Construção de Um Espectrofotômetro Como...

Rodrigo Ferreira Rogovski

Construção de Um EspectrofotômetroComo Metodologia Didática

Sinop-MT, Brasil

2014


Construção de Um Espectrofotômetro ComoMetodologia Didática

Trabalho de Conclusão de Curso apresen-tado à Banca Examinadora do Departa-mento de Matemática - UNEMAT, Cam-pus Universitário de Sinop, como requisitoparcial para a obtenção do título de Li-cenciado em Matemática.

Universidade do Estado de Mato Grosso – Unemat

Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas

Programa de Graduação

Orientador: Daniel Valim dos Reis Júnior

Sinop-MT, Brasil2014


Construção de Um Espectrofotômetro ComoMetodologia Didática

Trabalho de Conclusão de Curso apresen-tado à Banca Examinadora do Departa-mento de Matemática - UNEMAT, Cam-pus Universitário de Sinop, como requisitoparcial para a obtenção do título de Li-cenciado em Matemática.

Trabalho aprovado. Sinop-MT, Brasil, 27 de novembro de 2014.

Daniel Valim dos Reis JúniorOrientador

Universidade do Estado de Mato Grosso

Silvio Cesar Garcia GranjaProfessor avaliador


André do Amaral Penteado BíscaroProfessor avaliador


Odacir Elias Vieira MarquesProfessor da Disciplina de Seminários IVUniversidade do Estado de Mato Grosso

À minha amada Rosângela e sua família, aos meus pais e minha sobrinha AnaClara, que ela faça as escolhas mais sábias possíveis e ponderadas em sua jornada.Atodos que um dia sonharam em ser cientistas, astrônomos ou astronautas e que avida leva por caminhos, cujas escolhas, nem sempre são aquelas que desejamos.

A amigos de outrora e a todos que não tive a chance de dizer obrigado.

Rogovski

Agradecimentos

A todos que contribuíram direta ou indiretamente em minha jornada e queainda continuam a contribuir. Em especial aos amigos de estudos no decorrer docurso que levarei comigo na jornada da vida, André Mendonça de Moraes, Iria MariaEgewarth, Lucimara Pelizari, Paula Regina Aliberti, Renata Rodrigues, Rui Ogawa,Silvanir Rezer, Waldimaria Cunha Damacena, William Bizerra, William Foschiera,Yara Ribeiro da Silva e outros que infelizmente não me lembro no momento. Aosprofessores(as) Chiara Seidel, Denizalde Jesiél Rodrigues Pereira, Egon WalterWildauer, Hércules Ximenes, Nadisson Pavan, Raul Abreu de Assis, Silvo CesarGarcia Granja e Vera Lúcia Vieira de Camargo pelo forma como compartilhamseus conhecimentos e me inspiraram. Aos amigos Antonio Cesar Gomes da Silva,Cícero Gomes da Silva, Francisco Maciel, Francisco Oiveira, Itamar Bazan, KarineBarcellos, Marcio Lima dos Santos, Osmar Gonzaga da Costa e Ulisses Piareti. Aoorientador Daniel Valim pela ajuda e paciência.

Rogovski

“O Cosmos pode ser densamente povoado de seres inteligentes, mas a liçãodarwiniana é clara: não haverá seres humanos em outros locais. Somente aqui,neste pequeno planeta. Somos uma espécie tão rara quanto perigosa. Se um ser

humano discordar de você, deixe-o viver. Em cem bilhões de galáxias, nãoencontrará nenhum outro.”

Carl Sagan, O Cosmos

“Moralmente, é tão condenável não querer saber se uma coisa é verdade ou não,desde que ela nos dê prazer, quanto não querer saber como conseguimos o dinheiro,

desde que ele esteja na nossa mão.”Edmund Way Teale

ResumoEste trabalho tem por objetivo o estudo da óptica física através do uso de tecnologiadisponível e acessível para a construção de um espectrofotômetro, do qual foi nossoinstrumento de estudo, com sua construção e a metodologia do V de Gowin,possibilitando a interação entre teoria e prática seguindo os princípios básicospara o funcionamento desse instrumento e seu uso como uma proposta didáticapara o ensino da óptica física que possibilite a contextualização do conhecimentotecnológico e científico além da interdisciplinaridade. Inicialmente apresentamos abase teórica que será usada na prática para a construção do espectrofotômetro, quetem componentes provenientes de peças de impressoras e computadores inativos eum microcontrolador Arduino que faz o controle desses componentes, enviando erecendo dados pelo computador através de um programa com uma interface gráfica,criado para este trabalho, que se comunica com o Arduino repassando comandospara assim executar funções previamente programadas em sua memória flash. Deforma satisfatória, aplicamos as teorias necessárias para a prática e confecção doespectrofotômetro possibilitando a compreensão dos conceitos da óptica física.

Palavras-chaves: óptica, física, arduino, difração, espectrofotômetro

AbstractThis work aims to study the optical physics through the use of available and af-fordable technology to build a spectrophotometer, which was our study instrument,with its construction and the methodology of V Gowin, enabling the interactionbetween theory and practice following the basic principles for the operation of thisinstrument and its use as a didactic proposal for the optical physics teaching thatenables the context of technological and scientific knowledge beyond interdisci-plinarity. Initially we present the theoretical basis that will be used in practice forthe construction of the spectrophotometer, which has components from parts of in-active printers and computers and an Arduino microcontroller makes the control ofthese components, sending and recendo data by the computer through the programwith a GUI, created for this work, which communicates with the Arduino passingcommands to run so pre-programmed functions in its flash memory. Satisfactorily,we apply the theories necessary for practice and making the spectrophotometerenabling the understanding of optical physics concepts.

Key-words: optical, physical, arduino, diffraction, spectrophotometer

Lista de ilustrações

Figura 1 – V de Gowin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Figura 2 – Movimento Harmônico Simples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Figura 3 – Onda transversal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 4 – Onda longitudinal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 5 – Parâmetros de uma onda senoidal. . . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 6 – Ondas, no domínio do tempo(vermelho) e no domínio da frequên-

cia(azul). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Figura 7 – Ondas dos domínios do tempo e da frequência relacionadas. . . 25Figura 8 – Espectro visível. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Figura 9 – Onda eletromagnética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Figura 10 – Comprimento da onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 11 – Rede de difração. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 12 – Número de ordem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 13 – Diagrama espectrofotômetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 14 – Cubeta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 15 – Esquema espectrofotômetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Figura 16 – Calculando as ranhuras do CD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Figura 17 – Espectro produzido pelo CD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 18 – Arduino Mega 2560. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 19 – Ambiente de desenvolvimento do Arduino. . . . . . . . . . . . . 44Figura 20 – Ligações dos componentes com o Arduino. . . . . . . . . . . . . 45Figura 21 – Caixa onde receberá as peças. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 22 – Motor de passo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 23 – Caixa montada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 24 – Caixa montada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 25 – Caixa em uso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 26 – Interface do programa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Lista de tabelas

