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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO INSTITUTO DE FÍSICA DE SÃO CARLOS
CENTRO DE PESQUISA EM ÓPTICA E FOTÔNICA
Relatório de Atividades de Iniciação Científica
Desenvolvimento de um Sensor de Gravidade Contínuo
Vitor De Angeli Camargo Bolsista
Philippe Wilhelm Courteille
Orientador
Sumário 1. Resumo -------------------------------------------------------------------------------------- 3
I. Projeto de Pesquisa ------------------------------------------------------------------------------- 3 2. Introdução ---------------------------------------------------------------------------------- 4
I. Plano de Trabalho -------------------------------------------------------------------------------- 4 II. Cronograma -------------------------------------------------------------------------------------- 4
a. Meses 1 a 6 ------------------------------------------------------------------------------------ 5 b. Meses 7 a 12 ---------------------------------------------------------------------------------- 5
3. Atividades, Metrologia e Resultados Obtidos --------------------------------------- 6 Projetos Realizados --------------------------------------------------------------------------------------- 6
I. Gerador de Ondas -------------------------------------------------------------------------------- 6 II. Bobinas Helmholtz ------------------------------------------------------------------------------ 9 III. Levitador de Partículas Macroscópicas ----------------------------------------------------- 10 IV. Shutter Mecânico ------------------------------------------------------------------------------ 10
a. Shutter acústico ------------------------------------------------------------------------------ 10 b. Outros tipos de shutter ---------------------------------------------------------------------- 12
V. Driver para Shutters Acústicos --------------------------------------------------------------- 12 VI. Caratecrização de Componentes Ópticos --------------------------------------------------- 14
a. Reflexão -------------------------------------------------------------------------------------- 14 b. Potência --------------------------------------------------------------------------------------- 14
VII. Instalação de um Refrigerador por Condensação de Ar --------------------------------- 15 VIII. Reciclagem e Renovação do material laboratorial -------------------------------------- 15
a. Confecção de Cabos ------------------------------------------------------------------------ 15 b. Reciclagem de Fibra Ótica ----------------------------------------------------------------- 17
IX. Caracterização de um Hall Probe ------------------------------------------------------------ 18 4. Análise dos Resultados ----------------------------------------------------------------- 21 5. Conclusões Finais ----------------------------------------------------------------------- 22
6. Referências ------------------------------------------------------------------------------- 23
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Resumo – Vitor De Angeli Camargo
1. Resumo
I. Projeto de Pesquisa
Sensores de gravidade são dispositivos indispensáveis para inúmeras aplicações
tanto na industria como em pesquisa fundamental. Esforços recentes de
aperfeiçoamento de gravímetros baseados em interferometria atômica alcançaram
precisões notáveis. Uma técnica particularmente atraente traduz a força de aceleração
gravitacional em uma medição da frequência de oscilações de Bloch de átomos
refrigerados por laser e confinados em uma onda de luz estacionária vertical. Em
gravímetros modernos as oscilações são medidas através do estado dos átomos após
um tempo de evolução variável. A medição é destrutiva, e novas amostras atômicas
devem ser preparadas para cada escolha do tempo de evolução.
Para superar a natureza destrutiva das medições em gravímetros atômicos,
propomos neste projeto uma nova técnica que permite monitorar as oscilações de
Bloch in vivo. A idéia consiste em deixar os átomos interagir com uma cavidade em
anel de alta fineza operada em regime de eletrodinâmica quântica de cavidade. Com
átomos alcalinos, que são mais comumente utilizados em experimentos envolvendo
resfriamento óptico, este regime permanece inacessível com cavidades anelares, que,
por construção têm dimensões macroscópicas. Propomos uma forma de contornar
esse problema usando estrôncio excitado em sua linha de intercombinação estreita.
No Instituto de Física de São Carlos combina-se perícia técnica na construção de
cavidades anelares e no aprisionamento e resfriamento de estrôncio. Do outro lado, o
projeto é contemplado por colaborações estreitas com grupos de pesquisa
internacionais trabalhando nestas áreas.
