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por Shawn Carlson (Scientific American, junio de 1996) pero tomado de un enlace vespiario. no obstante, ¡¡¡publicaré una versión actualizada en las respuestas!!! ^_^
Las balanzas de microgramos son dispositivos inteligentes que pueden medir masas increíblemente pequeñas. Los modelos de gama alta emplean una ingeniosa combinación de aislamiento mecánico, aislamiento térmico y magia electrónica para producir mediciones repetibles de hasta una décima de millonésima de gramo. Con sus elaboradas carcasas de cristal y sus pulidos accesorios chapados en oro, estas balanzas parecen más obras de arte que instrumentos científicos. Los nuevos modelos pueden costar más de 10.000 dólares y a menudo requieren el toque de un maestro para extraer datos fiables del ruido de fondo.
Sin embargo, a pesar de su coste y complejidad, estos aparatos son, en esencia, bastante sencillos. Un tipo común utiliza una bobina magnética para proporcionar un par que equilibra delicadamente una muestra en el extremo de un brazo de palanca. Al aumentar la corriente eléctrica en la bobina, aumenta el par. La corriente necesaria para compensar el peso de la muestra es, por tanto, una medida directa de su masa. Las bobinas de las balanzas comerciales están montadas sobre pivotes de zafiro azul pulido. Se utilizan zafiros porque su extrema dureza (sólo los diamantes son más duros) evita que los pivotes se desgasten. Sofisticados dispositivos de detección y circuitos controlan la corriente en la bobina, razón por la que las electrobalanzas de microgramos son tan caras.
Y eso es una buena noticia para los aficionados. Si estás dispuesto a sustituir los sensores por tus ojos y los circuitos de control por tus manos, puedes construir una delicada electrobalanza por menos de 30 dólares.
George Schmermund, de Vista, California, me aclaró este hecho. Desde hace más de 20 años, Schmermund dirige una pequeña empresa llamada Science Resources, que compra, repara y personaliza equipos científicos. Aunque puede que sea un profesional austero para sus clientes, sé que es todo un espíritu libre que dedica su tiempo al mundo de los negocios sólo para poder ganar el dinero suficiente para dedicarse a su verdadera pasión: la ciencia amateur.
Schmermund ya posee cuatro costosas balanzas comerciales de microgramos. Pero en su afán por hacer avanzar la ciencia amateur, decidió ver qué tal se le daba con una balanza barata. Su ingeniosa estratagema consistió en combinar una tabla de quesos y un viejo galvanómetro, un aparato que mide la corriente. El resultado fue una electrobalanza capaz de determinar pesos desde unos 10 microgramos hasta 500.000 microgramos (0,5 gramos).
La precisión de las mediciones es impresionante. He comprobado personalmente que su diseño puede medir con una precisión del 1% masas superiores a un miligramo. Además, puede distinguir entre masas en el intervalo de 100 microgramos que difieren en tan sólo dos microgramos. Y los cálculos sugieren que el instrumento puede medir masas individuales tan ligeras como 10 microgramos (no tenía una pesa tan pequeña para probar).
El componente crucial, el galvanómetro, es fácil de conseguir. Estos dispositivos son la pieza central de la mayoría de los antiguos medidores eléctricos analógicos, de los que utilizan una aguja montada en una bobina. La corriente que circula por la bobina crea un campo magnético que desvía la aguja. El diseño de Schmermund prevé que la aguja, montada en el plano vertical, actúe como brazo de palanca: las muestras cuelgan de la punta de la aguja.
Es probable que en las tiendas de electrónica dispongan de varios galvanómetros analógicos. Una buena forma de juzgar la calidad es agitar suavemente el medidor de un lado a otro. Si la aguja se mantiene en su sitio, está sujetando una bobina adecuada. Más allá de esta prueba, un extraño sentido de la estética me guía a la hora de seleccionar un buen medidor. Resulta frustrantemente difícil describir este sentido, pero si cuando lo miro me siento impulsado a decir: "¡Este sí que es un medidor bonito!", lo compro. Esta confusión estética tiene una ventaja práctica. Los medidores finamente elaborados y cuidadosamente diseñados suelen albergar bobinas exquisitas que no tienen nada que envidiar a las bobinas utilizadas en las balanzas electrónicas, con cojinetes de zafiro y todo.Para construir la balanza, libere suavemente la bobina de la carcasa del medidor, con cuidado de no dañar la aguja. Monte la bobina en una chapa de aluminio de desecho [véase la ilustración de la página opuesta]. Si no puede utilizar chapa de aluminio, monte la bobina dentro de una caja de plástico para proyectos. Para aislar la balanza de las corrientes de aire, fije todo el conjunto en una tabla para quesos cubierta de cristal, con la chapa de aluminio en posición vertical para que la aguja se mueva hacia arriba y hacia abajo. Los dos pesados cables de protección canibalizados del medidor se montan en el soporte de aluminio para restringir el rango de movimiento de la aguja.