Tabela 1 – Análise das Ranhuras do CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Tabela 2 – Comprimento de onda das cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Tabela 3 – Espectro produzido pelo CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Tabela 4 – Características do Arduino Mega 2560 . . . . . . . . . . . . . . 42

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1 Ondas: Conceitos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2 Domínio do tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3 Domínio da frequência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4 A Luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.5 Radiação e onda eletromagnética . . . . . . . . . . . . . . . . 262.6 Óptica Física: Breve descrição de interferência e difração . . 282.7 Redes de Difração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3 ESPECTROFOTÔMETROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.1 Componentes de um espectrofotômetro . . . . . . . . . . . . 33

4 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1 Resolução da rede de difração . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.2 Construção e Funcionamento do Espectrofotômetro Como

Recurso Didático Para Ensino de Óptica Física . . . . . . . . 404.3 Montagem do protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.4 Programação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.5 Avaliação dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

APÊNDICES 54

APÊNDICE A – . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

APÊNDICE B – CÓDIGO C# PARA A INTERFACE DOPROGRAMA . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

ANEXOS 63

ANEXO A – TABELA DE RESISTORES . . . . . . . . . . . 64

ANEXO B – DATASHEET LDR . . . . . . . . . . . . . . . . 69

ANEXO C – DATASHEET LED . . . . . . . . . . . . . . . . 71

ANEXO D – DATASHEET AMPLIFICADOR OPERACIONAL 76

1 Introdução

Geralmente o ensino de Física é todo construído em torno de conceitosabstratos e modelos teóricos com pouco ou nenhum auxílio de experimentos ouatividades experimentais relacionadas a compreensão e fixação dos conceitos. Alémdisso o ensino da óptica é quase todo fundamentado no modelo da óptica geométrica,sem compreender a importância da óptica física por exemplo.

Ao estudar a luz o aluno poderia se deparar com a dualidade onda/par-tícula, onde a luz é caracterizada como onda eletromagnética ou como partícula,dependendo da abordagem experimental, mas geralmente não é assim que acontece.O ensino estanque e limitado da óptica no Ensino Médio acaba por distanciar oestudante de um dos objetivos dos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN - parao Ensino Médio, Brasil (2000, p. 18) que é a relação dos conhecimentos científicose as respectivas tecnologias relacionadas (conforme artigo 35, parágrafo IV). Assimpara atender os PCN’s um tipo de atividade que pode ser proposta é a construçãode um espectrofotômetro, um equipamento que obtém o espectro da luz.

Em termos científicos, espectro é a representações de amplitudes ou inten-sidades das ondas com relação a frequência ou comprimento de onda. E o ramoda ciência que estuda os espectros é denominado espectroscopia. Podemos dizerque a espectroscopia começou com a observação do espectro solar feita por IsaacNewton em 1672 com os resultados de seus experimentos com a decomposição daluz, lançando bases para novas teorias a respeito da natureza da luz visível.

Outros cientistas envolvidos no conhecimento aplicado na espectroscopiasão Robert Wilhelm Bunsen e Gustav Kirchhoff, onde seus trabalhos foram degrande importância para a concepção do instrumento de medição do espectro daluz, o espectroscópio (SKOOG et al., 2006, p. 677), bem como James Clerk Maxwellno conceito de onda eletromagnética (BERNARDO, 2009, p. 606).

Com o conhecimento tecnológico atual e o surgimento de novas tecnologias,equipamentos de análise espectral possuem o mesmo funcionamento básico dosprimeiros, mas com componentes cada vez mais sofisticados possibilitando melhores

Capítulo 1. Introdução 13

resultados com rapidez e precisão. Esses conhecimentos tem uma significativacontribuição para a descoberta de novos elementos químicos e da constituiçãodos astros. Um exemplo é o veículo robótico Curiosity, onde foi publicado narevista Pesquisa FAPESP1 alguns de seus detalhes, que está equipado com umespectrômetro a laser e outros oito instrumentos para explorar e investigar o planetaMarte, cuja função de seu espectrômetro é revelar a composição de amostras dosolo de Marte. Para que isso seja possível, o espectrômetro vaporiza o materialcom uma alta quantidade de energia, fazendo com que a amostra comece a perderenergia depois de um tempo e, assim, passar a emitir fótons ou ondas de luz. Comessas informações é possível saber do que é feito o material analisado, pois cadaelemento da tabela periódica emite sempre a mesma frequência de onda.

A composição básica de componentes utilizados em espectroscopia deno-minados espectrômetros, ou espectrofotômetros, são três, uma fonte, um monocro-mador e um detector.

Nossa proposta inicial era criar um espectrofotômetro seguindo os princípiosbásicos para o seu funcionamento, uma aplicação prática da teoria, com recursosque estivessem disponíveis e de fácil acesso à professores e acadêmicos, com ointuito de atuar como uma possível ferramenta pedagógica interdisciplinar e decontextualização para a compreensão de fundamentos científicos e tecnológicos,mesclando teoria com a prática. No entanto a finalização do espectrofotômetronão aconteceu devido a alguns problemas técnicos com o sensor que faria a leiturado comprimento de onda, mas isso não fez com que a aplicação teórica e práticaficasse comprometida.

Dessa forma iniciou-se o projeto de construção de um espectrofotômetroque segundo Lüdke (2010) é um passo importante para estudo experimental deespectroscopia, tal como é usado nos cursos acadêmicos de físico-química e químicaanalítica.

Para a realidade do ensino médio, um projeto como esse poderia ser usadocomo um meio de instigar o estudante a desenvolver competências na área deCiências da Natureza, conforme os PCN’s, bem como desenvolver conceitos paraentender idéias científicas mais sofisticadas, possibilitando ainda um aprendizado1 Pesquisa FAPESP, edição 200, outubro de 2012


interdisciplinar. E Lüdke (2010) conclui que:

A alta repetitividade e reprodutibilidade desse experimentojustifica a sua adoção na prática de ensino de biofísica paraciências da saúde e interdisciplinares, onde as limitações detempo e orçamento são agravantes na qualidade do ensino defísica em ambientes interdisciplinares.

A utilização de conceitos físicos e matemáticos para o funcionamento deum espectrofotômetro, tem grande importância na Química e Astronomia, bemcomo a valorização do conhecimento em relação ao mundo moderno.

