junho de 1996), mas retirado de um link do vespiary. no entanto, colocarei uma versão actualizada nas respostas!!! ^_^
As balanças de microgramas são dispositivos inteligentes que podem medir massas fantasticamente minúsculas. Os modelos topo de gama utilizam uma combinação engenhosa de isolamento mecânico, isolamento térmico e magia eletrónica para produzir medições repetíveis até um décimo de milionésimo de grama. Com os seus elaborados invólucros de vidro e os seus acessórios polidos e banhados a ouro, estas balanças parecem mais obras de arte do que instrumentos científicos. Os novos modelos podem custar mais de 10.000 dólares e requerem muitas vezes o toque de um mestre para retirar dados fiáveis do ruído de fundo.
Mas apesar de todo o seu custo e complexidade exterior, estes dispositivos são, na sua essência, bastante simples. Um tipo comum utiliza uma bobina magnética para fornecer um binário que equilibra delicadamente uma amostra na extremidade de um braço de alavanca. O aumento da corrente eléctrica na bobina aumenta o binário. A corrente necessária para compensar o peso da amostra é, portanto, uma medida direta da sua massa. As bobinas das balanças comerciais assentam em pivots de safira azul polida. As safiras são utilizadas porque a sua extrema dureza (apenas os diamantes são mais duros) impede que os pivots se desgastem. Dispositivos de deteção e circuitos sofisticados controlam a corrente na bobina - e é por isso que as balanças electrónicas de microgramas são tão caras.
E isso é uma boa notícia para os amadores. Se estiver disposto a substituir os sensores pelos olhos e os circuitos de controlo pelas mãos, pode construir uma balança eléctrica delicada por menos de 30 dólares.
George Schmermund, de Vista, Califórnia, esclareceu-me este facto. Durante mais de 20 anos, Schmermund dirigiu uma pequena empresa chamada Science Resources, que compra, repara e personaliza equipamento científico. Embora possa ser um profissional austero para os seus clientes, conheço-o como um espírito livre que passa o tempo no 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, com o objetivo de promover a ciência amadora, decidiu ver se conseguia fazer o mesmo a baixo custo. O seu engenhoso estratagema foi combinar uma tábua de queijo com um velho galvanómetro, um dispositivo que mede a corrente. O resultado foi uma electrobalança que pode determinar pesos desde cerca de 10 microgramas até 500.000 microgramas (0,5 gramas).
A precisão das medições é bastante impressionante. Confirmei pessoalmente que a sua conceção pode medir até 1% de massas superiores a um miligrama. Além disso, consegue distinguir entre massas na gama de 100 microgramas que diferem apenas em dois microgramas. E os cálculos sugerem que o instrumento pode medir massas individuais tão pequenas como 10 microgramas (não tinha um peso tão pequeno para testar).
O componente crucial, o galvanómetro, é fácil de encontrar. Estes dispositivos são a peça central da maioria dos antigos medidores eléctricos analógicos, do tipo que usa uma agulha montada numa bobina. A corrente que flui através da bobina cria um campo magnético que desvia a agulha. O projeto de Schmermund prevê que a agulha, montada no plano vertical, funcione como braço de alavanca: os espécimes pendem da ponta da agulha.
As lojas de excedentes electrónicos terão provavelmente vários galvanómetros analógicos à mão. Uma boa maneira de avaliar a qualidade é agitar o medidor suavemente de um lado para o outro. Se a agulha se mantiver no lugar, está a segurar uma bobina adequada. Para além deste teste, um estranho sentido de estética guia-me na seleção de um bom medidor. É frustrantemente difícil descrever este sentido, mas se me sinto levado a dizer: "Este medidor é lindo!" quando o vejo, compro-o. Há um benefício prático nesta imprecisão estética. Os medidores finamente fabricados e cuidadosamente concebidos têm normalmente bobinas requintadas que são tão boas como as bobinas utilizadas em electrobalanças finas, com rolamentos de safira e tudo. Para construir a balança, liberte cuidadosamente a bobina da caixa do medidor, tendo cuidado para não danificar a agulha. Monte a bobina numa folha de alumínio [ver ilustração na página oposta]. Se não for possível utilizar uma folha de alumínio, monte a bobina dentro de uma caixa de plástico para projectos. Para isolar a balança das correntes de ar, prenda todo o conjunto numa tábua de queijo coberta de vidro, com a folha de alumínio na 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 limitar a amplitude de movimento da agulha.