Pega con epoxi un pequeño tornillo al soporte de aluminio, justo detrás de la punta de la aguja. La aguja debe cruzar justo por delante del perno sin tocarlo. Cubre el perno con un trozo pequeño de cartulina y traza una fina línea horizontal en el centro del papel. Esta línea define la posición cero de la escala.
La bandeja de muestras que cuelga de la aguja no es más que un pequeño marco hecho a mano doblando alambre no aislado. El diámetro exacto del alambre no es crítico, pero debe ser fino: un alambre de calibre 28 funciona bien. En la base del marco de alambre se coloca un pequeño círculo de papel de aluminio que sirve de bandeja. Para evitar la contaminación con aceites corporales, no toque nunca la bandeja (ni la muestra) con los dedos; utilice siempre unas pinzas.
Para energizar la bobina del galvanómetro, necesitará un circuito que suministre cinco voltios estables [consulte el diagrama del circuito a continuación]. No sustituya las pilas por un adaptador de CA a CC a menos que esté dispuesto a añadir filtros que puedan suprimir las fluctuaciones de tensión de baja frecuencia, que pueden filtrarse en el sistema desde el adaptador. Fluctuaciones tan pequeñas como 0,1 milivoltios reducirán drásticamente su capacidad para resolver los pesos más pequeños.
El dispositivo utiliza dos resistencias variables de precisión de 100 kilohmios y 10 vueltas (también llamadas potenciómetros o reóstatos): la primera para ajustar la tensión a través de la bobina y la segunda para proporcionar una referencia cero. Un condensador de 20 microfaradios amortigua la bobina contra cualquier sacudida en la respuesta de las resistencias y ayuda a realizar cualquier ajuste delicado en la posición de la aguja. Para medir la tensión a través de la bobina, necesitará un voltímetro digital que lea hasta 0,1 milivoltios. Radio Shack vende versiones portátiles por menos de 80 dólares. Con una fuente de alimentación de cinco voltios, la báscula de Schmermund puede levantar 150 miligramos. Para pesos mayores, sustituya el chip regulador de tensión de tipo 7805 por un chip 7812. Producirá 12 voltios estables y levantará objetos de casi medio gramo.
Para calibrar la balanza, necesitará un conjunto de pesas de microgramos conocidos. Una sola pesa calibrada de alta precisión de entre uno y 100 microgramos suele costar 75 dólares, y necesitarás al menos dos. Sin embargo, hay una forma más barata. La Society for Amateur Scientists pone a su disposición por 10 dólares juegos de dos pesas calibradas de microgramos adecuadas para este proyecto. Tenga en cuenta que estas dos pesas le permiten calibrar su balanza con cuatro masas conocidas: cero, pesa uno, pesa dos y la suma de las dos pesas.
Para realizar una medición, comience con el platillo de la balanza vacío. Cubra el aparato con la cubierta de cristal. Ahogue la corriente eléctrica ajustando la primera resistencia a su valor máximo. A continuación, ajusta la segunda resistencia hasta que la tensión sea lo más cercana a cero posible. Anota esta tensión y no vuelvas a tocar esta resistencia hasta que hayas terminado toda la serie de mediciones. Suba ahora la primera resistencia hasta que la aguja se hunda hasta el tope inferior y, a continuación, gírela de nuevo para que la aguja vuelva a la marca cero. Anote de nuevo la lectura de tensión. Utilice la media de las tres mediciones de tensión para definir el punto cero de la escala.
A continuación, aumente la resistencia hasta que la aguja se apoye en el soporte de alambre inferior. Coloque un peso en la bandeja y reduzca la resistencia hasta que el inducido vuelva a oscurecer la línea. Registre la tensión. Repita la medición tres veces y saque la media. La diferencia entre estas dos tensiones medias es una medida directa del peso de la probeta.
Una vez que hayas medido los pesos calibrados, representa gráficamente la masa levantada frente a la tensión aplicada. Los datos deben caer sobre una línea recta. La masa correspondiente a cualquier tensión intermedia puede entonces leerse directamente en la curva.
La balanza de Schmermund es extremadamente lineal por encima de 10 miligramos. La pendiente de la línea de calibración disminuyó sólo un 4 por ciento a 500 microgramos, la pesa calibrada más pequeña de que disponíamos. No obstante, le recomiendo encarecidamente que calibre su balanza cada vez que la utilice y que compare siempre sus muestras directamente con sus pesas calibradas.