Como principais componentes para a criação do nosso protótipo adotamos omicrocontrolador Arduino2 e componentes eletrônicos de sucatas de computadorese impressoras. O Arduino é uma plataforma para protótipos eletrônicos open-source baseado na flexibilidade, hardware e software de fácil uso. É indicado paraartistas, designers, amadores e qualquer um interessado em criar objetos e ambientesinterativos.

O Arduino pode receber como entrada sinais de uma variedade de sensorese também como saída sinais para controladores, motores e outros atuadores. Omicrocontrolador na placa é programado usando uma linguagem de programaçãoprópria para o Arduino (baseada em Wiring) e o ambiente de desenvolvimentoArduino é baseado no Processing. seus projetos podem ser stand-alone ou podemcomunicar com software rodando em um computador.

A metodologia de pesquisa usada neste trabalho consistiu mais em pesquisametodológica que bibliográfica. Por essa razão organizou-se todo o escopo destamonografia no conhecido esquema do “V” Epistemológico de Gowin(conformeapresentado por D. Bob Gowin em 1977). No "V"de Gowin o domínio conceituale o métodológico são organizados de forma a responder uma questão central,com o intuito organizar a pesquisa em torno de um processo de construção doconhecimento. Trata-se portanto de um procedimento heurístico para organizaçãodo processo de construção do conhecimento a partir de um conjunto de cincoquestões(FERRACIOLI, 2005):2 Site oficial: <http://www.arduino.cc>

http://www.arduino.cc


1. Questão básica de pesquisa.Qual é a questão foco do trabalho?

2. Conceitos-chave e estrutura conceitual.Quais os conceitos-chave envolvidos no estudo?

3. . Métodos.Quais os métodos utilizados para responder às questões básicas?

4. Asserções de conhecimento.Quais os resultados mais importantes do trabalho?

5. Asserções de valor.Qual a significância dos resultados encontrados?

O esquema adaptado para este trabalho pode ser visto pela figura Figura 1.

Pelo esquema do V Gowin apresentado neste trabalho as questões a seremrespondidas foram organizadas de forma a responder a pergunta central: Como semede o comprimento de onda da luz?

A organização do trabalho busca a fundamentação teórica necessária(Capítulos1 e 2), bem como o desenvolvimento metodológico(Capítulo 3 e Conclusão). Deforma que o subproduto de tudo isso é a aprendizagem da Ótica Física.


Figura 1 – V de Gowin.

Domínio

Conceitual

Domínio

Metodológico

Como se mede a frequência da luz

incidente?

Interação contínua entre os dois

lados

Filosofia: A observação e a

experimentação baseadas em

teorias são formas de aprofundar

o conhecimento.

Teoria: Optíca Física e a Teoria

Eletromagnética

Conceitos:Luz, Redes de Difração, Difração,

Interferência e Lei de Beer.

Eventos: ao selecionar um comprimento de onda, sua

incidência de entrada é diferente da incidência de saída,

dependendo da amostra analisada.

Asserções de Valor: a construção

e o experimento de um

espectrofotômetro ajuda a

clarificar os conceitos, leis e

fenômenos nele envolvidos.

Asserções de Conhecimento:

Comprimento de onda e Lei de Beer.

Resultados: valores dos comprimentos de onda,

absorbância e transmitância.

Fonte: Elaborado pelo autor

2 Fundamentação Teórica

Trata-se nesse capitulo um breve resumo dos conceitos físicos necessáriospara o desenvolvimento, bem como uma assimilação e compreensão da teoriarelacionada com a prática, apresentando de forma rápida um pouco do contextohistórico e a evolução dos estudos sobre da natureza da luz até à óptica moderna.

2.1 Ondas: Conceitos básicosPara desenvolver os estudos das características intrínsecas à luz é impossível

sua abordagem sem os conceitos de ondas, essas que, por sua vez, são um assuntode grande importância na física devido suas aplicações e sua natureza, permitindo ahumanidade desenvolver meios de comunicação tão velozes que podemos ter notíciasem tempo real. Mais precisamente, uma onda é uma oscilação coletiva de partículas,o que lembra um movimento periódico ou movimento harmônico, um movimentoque se repete em intervalo regular, onde uma partícula se movimenta rapidamentede um lado para outro em relação ao eixo x. Matematicamente, Halliday, Resnicke Walker (2009), representa-a como:

x(t) = xm cos(ωt+ φ) (1)

Em que:

x(t) é o deslocamento no instante t;xm é a amplitude;ω é a frequência angular;t é o tempo;φ é a constante de fase ou ângulo de fase;ωt+ φ é a fase.

Capítulo 2. Fundamentação Teórica 18

Pode-se dizer que uma onda é uma perturbação em um meio que vibra aolongo do eixo y e se propaga no eixo x.

Sendo A, a amplitude das vibrações da corda em movimento harmônicosimples, cuja a propagação efetuada ao longo de x determina o movimento ondula-tório. Um movimento ondulatório é formado por um movimento harmônico simples(MHS) e um movimento uniforme, ou seja (COELHO, 1993, p. 19):

• MO = MHS + MRU, onde:

• MO - Movimento ondulatório;

• MHS - Movimento harmônico simples;

• MRU - Movimento retilíneo uniforme;

A função de uma onda é uma função de duas variáveis tais como:

y = y(x, t) (2)

• Frequência: É o número de oscilações por segundo e sua medida, pelo SistemaInternacional de Unidade, é dada em hertz (Hz);

• Amplitude: É o valor máximo de x(t) que corresponde os picos de +xm e−xm;

• Tempo ou Período: é o tempo necessário para completar uma oscilaçãocompleta;

• Frequência angular: é uma taxa de variação de uma grandeza angular;

• Constante de fase ou ângulo de fase: é uma constante que depende davelocidade e deslocamento da partícula no instante t = 0. Indica em queposição a partícula se encontra no ciclo de movimento.


Figura 2 – Movimento Harmônico Simples.

Fonte: Halliday, Resnick e Walker (2009)

Uma onda, que também apresenta características de um movimento harmô-nico simples, é uma perturbação oscilante, caracterizada pelo comprimento de ondae o tempo, grandezas que estão relacionadas pela velocidade de propagação daonda.

Os tipos de ondas podem ser:

Ondas mecânicas: Essas ondas são as mais familiares porque asencontramos constantemente. Entre elas estão as ondas do mar,as ondas sonoras e as ondas sísmicas. Todas essas ondas pos-suem duas características: são governadas pelas leis de Newtone apenas existem em um meio material, como água, o ar ou asrochas;Ondas eletromagnéticas: Essas ondas podem ser menos familia-res, mas estão entre as mais usadas; exemplos importantes sãoa luz visível, a luz ultravioleta, as ondas de rádio e as de tele-visão, as microondas, os raios X e as ondas de radar.Estas nãoprecisam de um meio material para existir. As ondas luminosasprovenientes das estrelas, por exemplo, atravessam o vácuo doespaço para chegar até nós. Todas as ondas eletromagnéticas sepropagam no vácuo com a mesma velocidade c = 299 792 458m/s.Ondas de matéria: Embora essas ondas sejam usadas nos labo-ratórios, provavelmente o leitor não está familiarizado com elas.