Colocar um pequeno parafuso no suporte de alumínio, logo atrás da ponta da agulha. A agulha deve passar mesmo em frente do parafuso sem tocar. Cubra o parafuso com um pequeno pedaço de papel de construção e, em seguida, desenhe uma linha horizontal fina no centro do papel. Esta linha define a posição zero da balança.
O tabuleiro de amostras que está pendurado na agulha é apenas uma pequena armação 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 folha de alumínio assenta na base da armação de arame e serve de tabuleiro. Para evitar a contaminação com óleos corporais, nunca toque no tabuleiro (ou na amostra) com os dedos; em vez disso, utilize sempre um par de pinças.
Para energizar a bobina do galvanómetro, é necessário um circuito que forneça uma tensão estável de cinco volts [ver o diagrama do circuito abaixo]. Não substitua as pilhas por um adaptador AC-to-DC, a menos que esteja disposto a adicionar filtros que possam suprimir as flutuações de tensão de baixa frequência, que podem entrar no sistema a partir do adaptador. Flutuações tão pequenas como 0,1 milivolt reduzirão drasticamente a sua capacidade de resolver os pesos mais pequenos.
O dispositivo utiliza duas resistências variáveis de precisão, de 100 kilohm e 10 voltas (também chamadas potenciómetros ou reóstatos) - a primeira para ajustar a tensão através da bobina e a segunda para fornecer uma referência zero. Um condensador de 20 microfarad amortece a bobina contra qualquer solavanco na resposta das resistências e ajuda a efetuar quaisquer ajustes delicados na posição da agulha. Para medir a tensão através da bobina, precisará de um voltímetro digital que leia até 0,1 milivolt. A Radio Shack vende versões portáteis por menos de 80 dólares. Utilizando uma fonte de alimentação de cinco volts, a balança de Schmermund consegue levantar 150 miligramas. Para pesos maiores, substitua o chip regulador de tensão do tipo 7805 por um chip 7812. Este produzirá 12 volts estáveis e levantará objectos com um peso de quase meio grama.
Para calibrar a balança, é necessário um conjunto de pesos conhecidos de microgramas. Um único peso calibrado de alta precisão, entre um e 100 microgramas, custa normalmente 75 dólares, pelo que precisará de pelo menos dois. Existe, no entanto, uma forma mais económica. A Society for Amateur Scientists está a disponibilizar por 10 dólares conjuntos de dois pesos calibrados de microgramas adequados para este projeto. Note-se que estes dois pesos permitem calibrar a balança com quatro massas conhecidas: zero, peso um, peso dois e a soma dos dois pesos.
Para efetuar uma medição, comece com o prato da balança vazio. Cobrir o aparelho com a caixa de vidro. Diminua a corrente eléctrica, colocando a primeira resistência no seu valor mais alto. De seguida, ajuste a segunda resistência até que a tensão se aproxime o mais possível de zero. Anote esta tensão e não volte a tocar nesta resistência até ter terminado todo o conjunto de medições. Agora, aumente a primeira resistência até que a agulha desça até ao batente inferior e, em seguida, volte a rodá-la para que a agulha regresse à marca zero. Anote novamente a leitura da tensão. Utilize a média das três medições de tensão para definir o ponto zero da escala.
De seguida, aumente a resistência até que a agulha assente no suporte inferior do fio. Coloque um peso no tabuleiro e reduza a resistência até que a armadura volte a obscurecer a linha. Registar a tensão. Repetir novamente a medição três vezes e tirar a média. A diferença entre estas duas tensões médias é uma medida direta do peso da amostra.
Depois de medir os pesos calibrados, trace o gráfico da massa levantada contra a tensão aplicada. Os dados devem cair numa linha reta. A massa correspondente a qualquer tensão intermédia pode então ser lida diretamente a partir da curva.
A balança de Schmermund é extremamente linear a partir de 10 miligramas. O declive da linha de calibração diminuiu apenas 4 por cento a 500 microgramas, o peso calibrado mais pequeno que tínhamos disponível. No entanto, sugiro vivamente que calibre a sua balança sempre que a utilizar e que compare sempre os seus espécimes diretamente com os pesos calibrados.