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Introdução – Vitor De Angeli Camargo
2. Introdução
I. Plano de Trabalho O projeto envolve montagens experimentais complexas juntando áreas de
conhecimento tão diferentes como eletrônica, óptica gaussiana e física dos lasers,
mecânica e desenho técnico, ciência do vácuo e criogenia, controle de sequências
experimentais por computador e tecnologia de travamento, modelagem teórico,
metrologia e gravimetria. Localizado na interseção das áreas da óptica atômica, da
condensação de Bose-Einstein, da eletrodinâmica quântica em cavidades e do estudo
da interação da luz com matéria em geral, o projeto tem um caráter fundamentalmente
interdisciplinar. Essa diversidade representa uma grande oportunidade para a minha
formação, pois permite que os mesmos adquirem um grande espectro de
conhecimentos e de habilidades.
II. Cronograma
Eu trabalhei em pequenos projetos bem definidos e na realização de
subentidades a serem incorporadas na montagem experimental completa. Exemplos
são a construção de analisadores de espectro ópticos baseados em cavidades ópticas
confocais ou shutters mecânicos para interrupção de feixes de laser baseados em
altofalantes comercialmente acessíveis. Para cada projeto concluído escrevi um
relatório resumindo a ideia, o esquema, a realização, o desempenho e a caraterização
do dispositivo, que servirá ao mesmo tempo para justificativa da atividade
desenvolvidas e para documentação do equipamento disponível no laboratório. O
trabalho sempre fora realizado em estreita colaboração com estudantes de pós-
graduação, pós-doutores e o professor.
Etapa Meses 1 -‐ 2
3 -‐ 4
5 -‐ 6
7 -‐ 8
9 -‐ 10
11 -‐ 12
Iniciação, pequenos projetos
Familiarização com a montagem da experiência
Relatórios sobre a realização dos projetos
Participação em programas de medida e de pesquisa Tabela 1: Cronograma desenvolvido durante a duração da iniciação científica.
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Introdução – Vitor De Angeli Camargo
Gradualmente, a medida que houve a familiarização com o laboratório e
ganho de experiência, eu fora integrado nas atividades da equipe de pós-graduandos
contribuindo em trabalhos relevantes para o sucesso do grupo inteiro.
a. Meses 1 a 6 Familiarização com o laboratório e avaliação de competências básicas.
Desenvolvimento de projetos básicos com objetivo de aumentar a compreensão pelo
ambiente e modo de trabalho experimental. Assistência aos demais profissionais do
laboratório para integrar e compreender os experimentos.
b. Meses 7 a 12 Construção das subentidades que serão incorporadas na nova cavidade anelar.
Assistência na montagem da câmera de vácuo e possível participação na extração de
medidas, com posterior análise de resultados.
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
3. Atividades, Metrologia e Resultados Obtidos
Projetos Realizados
1. Gerador de Ondas
1.1. Oscilador de onda quadrada
1.2. Oscilador de onda triangular
1.3. Oscilador de onda dente-de-serra
2. Bobinas Helmholtz
3. Levitador de partículas macroscópicas
4. Shutter’s mecânicos
4.1. Shutter acústico
4.2. Demais tipos de shutter
5. Driver para shutter acústico
6. Caracterização de commponentes ópticos
7. Instalação de um refrigerador por condensação de ar
8. Reciclagem e renovação do material laboratorial
9. Caracterização de um sensor de efeito Hall
I. Gerador de Ondas
No início da duração do projeto, o laboratório necessitava de um gerador de
ondas dente de serra e, como não havia necessidade de utilizar um gerador de ondas
comercial, a tarefa foi incubida a mim. Esta pequena tarefa envolvia princípio de
eletrônica e circuitos que seriam úteis para o restante do projeto.
Inicialmente construiu-se um circuito de
onda quadrada e um circuito de onda triangular.
Feito isso, confeccionou-se um circuito que
possuia saída para tanto onda quadrada quanto
onda triangular. E finalmente construiu-se um
circuito de onda dente de serra.