Estão associadas a elétrons, prótons e outras partículas elementa-res, e mesmo a átomos e moléculas. Elas são chamadas de ondasde matérias porque normalmente pensamos nessas partículascomo elementos básicos da matéria (HALLIDAY; RESNICK;WALKER, 2009).

Uma onda pode ser transversal(Figura 3) ou longitudinal(Figura 4), sendoque uma associação com o movimento transversal é movimento de um pulso geradoem uma corda, como um ponto que se movimenta para cima e para baixo aolongo da corda, já o movimento longitudinal está para uma onda sonora, pois sãoparalelas à direção de propagação.

Figura 3 – Onda transversal.

Figura 4 – Onda longitudinal.


Outro aspecto sobre as ondas são seu comprimento e frequência, ondeHalliday, Resnick e Walker (2009) diz:

Para descrever perfeitamente uma onda em uma corda (e o movi-mento de qualquer elemento da corda), precisamos de uma funçãoque forneça a forma da onda. Isso significa que necessitamosde uma relação da forma y = h(x, t), onde y é o deslocamentotransversal de um elemento da corda e h é uma função do tempot e da posição x do elemento da corda. Toda a forma senoidalcomo o da onda na Figura 3(Onda senoidal), pode ser descritatomando h como uma função seno ou uma função cosseno; ambasfornecem a mesma forma para a onda. Vamos usar a funçãoseno.Imagine uma onda senoidal como na Figura 3(Onda senoidal) se


propagando no sentido positivo de um eixo x. Quando a ondapassa por elementos sucessivos (ou seja, por partes muitos pe-quenas) da corda os elementos oscilam paralelamente ao eixo y.Em um certo instante t o deslocamento y do elemento da cordasituada na posição x é dada por:

y(x, t) = ymsen(kx− ωt) (3)

Em que:

y(x, t) é o deslocamento;ym é a amplitude;ω é a frequência angular;t é o tempo;sen(kx− ωt) é fator oscilatório;(kx− ωt) é a fase.

Figura 5 – Parâmetros de uma onda senoidal.


k é o número de onda e λ é o comprimento da onda, pois se tomarmos emt = 0 da Equação 3, temos:

y(x, 0) = ymsen(kx) (4)


Por definição, o deslocamento y é o mesmo nas duas extremidades docomprimento de onda, ou seja, em x = x1 e x = x1 + λ(HALLIDAY; RESNICK;WALKER, 2009).

ymsen(kx1) = ymsen(x1 + λ) = ymsen(Kx1 + kλ) (5)

Uma função seno começa a se repetir quando o seu ângulo (ou argumento)aumenta de 2πrad(HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2009). Assim temos:

k = 2πλ

(6)

λ = 2πk

(7)

Também temos o período e a frequência de uma onda, onde esses estãorespectivamente ligados aos domínios de tempo e frequência. Para um período Tde uma oscilação temos como o tempo que um elemento da corda leva para realizaruma oscilação completa. A frequência f de uma onda é definida como 1/T e estárelacionada à frequência angular ω (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2009),de forma que podemos ver o movimento da corda em um movimento harmônicosimples na Equação 3 com x = 0, assim:

y(0, t) = ymsen(−ωt) = −ymsen(ωt) (8)

Para o período T , vem que:

−ymsen(ωt1) = −ymsenω(t1+T ) = −ymsen(ωt1+ωT ) (9)

Cuja a equação acima é satisfeita apenas se ωT = 2π, ou ω = 2πT

e como

f está relacionada com a equação de ω, temos que f = 1T

= ω

2π (HALLIDAY;RESNICK; WALKER, 2009).


2.2 Domínio do tempoNos domínio do tempo temos, conforme (WIKIPÉDIA, 2014b) e (WIKI-

PÉDIA, 2014a) que:

Domínio do tempo é um termo usado em análise de sinais paradescrever a análise de funções matemáticas com relação ao tempo.No domínio do tempo, o valor da função é conhecido em cadainstante, no caso de tempo contínuo, ou em vários instantesseparados, no caso de tempo discreto. O osciloscópio é umaferramenta comumente usada para visualizar sinais do mundoreal no domínio do tempo, enquanto um analisador de espectroé uma ferramenta usada para visualizar sinais no domínio dafrequência. Falando não tecnicamente, um gráfico no domíniodo tempo mostra como um sinal varia ao longo do tempo; emcontraste, um gráfico no domínio da frequência, comumentechamado de espectro de frequências, mostra quanto do sinalreside em cada faixa de frequência.

2.3 Domínio da frequênciaJá para o domínio da frequência, segundo o (WIKIPÉDIA, 2014a):

Em análise de sinais, domínio da frequência designa a análise defunções matemáticas com respeito à frequência, em contraste coma análise no domínio do tempo. A representação no domínio dafrequência pode também conter informação sobre deslocamentosde fase.

Em outras palavras, no domínio da frequência estamos interessados narelação amplitude x frequência da onda, ou quantas ondas existem em uma dadafaixa de frequência, e quais são as frequências centrais em cada uma delas. Nesteaspecto o gráfico do domínio da frequência assemelha-se a representação de oscila-dores, e por essa razão é que a espectroscopia é utilizada para estudos de vibraçõesatômicas, e/ou outras interações da radiação com a matéria.

Na Figura 6, o gráfico em azul representa o domínio da frequência, cujoeixo x representa a frequência e o eixo y a amplitude. Já o gráfico em vermelhorepresenta a superposição de todas as ondas para formar a onda quadrada.


Figura 6 – Ondas, no domínio do tempo(vermelho) e no domínio da frequên-cia(azul).

Fonte: Wikipédia (2014b)

Figura 7 – Ondas dos domínios do tempo e da frequência relacionadas.