Las balanzas de microgramos son dispositivos inteligentes que pueden medir masas increíblemente pequeñas. Los modelos de gama alta emplean una ingeniosa combinación de aislamiento mecánico, aislamiento térmico y magia electrónica para producir mediciones repetibles de hasta una décima de millonésima de gramo. Con sus elaboradas carcasas de cristal y sus pulidos accesorios chapados en oro, estas balanzas parecen más obras de arte que instrumentos científicos. Los nuevos modelos pueden costar más de 10.000 dólares y a menudo requieren el toque de un maestro para extraer datos fiables del ruido de fondo.
Sin embargo, a pesar de su coste y complejidad, estos aparatos son, en esencia, bastante sencillos. Un tipo común utiliza una bobina magnética para proporcionar un par que equilibra delicadamente una muestra en el extremo de un brazo de palanca. Al aumentar la corriente eléctrica en la bobina, aumenta el par. La corriente necesaria para compensar el peso de la muestra es, por tanto, una medida directa de su masa. Las bobinas de las balanzas comerciales están montadas sobre pivotes de zafiro azul pulido. Se utilizan zafiros porque su extrema dureza (sólo los diamantes son más duros) evita que los pivotes se desgasten. Sofisticados dispositivos de detección y circuitos controlan la corriente en la bobina, razón por la que las electrobalanzas de microgramos son tan caras.
Y eso es una buena noticia para los aficionados. Si estás dispuesto a sustituir los sensores por tus ojos y los circuitos de control por tus manos, puedes construir una delicada electrobalanza por menos de 30 dólares.
George Schmermund, de Vista, California, me aclaró este hecho. Desde hace más de 20 años, Schmermund dirige una pequeña empresa llamada Science Resources, que compra, repara y personaliza equipos científicos. Aunque puede que sea un profesional austero para sus clientes, sé que es todo un espíritu libre que dedica su tiempo al mundo de los negocios sólo para poder ganar el dinero suficiente para dedicarse a su verdadera pasión: la ciencia amateur.
Schmermund ya posee cuatro costosas balanzas comerciales de microgramos. Pero en su afán por hacer avanzar la ciencia amateur, decidió ver qué tal se le daba con una balanza barata. Su ingeniosa estratagema consistió en combinar una tabla de quesos y un viejo galvanómetro, un aparato que mide la corriente. El resultado fue una electrobalanza capaz de determinar pesos desde unos 10 microgramos hasta 500.000 microgramos (0,5 gramos).
La precisión de las mediciones es impresionante. He comprobado personalmente que su diseño puede medir con una precisión del 1% masas superiores a un miligramo. Además, puede distinguir entre masas en el intervalo de 100 microgramos que difieren en tan sólo dos microgramos. Y los cálculos sugieren que el instrumento puede medir masas individuales tan ligeras como 10 microgramos (no tenía una pesa tan pequeña para probar).
El componente crucial, el galvanómetro, es fácil de conseguir. Estos dispositivos son la pieza central de la mayoría de los antiguos medidores eléctricos analógicos, de los que utilizan una aguja montada en una bobina. La corriente que circula por la bobina crea un campo magnético que desvía la aguja. El diseño de Schmermund prevé que la aguja, montada en el plano vertical, actúe como brazo de palanca: las muestras cuelgan de la punta de la aguja.
Es probable que en las tiendas de electrónica dispongan de varios galvanómetros analógicos. Una buena forma de juzgar la calidad es agitar suavemente el medidor de un lado a otro. Si la aguja se mantiene en su sitio, está sujetando una bobina adecuada. Más allá de esta prueba, un extraño sentido de la estética me guía a la hora de seleccionar un buen medidor. Resulta frustrantemente difícil describir este sentido, pero si cuando lo miro me siento impulsado a decir: "¡Este sí que es un medidor bonito!", lo compro. Esta confusión estética tiene una ventaja práctica. Los medidores finamente elaborados y cuidadosamente diseñados suelen albergar bobinas exquisitas que no tienen nada que envidiar a las bobinas utilizadas en las balanzas electrónicas, con cojinetes de zafiro y todo.Para construir la balanza, libere suavemente la bobina de la carcasa del medidor, con cuidado de no dañar la aguja. Monte la bobina en una chapa de aluminio de desecho [véase la ilustración de la página opuesta]. Si no puede utilizar chapa de aluminio, monte la bobina dentro de una caja de plástico para proyectos. Para aislar la balanza de las corrientes de aire, fije todo el conjunto en una tabla para quesos cubierta de cristal, con la chapa de aluminio en posición vertical para que la aguja se mueva hacia arriba y hacia abajo. Los dos pesados cables de protección canibalizados del medidor se montan en el soporte de aluminio para restringir el rango de movimiento de la aguja.
