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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

Relatório de Atividades de Iniciação Científicastrontium/Publication/Thesis/VitorCamargoReport.pdf · O projeto envolve montagens experimentais complexas juntando áreas de conhecimento

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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

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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  

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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.

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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.  

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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.

         

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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

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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– 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.  

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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

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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

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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

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– 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

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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

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Relatório de Atividades de Iniciação Científica Atividades, Metodologia e Resultados Obtidos

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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.