Fonte: Wikipédia (2014b)

2.4 A LuzFilósofos gregos como Aristóteles e Platão já se preocupavam com questões

relacionadas a natureza da luz e como podemos ver os objetos. Uma das afirmaçõesde Platão era de que nossos olhos emitiam partículas que ao atingirem os objetos


esses tornavam-se visíveis. No entanto, ainda continuava sendo um mistério, poishaviam vários fenômenos que ainda ficavam sem explicação. E naturalmente, com opassar do tempo, novos estudos sobre a sua natureza foram realizados por diversoscientistas Galileu, Roemer, Newton, Huyghens, Doppler, Young, Fizeau, Foucault,Michelson, Hertz, Maxwell, Landell, Marconi, Kirchhoff, Bunsen e De Broglie sãoalguns dos nomes que contribuíram para a compreensão da natureza da luz. Algunsdeles se dedicaram a medir a velocidade da luz (MÁXIMO; ALVARENGA, 2012,p. 189), estabelecida como c = 2, 997925 × 108 m/s enquanto outros estudavamoutros aspectos de sua propagação e sua composição. Realizando experimentos comum prisma Newton pode observar a refração da luz branca gerando um conjunto decores denominado por ele como spectrum. Ainda apresentou um modelo corpuscularda luz para explicar a reflexão e a refração. Após a divulgação dessas ideias, Newtonencontrou forte oposição do físico inglês Hooke, fazendo Newton isolar-se. Após 14anos, por insistência de um amigo, Newton publica sua obra Princípios Matemáticosda Filosofia Natural e após a morte de Hooke publica Opticks. Fala sobre a naturezada luz e a teoria das cores dos corpos, da qual apresentava ideias sobre a composiçãoda luz branca. (MÁXIMO; ALVARENGA, 2012, p. 238). No entanto, Huygenspropôs, em seu Tratado da Luz (BÔAS; DOCA; BISCUOLA, 2010, p. 234) ummodelo ondulatório da luz, provocando a divisão de opiniões entre os dois, quesó no século XIX foi esclarecida por Maxwell como uma onda eletromagnética(HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2009, p. 2), e que a óptica, o estudo da luzvisível, é um ramo do eletromagnetismo. Hertz, inspirado pelas previsões teóricasde Maxwell, descobriu o que hoje chamamos de ondas de rádio.

2.5 Radiação e onda eletromagnéticaDe acordo com Halliday, Resnick e Walker (2009, p. 2), James Clerk

Maxwell, em meados do século XIX, teve grande contribuição ao mostrar queum raio luminoso é uma onda progressiva de campos elétricos e magnéticos (umaonda eletromagnética), e que na sua época a luz visível e os raios infravermelhos eultravioleta eram as únicas ondas eletromagnéticas conhecidas, compondo assim, oespectro, que é uma representação das amplitudes ou intensidades das componentesondulatórias de um sistema, quando discriminadas umas das outras em função de


suas respectivas frequências ou comprimento de onda. Hoje o espectro de ondaseletromagnéticas é bem mais extenso, como indica a Figura 8.

Figura 8 – Espectro visível.

Fonte: Wikipédia (2014c)

Sua contribuição na astronomia pode ser ilustra de tal forma, como dizSagan (1996):

Maxwell se casou jovem, mas a união parece ter sido desapai-xonada e sem filhos. As suas emoções ficaram reservadas paraa ciência. Esse fundador da era moderna morreu em 1879, com47 anos. Embora esteja quase esquecido na cultura popular, osastrônomos de radar que mapeiam outros mundos se lembraramdele: a maior cordilheira em Vênus, que descobriram enviandoondas de rádio daqui da Terra, fazendo-as ricochetear em Vênuse detectando os ecos fracos, recebeu o seu nome.

A radiação eletromagnética é uma forma de energia que é transmitidaatravés do espaço à velocidades enormes que, em contraste com as ondas sonoras,não requer nenhum meio de suporte para a sua transmissão. Nesse caso o vácuo nãoimpede a propagação de energia e informação. A radiação eletromagnética podeser dividida em regiões como, raios γ, raios χ, ultravioleta/visível e infravermelho.

A radiação eletromagnética pode ser descrita como uma onda com propri-edades como seu comprimento de onda, frequência, velocidade e amplitude. Noentanto, o modelo ondulatório é falho ao considerar os fenômenos relacionadoscom a absorção e emissão de energia radiante, pois nesses processos utiliza-se


a dualidade onda-partícula. Na dualidade, a luz pode ser tratada como pacotesdiscretos de energia ou partículas chamadas fótons ou quanta. A perspectiva daradiação como partículas e como ondas são complementares, já que a energia deum fóton é diretamente proporcional a sua frequência. E ainda há os fenômenoscomo a reflexão, refração, interferência e difração pertinentes a natureza das ondaseletromagnéticas. Assim De Broglie apresenta a dualidade onda-particula parapartículas massivas.

Figura 9 – Onda eletromagnética.

Fonte: Skoog et al. (2006)

Figura 10 – Comprimento da onda.

Fonte: Skoog et al. (2006)


A radiação eletromagnética é representada como ondas constituídas de umcampo elétrico e um campo magnético que oscilam e são perpendiculares entre si(Figura 9). O campo elétrico para uma dada frequência oscila de forma senoidalno espaço e no tempo, sendo que o campo elétrico é proporcional à intensidade docampo magnético.

Essa onda, comumente chamada de senoidal ou harmônica, pode ser descritacomo:

E = Emsen(kx− wt) (10)

B = Bmsen(kx− wt) (11)

Onde Em e Bm são as amplitudes dos campos. As duas ondas estãoperpendiculares e tem um comprimento de onda λ ( = 2π

k), conforme apresentada

em Halliday, Resnick e Walker (2009, p. 671).

2.6 Óptica Física: Breve descrição de interferência e difraçãoSuas principais propriedades são reflexão, refração, difração e interferência,

onde Skoog et al. (2006, p. 671) diz:

Quando se lida com fenômenos como a reflexão, refração, in-terferência e difração, a radiação eletromagnética é modeladade forma conveniente como ondas constituídas de um campoelétrico e um campo magnético oscilantes e perpendiculares entresi.

A reflexão ocorre quando a luz incide sobre uma superfície que separaum meio onde ela se propaga de outro meio com propriedades distintas. Esteprocesso gera ondas que são refletidas para o meio de origem, mas parte da onda étransmitida pelo outro meio. Nesse caso, dizemos que a luz foi refratada ou sofreuuma refração. No caso da refração para a lei de reflexão:

θ′1 = θ1 (12)


O raio refletido está no plano de incidência e tem um angulo de reflexãoigual ao ângulo de incidência.

Para a lei de refração temos:

n2senθ2 = n1senθ1 (13)

O raio refratado está no plano de incidência e tem um ângulo de refraçãoθ2 que está relacionado ao ângulo de incidência θ1.

Podemos ainda reescrever a equação para:

senθ2 = n1

n2senθ1 (14)

A interferência é um fenômeno em que duas ondas se sobrepõem, resultandoem uma nova onda, podendo ter uma maior ou menor amplitude. Interferênciageralmente refere-se à interação de ondas que são correlacionadas ou concorrentesuma a outra, que provêm da mesma fonte ou porque elas têm a mesma ou quasea mesma frequência. Os efeitos de interferência podem ser observados com todosos tipos de ondas, por exemplo, luz, rádio, acústico, e as ondas de água em umasuperfície.