As balanças de microgramas são dispositivos inteligentes que podem medir massas fantasticamente minúsculas. Os modelos topo de gama utilizam uma combinação engenhosa de isolamento mecânico, isolamento térmico e magia eletrónica para produzir medições repetíveis até um décimo de milionésimo de grama. Com os seus elaborados invólucros de vidro e os seus acessórios polidos e banhados a ouro, estas balanças parecem mais obras de arte do que instrumentos científicos. Os novos modelos podem custar mais de 10.000 dólares e requerem muitas vezes o toque de um mestre para retirar dados fiáveis do ruído de fundo.
Mas apesar de todo o seu custo e complexidade exterior, estes dispositivos são, na sua essência, bastante simples. Um tipo comum utiliza uma bobina magnética para fornecer um binário que equilibra delicadamente uma amostra na extremidade de um braço de alavanca. O aumento da corrente eléctrica na bobina aumenta o binário. A corrente necessária para compensar o peso da amostra é, portanto, uma medida direta da sua massa. As bobinas das balanças comerciais assentam em pivots de safira azul polida. As safiras são utilizadas porque a sua extrema dureza (apenas os diamantes são mais duros) impede que os pivots se desgastem. Dispositivos de deteção e circuitos sofisticados controlam a corrente na bobina - e é por isso que as balanças electrónicas de microgramas são tão caras.
E isso é uma boa notícia para os amadores. Se estiver disposto a substituir os sensores pelos olhos e os circuitos de controlo pelas mãos, pode construir uma balança eléctrica delicada por menos de 30 dólares.
George Schmermund, de Vista, Califórnia, esclareceu-me este facto. Durante mais de 20 anos, Schmermund dirigiu uma pequena empresa chamada Science Resources, que compra, repara e personaliza equipamento científico. Embora possa ser um profissional austero para os seus clientes, conheço-o como um espírito livre que passa o tempo no 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, com o objetivo de promover a ciência amadora, decidiu ver se conseguia fazer o mesmo a baixo custo. O seu engenhoso estratagema foi combinar uma tábua de queijo com um velho galvanómetro, um dispositivo que mede a corrente. O resultado foi uma electrobalança que pode determinar pesos desde cerca de 10 microgramas até 500.000 microgramas (0,5 gramas).
A precisão das medições é bastante impressionante. Confirmei pessoalmente que a sua conceção pode medir até 1% de massas superiores a um miligrama. Além disso, consegue distinguir entre massas na gama de 100 microgramas que diferem apenas em dois microgramas. E os cálculos sugerem que o instrumento pode medir massas individuais tão pequenas como 10 microgramas (não tinha um peso tão pequeno para testar).
O componente crucial, o galvanómetro, é fácil de encontrar. Estes dispositivos são a peça central da maioria dos antigos medidores eléctricos analógicos, do tipo que usa uma agulha montada numa bobina. A corrente que flui através da bobina cria um campo magnético que desvia a agulha. O projeto de Schmermund prevê que a agulha, montada no plano vertical, funcione como braço de alavanca: os espécimes pendem da ponta da agulha.
As lojas de excedentes electrónicos terão provavelmente vários galvanómetros analógicos à mão. Uma boa maneira de avaliar a qualidade é agitar o medidor suavemente de um lado para o outro. Se a agulha se mantiver no lugar, está a segurar uma bobina adequada. Para além deste teste, um estranho sentido de estética guia-me na seleção de um bom medidor. É frustrantemente difícil descrever este sentido, mas se me sinto levado a dizer: "Este medidor é lindo!" quando o vejo, compro-o. Há um benefício prático nesta imprecisão estética. Os medidores finamente fabricados e cuidadosamente concebidos têm normalmente bobinas requintadas que são tão boas como as bobinas utilizadas em electrobalanças finas, com rolamentos de safira e tudo. Para construir a balança, liberte cuidadosamente a bobina da caixa do medidor, tendo cuidado para não danificar a agulha. Monte a bobina numa folha de alumínio [ver ilustração na página oposta]. Se não for possível utilizar uma folha de alumínio, monte a bobina dentro de uma caixa de plástico para projectos. Para isolar a balança das correntes de ar, prenda todo o conjunto numa tábua de queijo coberta de vidro, com a folha de alumínio na 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 limitar a amplitude de movimento da agulha.