Figura 1: Esquemático do circuito de um gerador de onda quadrada
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
O gerador de onda quadrada foi costruido a partir de um simples circuito
oscilador que converte um sinal de corrente contínua para corrente alternada. O
circuito utiliza componentes eletrônicos básicos, como resistências, capacitores e
amplificadores operacionais, quer seriam de vasta utilização para o restante do
projeto. O amplificador operacional possui duas entradas em estados desconhecidos,
pela explicação suponha-se que o dispositivo possui + um pouco maior do que -. O
amp-op (amplificador operacional) amplifica vastamente essa diferença, trazendo a
saída para a tensão de alimentação positiva do op-amp. Ambos os resistores da seção
inferior da figura 1 atuam como divisores de tensão que posiciona a entrada + a
metade da voltagem de saída. A entrada - está aterrada, abaixo da entrada +, portanto
a tensão da saída permanece com o mesmo valor.
Corrente flui da saída do op-amp para o terra através de um capacitor,
carregando o mesmo. Assim que este fica carregado com um pouco mais da metade
da saída do op-amp, a entrada - encontra-se em um estado maior do que a entrada +, e
por isso a saída é invertida para o negativo da tensão de alimentação positiva do op-
amp. Agora, a corrente flui para o outro sentido, descarregando o capacitor e
revertendo sua polaridade. Logo após o ciclo se repete.
O gerador de onda triangular é apenas um estágio a mais no circuito do
gerador de onda quadrado. O circuito abaixo apresenta um estagio integrador na saída
do sinal de onda quadrada, que transforma o anterior em onda triangular. Além da
saída de onda triangular, obtem-se com a onda quadrada no primeiro estágio do
circuito, sendo assim possíveis utilizar quaisquer das duas ondas.
A segunda metade do circuito é um integrador inversor. O primeiro op-amp
também possui duas entradas iniciais em estados desconhecidos, replicando o efeito
do gerador de ondas quadradas. Com essa entrada positiva, a saída do integrador decai
com uma taxa constante.
Os resistores de 10k e 4k atuam como divisores de tensão que posiciona a
entrada + do primeiro op-amp a 4/14 avos do caminho da saída do segundo op-amp
para a saída do primeiro. Quando esta entrada atinge o estado aterrado, a saída do
primeiro op-amp inverte sua polaridade, e o integrador muda sua direção, formando
assim a outra metade da onda triangular. Quando o primeiro op-amp inverter sua
polaridade novamente, um novo ciclo inicia-se.
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
O circuito abaixo é um oscilador que gera uma onda dente-de-serra. É
basicamente o mesmo circuito que um gerador de onda triangular, exceto que o
resistor em série com o capacitor fora substituido por dois resistores, cada um pareado
com um diodo de sentidos opostos. Pela primeira metada do ciclo, o capacitor através
de um resistor de 40k, e pela outra metade, ele é rapidamente descarregado através de
um resistor de 5k.
Figura 3: Esquemátivo do circuito de onda triangular montado
Figura 2: Esquemático do circuito de um gerador de onda triangular.
Figura 4: Resposta da saída do gerador dente-‐de-‐serra.
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
II. Bobinas Helmholtz
A bobina helmholtz é na verdade um par de
eletroimãs solenoides postos no mesmo eixo que visam
gerar um campo magnético uniforme entre suas peças.
Sendo assim, a bobina Helmholtz pode ser utilizada para
cancelar efeitos de um campo magnético igual e oposto do
que o gerado, que fora o propósito da contrução dessas
bobinas: o cancelamento do campo magnético da Terra e
proviniente de qualquer outra fonte do laboratório.
O projeto fora feito por um pós-graduando com
auxílio meu. Este pequeno projeto envolveu vários princípios físicos de
eletromagnetismo além de fornecer habilidade técnica para construção de bobinas
para fins experimentais. No caso do experimento em desenvolvimento no laboratório
foram necessários a construção de três pares de bobinas, uma para cada eixo
cartesiano, nulificando aproximadamente a totalidade da interferência magnética
externa.
Figura 6: Montagem física das bobinas Helmholtz entorno da cavidade.