Também há o fenômeno da difração, que refere-se quando uma ondaencontra um obstáculo. Esse fenômeno é descrito como uma aparente dobra deondas em torno de pequenos obstáculos causando o espalhamento das mesmas.

A difração é um fenômeno associado a desvio de propagação e pode serobservada em todos os tipos de ondas. No cotidiano observamos a difração da luzquando se olha um tecido de trama fina contra uma lâmpada distante, ou olhamoso reflexo em um CD, ou mesmo ao olharmos para a Lua através de uma nuvem.Vemos faixas ou halos coloridos. Tudo isso devido à difração da luz por obstáculos(a trama, os sulcos do CD). Fazendo uma comparação entre a difração das ondassonoras e a eletromagnética, a onda proveniente do som é difícil de ser evitada,pois contorna obstáculos de tamanhos bem maiores, como as mobílias de uma salae preenchem todo o ambiente de maneira mais ou menos uniforme. Esta diferença


observada entre a difração das ondas sonoras e ondas eletromagnéticas é devida àdiferença entre os respectivos comprimentos de onda.

Os efeitos de difração são apreciáveis quando os obstáculos ou aberturas sãode dimensões comparáveis ao comprimento de onda. O cientista italiano FrancescoMaria Grimaldi cunhou a palavra difração e foi o primeiro a registrar observaçõesprecisas sobre o fenômeno, publicado postumamente em 1665 (BERNARDO, 2009,p. 323).

2.7 Redes de DifraçãoHalliday, Resnick e Walker (2009, p. 126) explica que, com um feixe

de luz monocromática incidindo em uma rede de difração, quando aumentamosgradualmente o número de fendas desde 2 até um número grande N, a intensidademuda por conta da interferência sofrida de novas, ondas geradas a partir das outrasfendas.

Figura 11 – Rede de difração.


Halliday, Resnick e Walker (2009) elucida que:

A distância d entre ranhuras vizinhas é chamada de espaçamentoda rede. (Se N ranhuras ocupam uma largura total w, d = w

N .)


A diferença entre as distâncias percorridas por raios vizinhosé dsenθ (Figura 11), onde θ é o ângulo entre o eixo central darede (reta que liga o centro da rede ao centro da Figura 11) e areta que liga a rede ao ponto P. Haverá uma linha em P se adiferença entre as distâncias percorridas por raios vizinhos forigual a um número de comprimentos de onda, ou seja, se

dsenθ = mλ, para m = 0, 1, 2, ...

onde λ é o comprimento de onda da luz. A cada número in-teiro m, exceto m = 0, correspondem duas linhas diferentes,simetricamente dispostas em relação à linha central. Assim, aslinhas podem ser rotuladas de acordo com o valor de m, comona Figura 12. Este valor é chamado de número de ordem e aslinhas correspondentes são chamadas de linha de ordem zero(alinha central, para qual m = 0), linhas de primeira ordem, linhasde segunda ordem e assim por diante.

Figura 12 – Número de ordem.


3 Espectrofotômetros

Espectrofotômetros são instrumentos capazes de registrar dados de ab-sorbância ou transmitância em função do comprimento de onda. Este registro échamado de espectro de absorção ou de espectro de transmissão, segundo o dadoregistrado. O espectro de absorção é característico para cada elemento químico,sendo possível a identificação desses elementos por seu espectro de absorção.

A característica mais importante dos espectrofotômetros é a seleção deradiações monocromáticas, o que possibilita inúmeras determinações quantitativasregidas pela Lei de Beer (SKOOG et al., 2006, p.678). Quando a região espectralusada é a ultravioleta/visível, são necessários componentes ópticos de quartzo edetectores altamente sensíveis, capazes de detectar radiações nessa extensa faixaespectral em que atua o instrumento.

3.1 Componentes de um espectrofotômetroOs espectrofotômetros, em geral, contêm cinco componentes principais:

fontes de radiação, monocromador, recipientes para conter as soluções, detectores eindicadores de sinal, como indica o fluxograma da Figura 13.

As fontes de radiação geralmente baseiam-se na incandescência, práticasno infravermelho e no visível, mas devem atuar em temperaturas elevadas na faixado ultravioleta. Essas fontes são constituídas por filamentos de materiais que sãoexcitados por descargas elétricas com elevada voltagem ou aquecimento elétrico,gerando uma fonte de radiação contínua para que emita todos os comprimentosde onda, dentro da região espectral utilizada e que tenha intensidade de potênciaradiante suficiente para que permita a detecção pelo sistema detector do espec-trofotômetro. Também deve ser estável, de modo que a potência radiante sejaconstante.

Capítulo 3. Espectrofotômetros 33

Figura 13 – Diagrama espectrofotômetro.


Os monocromadores tem como função a seleção do comprimento de ondadesejada para a análise da amostra. É constituído por uma fenda de entrada, umelemento de dispersão de radiação e uma fenda de saída. O elemento de dispersãopode ser um prisma ou uma rede de difração. Os recipientes são cubas ou cubetasretangulares de vidro ou quartzo. As cubetas de vidro são usadas quando se trabalhana região do visível. Para a região do ultravioleta, devem-se usar as cubetas dequartzo, que são transparentes à radiação ultravioleta, pois o vidro absorve amesma. Geralmente é usado uma cubeta de 1 cm, de forma a simplificar os cálculosda expressão da Lei de Beer, Equação 15. Um esquema para a cubeta é apresentadona Figura 14.

log I0

I= A = εcl (15)

I0 é a intensidade da luzI é a intensidade da luz que atravessouA é a absorbância


ε é a absorvidade molarc é a concentração do material absorvedorl é a espessura da amostra através da qual a luz passa

Figura 14 – Cubeta.


De acordo com a complexidade e o desempenho, os espectrofotômetrospodem variar de modelos simples mais sofisticados, cada qual equipados comsoftwares e componentes que estão relacionados com a faixa do comprimento deonda, a exatidão e a precisão requeridos para as análises. Para a detecção, umLDR (Light Dependent Resistor), pode ser usado em um espectrofotômetro UV-Vis,passando, assim, o sinal para o dispositivo de processamento de dados.


Figura 15 – Esquema espectrofotômetro.

Fonte: Wikipedia (2014)

4 Resultados

4.1 Resolução da rede de difraçãoA construção teve inicio com experimentos em um CD para uso como rede

de difração. Utilizamos um laser, para que pudéssemos descobrir a quantidade deranhuras nesse CD. Para tal, foi necessário proceder da seguinte forma: Providenciarum CD. Para facilitar as medições das ranhuras, retire a película metálica que ficaem uma das faces do CD. E também será necessário um laser, cuja medida docomprimento nominal de onda geralmente é de 650nm.