Colocar um pequeno parafuso no suporte de alumínio, logo atrás da ponta da agulha. A agulha deve passar mesmo em frente do parafuso sem tocar. Cubra o parafuso com um pequeno pedaço de papel de construção e, em seguida, desenhe uma linha horizontal fina no centro do papel. Esta linha define a posição zero da balança.
O tabuleiro de amostras que está pendurado na agulha é apenas uma pequena armação 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 folha de alumínio assenta na base da armação de arame e serve de tabuleiro. Para evitar a contaminação com óleos corporais, nunca toque no tabuleiro (ou na amostra) com os dedos; em vez disso, utilize sempre um par de pinças.
Para energizar a bobina do galvanómetro, é necessário um circuito que forneça uma tensão estável de cinco volts [ver o diagrama do circuito abaixo]. Não substitua as pilhas por um adaptador AC-to-DC, a menos que esteja disposto a adicionar filtros que possam suprimir as flutuações de tensão de baixa frequência, que podem entrar no sistema a partir do adaptador. Flutuações tão pequenas como 0,1 milivolt reduzirão drasticamente a sua capacidade de resolver os pesos mais pequenos.
O dispositivo utiliza duas resistências variáveis de precisão, de 100 kilohm e 10 voltas (também chamadas potenciómetros ou reóstatos) - a primeira para ajustar a tensão através da bobina e a segunda para fornecer uma referência zero. Um condensador de 20 microfarad amortece a bobina contra qualquer solavanco na resposta das resistências e ajuda a efetuar quaisquer ajustes delicados na posição da agulha. Para medir a tensão através da bobina, precisará de um voltímetro digital que leia até 0,1 milivolt. A Radio Shack vende versões portáteis por menos de 80 dólares. Utilizando uma fonte de alimentação de cinco volts, a balança de Schmermund consegue levantar 150 miligramas. Para pesos maiores, substitua o chip regulador de tensão do tipo 7805 por um chip 7812. Este produzirá 12 volts estáveis e levantará objectos com um peso de quase meio grama.
Para calibrar a balança, é necessário um conjunto de pesos conhecidos de microgramas. Um único peso calibrado de alta precisão, entre um e 100 microgramas, custa normalmente 75 dólares, pelo que precisará de pelo menos dois. Existe, no entanto, uma forma mais económica. A Society for Amateur Scientists está a disponibilizar por 10 dólares conjuntos de dois pesos calibrados de microgramas adequados para este projeto. Note-se que estes dois pesos permitem calibrar a balança com quatro massas conhecidas: zero, peso um, peso dois e a soma dos dois pesos.
Para efetuar uma medição, comece com o prato da balança vazio. Cobrir o aparelho com a caixa de vidro. Diminua a corrente eléctrica, colocando a primeira resistência no seu valor mais alto. De seguida, ajuste a segunda resistência até que a tensão se aproxime o mais possível de zero. Anote esta tensão e não volte a tocar nesta resistência até ter terminado todo o conjunto de medições. Agora, aumente a primeira resistência até que a agulha desça até ao batente inferior e, em seguida, volte a rodá-la para que a agulha regresse à marca zero. Anote novamente a leitura da tensão. Utilize a média das três medições de tensão para definir o ponto zero da escala.
De seguida, aumente a resistência até que a agulha assente no suporte inferior do fio. Coloque um peso no tabuleiro e reduza a resistência até que a armadura volte a obscurecer a linha. Registar a tensão. Repetir novamente a medição três vezes e tirar a média. A diferença entre estas duas tensões médias é uma medida direta do peso da amostra.
Depois de medir os pesos calibrados, trace o gráfico da massa levantada contra a tensão aplicada. Os dados devem cair numa linha reta. A massa correspondente a qualquer tensão intermédia pode então ser lida diretamente a partir da curva.
A balança de Schmermund é extremamente linear a partir de 10 miligramas. O declive da linha de calibração diminuiu apenas 4 por cento a 500 microgramas, o peso calibrado mais pequeno que tínhamos disponível. No entanto, sugiro vivamente que calibre a sua balança sempre que a utilizar e que compare sempre os seus espécimes diretamente com os pesos calibrados.