Figura 5: Desenho esquemático de bobinas na configuração Helmholtz
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
III. Levitador de Partículas Macroscópicas
Anualmente o laboratório deve apresentar algo
relacionado com o trabalho que realizam para a
comunidade como forma de retribuição ao
investimento por ela fornecida. Sendo assim, o
laboratório optou por construir uma cavidade acústica
linear excitada por uma cerámica piezoelétrica capaz
de confinar partículas macroscópicas nos máximos.
Basicamente o projeto incluia física acústica,
eletrônica e circuitos, mas pode-se fazer uma
correlação da funcionalidade e esquemático de uma
cavidade acústica com cavidades ópticas que é utilizado em laboratórios de ótica.
IV. Shutter Mecânico
O shutter mecânico é um dispositivo diretamente relacionado com toda a
atividade ótica do laboratório, pois este dispositivo permite a rápida aparição e
extinção de um feixe de laser. Isto é feito através de um acionamento rápido de algum
tipo de aparelho que bloqueia mecanicamente o feixe de luz, geralmente por uma vela
de metal.
a. Shutter acústico O shutter mecânico mais amplamente utilizado pela sua facil construção, custo
reduzido e rápida acionamento é o shutter acústico. Este shutter é feito a partir do
mecanismo eletromagnético dentro do mesmo, o acionamento por corrente elétrica
leva ao movimento de um pequeno solenoide no interior de um eletroimã. Este
fenômeno é largamente utilizado para produzir audio, mas ao fazer um circuito que
controla diretamente o efeito da corrente elétrica sobre o solenoide, um driver,
controi-se um dispositivo que pode ser movimentado em um eixo com extrema
agilidade. Logo, adcionando uma vela metálica a esse dispositivo produzimos o
desejado shutter mecânico.
Na contrução do shutter acústico, estava envolvido diferentes ramos da física,
como acústica, ótica e caracterização para garantir a qualidade do dispositivo
Figura 7: Esquemático de um levitador acústico.
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
realizado. Nessa caracterização foram tiradas várias medidas, como tempo de resposta
(delay) no acionamento, o tempo de acionamento, o tempo de desligamento e o tempo
de resposta no desligamento, assim como a verificação de vibrações mecânicas (jitter)
do dispositivo. Seguem os dados obtidos.
O tempo de resposta depende do tamanho do feixe a ser bloqueiado, quanto
maior o diâmetro do feixe menor o tempo de resposta, e da velocidade de subida do
shutter. O feixe utilizado neste caso possui 2µm de diâmetro. O tempo de
acionamento depende da velocidade de subida do shutter que é diretamente
influenciada pelo campo magnético nele expresso devido a tensão aplicada.
Figura 9: Nesta imagem vemos o desligamento do mesmo shutter acústico. Com este em específico obtemos um tempo de desligamento de 1.112ms e um delay de 1.2ms. Assim como feita várias vezes
a caraterização, temos que o shutter está de acordo com as especificações do laboratório.
Figura 8: Nesta imagem vemos o acionamento do shutter acústico. Com este em específico obtemos um tempo de acionamento de 912µs e um delay de 3,1ms. Quase sem ruídos, esse shutter está pronto para ser
utlizado.
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
b. Outros tipos de shutter O shutter acústico, apesar de sua excelente assimilação pelo laboratório possui
alguns defeitos como tempo de vida curto devido a acumulação de poeira entre o
solenoide e o imã permanente e os constantes problemas no acionamento e
desligamento causados pela poeira. Por issso, fui encarregado de procurar outros tipos
de shutters mecânicos que fossem equivalentes em funcionalidade e custo.
Desse modo, uma alternativa bem similar e eficiente é um shutter de relê que
possui um custo até menor que o shutter acústico, tempo de acionamento e
desligamento parecidos com o acústico porém uma varredura menor (distância
percorrida pela vela metálica), no entanto isso não seria um obstáculo visto que no
laboratório o feixe de laser pode ser focado para um diametro capaz de encaixar na
varredura do relê. Atualmente, este shutter está sendo desenvolvido.