Procure uma superfície plana e um anteparo, que pode ser uma parede,por exemplo, e coloque o CD perpendicular à superfície e paralelo ao anteparo.Aponte o laser de forma que fique perpendicular ao CD, como na Figura 16. Comosuporte pode-se usar a própria capa dos CD.

Figura 16 – Calculando as ranhuras do CD.


Tirando as medidas e aplicando na equação:

dsenθ = mλ (16)

Capítulo 4. Resultados 37

Como queremos descobrir a densidade ranhuras no CD por milimetro,vamos isolar o d:

d = mλ

senθ (17)

No caso do senθ, veja que temos dois triângulos retângulos, assim podemoscalcular senθ usando um desses triângulos (Figura 16) como sendo:

senθ = X

h(18)

Usando o Teorema de Pitágoras temos que:

h2 = X2 +D2 (19)

Aplicando a raiz quadrada em ambos os lados temos:

h =√X2 +D2 (20)

Agora que sabemos o valor de h, podemos reescrever senθ como:

senθ = X√X2 +D2

(21)

Tirando as medidas de X e D com uma régua, podemos calcular o valorde senθ e, consequentemente, o valor de d, pois o valor de λ como sabemos é ocomprimento de onda do laser, que é de 650nm. Na Tabela 4 estão os valoresencontrados.

Agora como sabemos quantas ranhuras o CD tem por mm, vamos calcularo comprimento de onda de cada cor. Para isso será necessário o mesmo arranjo deantes, mas trocamos o laser por uma lanterna de LED, que foi a que usei para esseexperimento, mas pode ser qualquer fonte de luz. Também será necessário o usode uma lente para conversão da luz. Nesse caso usei uma lupa, que estará entre afonte de luz e a nossa rede de difração, que é o CD. Veja Figura 17.


Tabela 1 – Análise das Ranhuras do CD.Variáveis Medidasλ (Comp de onda laser) 650nmD (Distância do CD ao anteparo) 13cmX (Distância entre pontos de 1a ordem espec.) 6,8cmsenθ 0,463497527d(nm) 1402,38073nmd(mm = nm∗10−6) 0,001402381mm1/d (linhas/mm) 713,073118

Nas medidas espera-se encontrar um comprimento que esteja dentro dointervalo para cada cor conforme a Tabela 2

Figura 17 – Espectro produzido pelo CD.


Tabela 2 – Comprimento de onda das cores.

Cor Comprimento de onda (nm)Violeta 390-450Azul 450-490Verde 490-570Amarelo 570-590Laranja 590-620Vermelho 620-770

Realizando as medições com o espectro produzido pelo CD temos:


Tabela 3 – Espectro produzido pelo CD.

Cor X senθ Comprimento de onda (nm)Violeta 3,9 0,287 402,971Azul 4,6 0,333 467,804Verde 5,1 0,365 512,162Laranja 6,2 0,430 603,686Vermelho 6,7 0,458 642,459

Para conseguir o comprimento de onda das cores basta usar a equação:

dsenθ = mλ (22)

4.2 Construção e Funcionamento do Espectrofotômetro ComoRecurso Didático Para Ensino de Óptica FísicaO trabalho foi desenvolvido tratando os aspectos inerentes à construção de

um espectrofotômetro com o levantamento dos materiais para sua confecção, deforma a proporcionar a experimentação do fenômeno das ondas eletromagnéticas.

Após o embasamento e a revisão teórica necessária, iniciamos à construçãodo protótipo do espectrofotômetro, a fim de assimilar a teoria com a prática emtorno da confecção do espectrofotômetro e realizar os experimentos com a análisede algumas amostras. Apesar de não termos concluído o protótipo por problemascom o LDR, pretendíamos apresentar à comunidade acadêmica o espectrofotômetrojá finalizado e o seu roteiro para confecção com uma abordagem para proporcionaruma assimilação do conhecimento teórico com a prática juntamente com o Vde Gowin, vê a investigação científica como uma maneira de gerar estruturas designificados, ou seja, de conectar conceitos, eventos e fatos (GOWIN, 1981 apudMOREIRA, 2006, p. 62).


4.3 Montagem do protótipoPara a montagem do protótipo faremos uso do Arduino, para controle dos

componentes eletrônicos e leitura dos valores do sensor. Mas para quem não sabe oque é o Arduino, McRoberts (2011) explica que:

A placa do Arduino é composta de um microprocessador AtmelAVR , um cristal ou oscilador (relógio simples que envia pulsosde tempo em uma frequência especificada, para permitir suaoperação na velocidade correta) e um regulador linear de 5 volts.Dependendo do tipo de Arduino que você utiliza, ele tambémpode ter uma saída USB, que permite conectá-lo a um PC ouMac para upload ou recuperação dos dados. A placa expõe ospinos de entrada/saída do microcontrolador, para que você possaconectá-los a outros circuitos ou sensores.Para programar o Arduino (fazer com que ele faça o que vocêdeseja) você utiliza o IDE do Arduino, um software livre no qualvocê escreve o código na linguagem que o Arduino compreende(baseada na linguagem C). O IDE permite que você escrevaum programa de computador, que é um conjunto de instruçõespasso a passo, das quais você faz o upload para o Arduino. SeuArduino, então, executará essas instruções, interagindo com oque estiver conectado a ele. No mundo do Arduino, programassão conhecidos como sketches (rascunho, ou esboço).O hardware e o software do Arduino são ambos de fonte aberta,o que significa que o código, os esquemas, o projeto etc. podemser utilizados livremente por qualquer pessoa e com qualquerpropósito. Dessa forma, há muitas placas-clone e outras placascom base no Arduino disponíveis para compra, ou que podem sercriadas a partir de um diagrama. De fato, nada impede que vocêcompre os componentes apropriados e crie seu próprio Arduinoem uma matriz de pontos ou em sua PCB (Printed Circuit Board,placa de circuito impresso) feita em casa. A única ressalva quea equipe do Arduino impõe é que você não utilize a palavra“Arduino”. Esse nome é reservado à placa oficial. Daí a existênciade nomes para as placas-clone como Freeduino, Roboduino etc.

O modelo que utilizamos é o Arduino Mega 2560, do qual há mais memóriae também um número maior de pinos de entrada/saída em relação a modelos maispopulares como o Arduino UNO.


Figura 18 – Arduino Mega 2560.