Pega con epoxi un pequeño tornillo al soporte de aluminio, justo detrás de la punta de la aguja. La aguja debe cruzar justo por delante del perno sin tocarlo. Cubre el perno con un trozo pequeño de cartulina y traza una fina línea horizontal en el centro del papel. Esta línea define la posición cero de la escala.
La bandeja de muestras que cuelga de la aguja no es más que un pequeño marco hecho a mano doblando alambre no aislado. El diámetro exacto del alambre no es crítico, pero debe ser fino: un alambre de calibre 28 funciona bien. En la base del marco de alambre se coloca un pequeño círculo de papel de aluminio que sirve de bandeja. Para evitar la contaminación con aceites corporales, no toque nunca la bandeja (ni la muestra) con los dedos; utilice siempre unas pinzas.
Para energizar la bobina del galvanómetro, necesitará un circuito que suministre cinco voltios estables [consulte el diagrama del circuito a continuación]. No sustituya las pilas por un adaptador de CA a CC a menos que esté dispuesto a añadir filtros que puedan suprimir las fluctuaciones de tensión de baja frecuencia, que pueden filtrarse en el sistema desde el adaptador. Fluctuaciones tan pequeñas como 0,1 milivoltios reducirán drásticamente su capacidad para resolver los pesos más pequeños.
El dispositivo utiliza dos resistencias variables de precisión de 100 kilohmios y 10 vueltas (también llamadas potenciómetros o reóstatos): la primera para ajustar la tensión a través de la bobina y la segunda para proporcionar una referencia cero. Un condensador de 20 microfaradios amortigua la bobina contra cualquier sacudida en la respuesta de las resistencias y ayuda a realizar cualquier ajuste delicado en la posición de la aguja. Para medir la tensión a través de la bobina, necesitará un voltímetro digital que lea hasta 0,1 milivoltios. Radio Shack vende versiones portátiles por menos de 80 dólares. Con una fuente de alimentación de cinco voltios, la báscula de Schmermund puede levantar 150 miligramos. Para pesos mayores, sustituya el chip regulador de tensión de tipo 7805 por un chip 7812. Producirá 12 voltios estables y levantará objetos de casi medio gramo.
Para calibrar la balanza, necesitará un conjunto de pesas de microgramos conocidos. Una sola pesa calibrada de alta precisión de entre uno y 100 microgramos suele costar 75 dólares, y necesitarás al menos dos. Sin embargo, hay una forma más barata. La Society for Amateur Scientists pone a su disposición por 10 dólares juegos de dos pesas calibradas de microgramos adecuadas para este proyecto. Tenga en cuenta que estas dos pesas le permiten calibrar su balanza con cuatro masas conocidas: cero, pesa uno, pesa dos y la suma de las dos pesas.
Para realizar una medición, comience con el platillo de la balanza vacío. Cubra el aparato con la cubierta de cristal. Ahogue la corriente eléctrica ajustando la primera resistencia a su valor máximo. A continuación, ajusta la segunda resistencia hasta que la tensión sea lo más cercana a cero posible. Anota esta tensión y no vuelvas a tocar esta resistencia hasta que hayas terminado toda la serie de mediciones. Suba ahora la primera resistencia hasta que la aguja se hunda hasta el tope inferior y, a continuación, gírela de nuevo para que la aguja vuelva a la marca cero. Anote de nuevo la lectura de tensión. Utilice la media de las tres mediciones de tensión para definir el punto cero de la escala.
A continuación, aumente la resistencia hasta que la aguja se apoye en el soporte de alambre inferior. Coloque un peso en la bandeja y reduzca la resistencia hasta que el inducido vuelva a oscurecer la línea. Registre la tensión. Repita la medición tres veces y saque la media. La diferencia entre estas dos tensiones medias es una medida directa del peso de la probeta.
Una vez que hayas medido los pesos calibrados, representa gráficamente la masa levantada frente a la tensión aplicada. Los datos deben caer sobre una línea recta. La masa correspondiente a cualquier tensión intermedia puede entonces leerse directamente en la curva.
La balanza de Schmermund es extremadamente lineal por encima de 10 miligramos. La pendiente de la línea de calibración disminuyó sólo un 4 por ciento a 500 microgramos, la pesa calibrada más pequeña de que disponíamos. No obstante, le recomiendo encarecidamente que calibre su balanza cada vez que la utilice y que compare siempre sus muestras directamente con sus pesas calibradas.