Outras opções também forma levantadas, como shutter de motor de passo
(inviável devido ao seu tamanho excessivo), shutter piezoelétrico (inviável pelo seu
tempo de desligamento alto e varredura minúscula), shutter de disco rígido (inviável
devido ao seu tamanho excessivo) e shutter por expansão térmica (inviável devido ao
tempo de resfriamento e necessidades térmicas).
V. Driver para Shutters Acústicos Feito a análise e estudo sobre os diversos tipo de shutters, o modelo escolhido
pelo laboratório fora o acústico, desse modo iniciou-se um fase de construção física
Figura 10: Shutter acústico montado fisicamente.
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
dos mesmos. Entretanto, após tendo construido diversos shutters, determinou-se que o
tempo de acionamento do shutter era significativamente maior do que o tempo de
desligamento, assim o shutter era rápido para bloquear o feixe de luz porém devagar
para desbloquear, ou vice-versa. A solução encontrada fora, ao invés de cortar a
alimentação para o shutter de modo que houvesse o desacionamento do mesmo,
inverter a tensão aplicada de modo que houvesse duas fases de acionamento, ao
contrário de uma de acionamento e uma de desligamento. Assim garantiu-se que o
tempo de acionamento e o desacionamento seriam muito próximos, minimizando os
erros e possíveis efeitos nocivos ao experimento de uma má propagação dos feixes de
laser empregados.
O circuito utilizado para acarretar na inversão da tensão aplicada ao shutter
fora retirada de um artigo do Instituto Max Planck [1], segue o esquemático elaborado
do mesmo.
Com a construção e implantação deste circuito em junção com o shutter
previamente discutido, notou-se uma significativa diminuição no tempo do
desacionamento do shutter, equiparando este estado com o estado de acionamento.
Com a implementação dos shutters e seus drivers foi possível a comparação dos
contruídos neste laboratório com os citados na revista Review of Scientific
Instruments[2].
Figura 11: Circuito inversor de tensão para o shutter
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
VI. Caratecrização de Componentes Ópticos
A caracterização dos componentes ópticos de um laboratório é uma parte
essencial para a manutenção do mesmo e para o bom funcionamento do dos
experimentos neles realizados. Essa caracterização é bem diversa e pode se aplicar a
todos os componentes do laboraorio.
a. Reflexão Como muitos espelhos são utilizados no laboratório, uma importante
qualidade dos mesmos é a refletividade que pode ser afetada por danos aos espelhos
ou acúmulo de poeira, entre outras formas. Assim, um
espelho pode ser devidamente limpo ou trocado para
melhorar a eficiência dos experimentos. Outro fator
importante que pode ser percebido ao medir a reflexão de
um espelho é a potência de um feixe de luz. A reflexão é
uma simples medida da potência luminosa de entrada do
espelho comparada com a de saída.
b. Potência Um quesito fundamental no funcionamento de um laboratório de ótica é a
potência dos lasers por ele utilizado. A potência de um laser pode ser diminuida pelo
desalinhamento de uma cavidade ótica, o mal-funcionamento de um polarizador ou
Figura 12: Driver construído e testado para implementação laboratorial
Figura 13: esquemático do fenômeno da reflexão
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
modulador, ou até mesmo danos ou poeira acumulada no interior do dispositivo que
gera o laser (podendo ser danos aos cristais, placas refletoras, entre outros). A
caracterização da potência de um feixe de luz é a comparação entre a potência do
feixe antes de um destes dispositivos mencionados e depois, ou análise da própria
saída do laser.
VII. Instalação de um Refrigerador por Condensação de Ar
Uma aquisição do laboratório fora um refrigerador de água por condensação
de ar e fora incumbido a mim instalar este aparelho no laborátorio. Realizou-se a
instalção hidraulica com a finalidade de comunicar o refrigerador com as bobinas do
desacelerador Zeeman, para isso fora feita uma análise com conhecimentos de
fenômenos de trasporte e mecânica dos fluidos para averiguar a pressão fornecida,
pressão máxima suportada pelas bobinas, vazão necessaria e fornecida assim como o
desenvolvimento de um sistema de retroalimentação do refrigerador. Houve também a
necessidade de instalar certos componentes eletrônicos no refrigerados, portanto fora
feito um estudo sobre o circuito do mesmo, garantindo um entendimento quase total
da máquina.
VIII. Reciclagem e Renovação do material laboratorial Com a introdução de uma nova câmara ao laboratório notou-se a necessidade
de aperfeiçoar e melhorar o laboratório como um todo para melhor adaptar a nova
câmara e seus componentes. Inicialmente realizou-se uma organização sistemática do
espaço laboratorial de modo que tudo fosse mais intuitivo e fácil de se encontrar.
Após isso houve a revisão dos cabos utilizados nos experimentos, muitos dos quais
encontravam-se defeituosos ou em condições impráticas de serem reutilizadas.
a. Confecção de Cabos Um laboratório necessita de todos os tipos de cabo e com a entrada de novos
equipamentos, tanto comerciais quanto confeccionados pelo grupo laboratorial,
muitos novos cabos foram confeccionados. Desse modo, foi repassado como tarefa
refazer alguns desses cabos afim de melhorar o rendimento do experimento. Com esse
pequeno projeto, assegurou-se um conhecimento de transmissão de dados
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
experimentais, redução de ruídos, aperfeiçoamento de sinais assim como melhorar sua
proficiência em eletrônica, soldagem e montagem de cabos.
O primeiro cabo feito fora um cabo BNC
(Bayonet Neill-Concelman), tecnicamente é a
junção de um cabo coaxial com conectores BNC.
Um cabo coaxial é composto por quatro camadas,
sendo a mais interior composta por um condutor
(geralmente cobre sólido, peça única), em seguida
de uma camada de material isolante, depois por
outra camada de condutor que chama-se blindagem
(geralmente um trançado de fios de cobre), tudo
revestido por uma camada de plástico[3]. Esse tipo
de cabo é comumente utilizado para a transmissão de sinais de baixa frequência como
sinais de áudio. Um conector BNC é um conector de rápida conexão e desconexão,
geralmente aplicados quando os sinais estão abaixo de 4 GHz e tensão abaixo de
500V [4] [5].
Outro cabo implementado fora construído com cabos coaxiais previamente
mencionados e conectores SMA (SubMiniature version A). Este conector,
Figura 14: Diagrama de cabo coaxial
Fonte: http://searchnetworking.techtarget.c
om/definition/coaxial-‐cable-‐illustrated
Figura 15: Cabo com conector BNC confeccionado
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
similarmente ao conector BNC possui um pino interno para o sinal e uma camada
externa para atuar como terra, ele suporta, tipicamente, de corrente contínua até 18
GHz, podendo ultrapassar esse número [6].
b. Reciclagem de Fibra Ótica Uma fibra ótica é uma fibra flexível e transparente composta de silica ou
plástico polimérico. Este tipo de cabo pode transmitir luz entre dois pontos ou uma
corrente elétrica. Estes cabos são preferidos em instalções laboratoriais por
apresentarem poucas perdas em relação ao seu comprimento e por serem imunes a
interfrência eletromagnética [7]. A fibra ótica é composta por um núcleo transparente e
um revestimento, também transparente, com um índice de refração menor do que o
núcleo, assim os dados são aprisionados no núcleo por refração interna total [8].
Entretanto, a fibra ótica é extremamente sensível e qualquer arranhado na sua
superfície de transmissão acarretará em perdas significativas quantitativas e
qualitativas de seus dados. Para sanar isso, eu fui encarregado de renovar algumas
fibras óticas de baixa transmissão. O modo empregado fora o polimento das
terminações da fibra com lixas de vidro, e demais tipos, de diversas granulações sobre
uma solução de acetona. Feito de modo devido, esse polimento remove qualquer
ranhura e imperfeições nas terminações das fibras, aumentando assim a baixa
transmissão causada por esses fatores.
Figura 16: Cabo com conector SMA
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
IX. Caracterização de um Hall Probe Um Hall Probe é um sensor de efeito Hall, que é essencialmente um
transducer que varia sua resposta ou saída em tensão de acordo com o campo
magnético no qual está submerso. Com simples manipulações matemáticas é possível
elaborar um sensor de efeito Hall de modo que este leia o próprio campo magnético,
para isso é necessário a caracterização do mesmo, tarefa incubida a mim. [9] [10]
Para caracterizar o novo Hall probe no laboratorio, uma montagem fora
confeccionada que continha um resistor preciso de 1,0017 Ω em série com um
solenoide indutor. O Hall probe foi fixado internamente na metade do solenoide. A
montagem foi completada por suprir uma tensão contínua ao cricuito já descrito.
Também foram incluidos dois multímetros, um em paralelo com a resistência, para
coletar as tensões e consequentemente a corrente, e o outro conectado ao sensor para
mensurar o campo magnético. A tensão de fundo fora determinada em 2,8 [𝑚𝑉] e
deve-se ao campo magnético natural da Terra.
Um pós-graduando do laborátorio determinou a relação entre a tensão do Hall
probe e o campo magnético mensurado de modo que segue a seguinte equação;
𝐵 𝐺 = 21,79782 ∙ 𝐼 [𝐴]
Figura 17: Montagem para caracterização do sensor de efeito Hall
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
Sendo que a lei de Ohm aplicada ao resistor determinou a corrente no circuito
pela seguinte relação;
𝐼 [𝐴] =𝑉𝑅 =
𝑉1,0017
Assim, medindo as voltagens aplicadas ao resistor e o sensor de efeito Hall de
uma maneira não-linear, para cancelar a propagação de erro linear. Com estes dados,
uma equação fora ajustada sobre o gráfico do campo magnético em relação a tensão
de saída do sensor de efeito Hall.
Com o auxílio da ferramenta Origin, uma ferramenta de data plotting, vários
outros parâmetros relevantes ao experimento foram determinados. Por fim, a
caracterização do sensor rendeu uma equação, determinado pela Origin, do campo
magnético em relação a tensão mensurada.
𝑦 = 𝐴 + 𝐵 ∙ 𝑥
𝑦 = 𝐶𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑀𝑎𝑔𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑜𝑥 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎
𝐴 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟 [𝐺]−0.42122± 0.00606
Gráfico 1: Gráfico dos dados colhidos experimentalmente do sensor de efeito Hall
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos
– Vitor De Angeli Camargo
𝐵 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝐺 𝑚𝑉0.19975± 5.50902𝑒 − 5
Assim a correlação com o modelo teórico apresenta-se da seguinte forma;
𝐶 = 1−𝐵!!!"#$%$&'( − 𝐵!"#$%&'$()*+
𝐵!!!"#$%$&'(∙ 100
𝐶 = 1−0.2− 0.19975
0.2 ∙ 100 = 99,875%
Em suma, temos que o sensor de efeito Hall é extremamente preciso, tomando
que a incerteza da equação que descreve a medição do campo magnético é três ordens
de grandeza menor que os próprios parâmetros da equação. Além das baixas
incertezas, a concordância com o levantamento teórico é extremamente alto. Portanto,
pode-se concluir que a caracterização resultou em uma equação que é precisa e exata,
qualidade de fundamental importância para a calibração fina do experimento.
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Análise dos Resultados – Vitor De Angeli Camargo
4. Análise dos Resultados Todos os projetos desenvolvidos foram de última importância para o mesmo
em questões de avanço no conhecimento de física experimental e o funcionamento de
um laboratório. Embora todos os serviços prestados pelo mesmo foram realizados de
modo exemplar, nem sempre os equipamentos ou soluções encontradas foram
devidamente implementadas no laboratório, não pelo serviço feito mas por
alternativas melhores que não dispunham de qualquer mão de obra.
Um caso que vale ressaltar é do shutters mecânicos aqui explicitados,
enquanto foram confeccionados vários shutters acústicos e drivers para acompanhar
estes e as especificações dos mesmos foram melhores até do que os shutters
antecedentes, os shutters escolhidos para integrar ao novo experimento do laboratório
será baseado em íris de camera fotográfica, opção que não era viável até a introdução
do mesmo por um professor coloaborador externo. Neste caso o shutter baseado em
iris é melhor em quase todos os aspectos, mas o fundamental é o tempo de vida quase
vitalício, pois se acionamento ocorre eletromecanicamente, enquanto no shutter
acústico a atuação era eletromagnética por imãs permanentes, que após certo tempo
de uso tornavam-se impossibilitados devido ao acúmulo de patriculado entre os imãs.
Outro ponto importante é a padronização dos métodos laboratoriais, pois isso
facilita e consolida a informação em um laboratório. Isso pode ser visto pela
caracterização do sensor de efeito Hall. O método empregado nesta caraterização fora
julgada exemplar e o relatório confeccionado a partir do mesmo também. Assim,
embora houve a caracterização de apenas um sensor de efeito Hall, todos os demais
adquiridos pelo laboratório serão caracterizados da mesma maneira, seguindo o
roteiro elaborado e descrito aqui. Isso garante a gestão do conhecimento do
laboratório, fator de extrema importância devido a rotatividade de alunos,
colaboradoes e pós-graduandos, assim como permite o acesso rápido a informações
relevantes ao laboratório, tanto atuais como passadas.
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Conclusões Finais– Vitor De Angeli Camargo
Vitor De Angeli Camargo Bolsista
Philippe Wilhelm Courteille Orientador
5. Conclusões Finais Toda a fase inicial do projeto desenvolvida tem como objetivo o preparo para
lidar com questões mais complexas que foram desenvolvidas nos últimos meses pelo
mesmo no laboratório. Sem dúvido o preparo foi alcançado, pois além de possuir
conhecimento nas áreas de eletrônica, circuitagem, hidráulica, entre outras foi-se
constatado a capacidade de realizar caracterização e manutencão dos componentes
ópticos do laboratório além de possuir base em eletromagnetísmo, eletrônica, ótica
gaussiana, física atômica e manutenção laboratorial. Juntando todos os projetos feitos
e em andamento com o conhecimento acumulado pelo projeto acredita-se que eu
esteja preparado para envolver-se mais a fundo nos experimentos realizados pelo
laboratório, assumir responsabilidades cada vez maiores e encarar desafios mais
complexos mais adiante na sua graduação. Vale ressaltar que o trabalho e o tempo por
ele gastos no laboratório não apenas geraram conhecimento técnico e profissional mas
também pessoal por causa do envolvimento de outros profissionais no laboratório,
como pesquisadores estrangeiros itinerantes, contato com culturas diferentes, pessoas
diferentes, línguas diferentes que sem dúvida também geraram valores imensuráveis.
Relatório de Atividades de Iniciação Científica Referências – Vitor De Angeli Camargo
6. Referências [1] “Assembling a low-cost mechanical laser shutter”, Max Planck Institut, Gerhard
Zuern, Mai 2007.
[2] K. Singer, S. Jochim, M. Mudrich, A. Mosk and M. Weidemueller Rev. Sci.
Instrum. 73, 12 (2002).
[3] Nahin, Paul J. (2002). Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an
Electrical Genius of the Victorian Age. ISBN 0-8018-6909-9.
[4] Electrical connector. US Patent 2,540,012 by Octavio M. Salati
[5] BNC Connector specifications, Amphenol Connex
[6] http://www.cmpter.com/connectorsclass.asp?cid=20
[7] Thyagarajan, K. and Ghatak, Ajoy K. (2007). Fiber Optic Essentials. Wiley-
Interscience. pp. 34–. ISBN 978-0-470-09742-7.
[8] Tyndall, John (1870). "Total Reflexion". Notes about Light.
[9] Ed Ramsden (2006). Hall-effect sensors: theory and applications (2, illustrated
ed.). Elsevier. ISBN 0-7506-7934-4.
[10] R. S. Popović (2004). Hall effect devices (2, illustrated ed.). CRC Press. ISBN 0-
7503-0855-9.