Fonte: Arduino (2014)

Tabela 4 – Características do Arduino Mega 2560

Microcontrolador ATmega2560Tensão de funcionamento 5VTensão de entrada (recomendado) 7-12VTensão de entrada (limites) 6-20VPinos digitais I/O 54 (dos quais 15 oferecem saída PWM)Pinos de entrada analógica 16Corrente DC (CC) por pino I/O 40 mACorrente DC (CC) para pino 3.3V 50 mAMemória Flash 256 KB dos quais 8 KB usados pelo bootloaderSRAM 8 KBEEPROM 4 KBVelocidade de processamento 16 MHz

Fonte: Arduino (2014)

Embora no site do Arduino (2014) apresente a unidade de medida K (quilo,103 = 1000) o padrão pelo Sistema Internacional de medidas para prefixos bináriostem como unidade de medida Ki (kibi, 210 = 1024), nesse caso (INMETRO, 2012,p. 34).


Além do Arduino, procuramos uma alternativa para girar a rede de difração.Então, fizemos uso de um motor de passo de uma sucata de impressora. Também épossível conseguir esses motores em drives de CD/DVD, engrenagens de reduçãode drives de CD/DVD. Como fonte de luz usamos um LED branco de alto brilho,uma lupa como lente de convergência, papel paraná para a montagem de umacaixa onde ficariam presas as peças do protótipo, cola quente e cartolina preta pararevestir a caixa.

Para adquirir um Arduino é recomendável acessar o site oficial1 parasaber quais o seus revendedores autorizados. Um kit, com uma placa Arduino quegeralmente fica à sua escolha, tem seu valor em torno de R$ 200,00, variando deacordo com modelo da placa escolhida. Nesse kit, vem o básico para um iniciante,com ou sem nenhuma experiência em eletrônica começar a fazer seus primeirosprojetos, vários componentes, resistores, LEDs, LDR, transistores, entre outrascoisas.

Os modelos mais comuns costumam ser alimentados com uma tensão de5V, ligada diretamente à USB do computador, na qual também fará a transferênciado seu código, criado na IDE do Arduino, Figura 19, para a sua memória. Feitoisso, de acordo com o seu código, você pode interagir com o seu Arduino pela opçãodo "Serial Monitor", onde você deve selecionar a taxa de transmissão (baud rate)de acordo com o especificado em seu código.1 Site oficial: <http://www.arduino.cc>

http://www.arduino.cc


Figura 19 – Ambiente de desenvolvimento do Arduino.


Para o sensor LDR, criamos uma pequena caixa, na qual iria receber umaamostra para análise, por onde passa a luz difratada por uma pequena fenda,cujo sensor se encarrega de fazer a leitura para que depois possamos fazer asdevidas manipulações. No entanto o LDR não mostrou um bom resultado naleitura. Também tentamos utilizar um circuito amplificador com um LM741, masmesmo assim os resultados não foram satisfatórios, por isso na Figura 20 vemos oLDR ligado diretamente na entrada A0 do Arduino, qual faz a leitura do sensor.

Para uso do protótipo criamos o seguinte código para o Arduino (verapêndice A) e também uma interface em C# (ver apêndice B).

Do qual os componentes devem estar ligados da seguinte nas entradas esaídas do Arduino, usando os fios jumpers que vêm com o kit ou com qualquer outrotipo de fio que permita a ligação nas conexões do Arduino, conforme Figura 20.


Figura 20 – Ligações dos componentes com o Arduino.


A Figura 20 foi criada com o software livre, Fritzing. Ideal para quem desejarealizar projetos com o Arduino. Nessa figura vemos as ligações dos componentesaos respectivos conectores do Arduino.


Figura 21 – Caixa onde receberá as peças.


A caixa que receberá os componentes, Figura 21, que tem aproximadamente35 x 30 cm. Sua base é um peça de compensado e suas laterais são de papel paranáde 2mm de espessura e foi revestida com cartolina preta.

Figura 22 – Motor de passo.


O motor de passo (Figura 22) utilizado era de uma impressora, mas comoseu passo é maior do que precisávamos, utilizamos engrenagem de um drive deDVD como redução.


Figura 23 – Caixa montada.


Figura 24 – Caixa montada.


As Figura 23 e Figura 24, temos a disposição dos componentes do nossoespectrofotômetro.


Figura 25 – Caixa em uso.


Na Figura 25, vemos um teste sendo realizado para tomada de mediçõesda frequência incidente no LDR.

4.4 ProgramaçãoA escolha em usar o C#, (lê-se C Sharp), se deu por ser a linguagem da

qual estou mais apto e por fazer uso do .Net Framework. Que torna possível aexecução do aplicativo em qualquer sistema operacional Windows que tenha o .NetFramework instalado. No caso do Linux existe o Mono, que possibilita tanto aexecução quanto a criação de aplicativos em C#.

Uma visão geral sobre o C#, fornecida pela Microsot (2014), em seu site:

A sintaxe do C# é altamente expressiva, mas ela também é sim-ples e fácil de aprender. A sintaxe do C# será instantaneamentereconhecida por qualquer pessoa familiarizada com C, C++ ouJava. Os desenvolvedores que sabem qualquer uma dessas lingua-gens são geralmente capazes de começar a trabalhar de formaprodutiva com C# dentro de um tempo muito curto. A sintaxedo C# simplifica muitas das complexidades do C++ e fornecerecursos poderosos, como tipos de valor nulo, enumerações, dele-gações, expressões lambda e acesso direto a memória, que não sãoencontrados no Java. O C# suporta métodos e tipos genéricos,


que fornecem uma melhor segurança de tipo e desempenho, eiteradores, que permitem implementadores de coleções de classespara definir comportamentos de iteração personalizados que sãosimples de usar pelo código cliente. Expressões LINQ (consultaintegrada à linguagem) fazem a consulta fortemente tipada umalinguagem de construção de primeira classe.

Para detalhes do código usado para o Arduino e a criação da Interfaceverifique os apêndices A e B, respectivamente.

Figura 26 – Interface do programa.


4.5 Avaliação dos resultadosAnalisando todas as etapas envolvidas nesse trabalho pode-se ressaltar,

além dos resultados satisfatórios, melhorias para que futuras pesquisas tenham ummelhor êxito nas medições feitas com esse equipamento.

Como propostas de modificações para um melhor resultado final, sugere-seo uso de uma fonte de luz térmica ou uma que seja capaz de produzir um espectro


contínuo, pois o LED emite luz em três cores, mas como fonte luz para realizaçãodas medições da frequência da luz incidente, consideramos satisfatório o resultadoobtido.

Para o uso do LDR, é ideal que a cada passo realizado pelo motor, quecontrola o grau de inclinação da rede de difração, a função de leitura no códigodo Arduino, faça uma série de leituras para que apresente no programa em C#apenas a média dessas leituras.

Outro detalhe a ser observado é que cada motor de passo tem um com-primento de passo, que pode ser maior do que precisa-se, por isso fizemos uso dasengrenagem para reduzir ao máximo o grau de inclinação da rede de difração, queresponde ao mínimo movimento do motor. Fazendo com que o espectro de movaconsideravelmente.

Com a confecção do espectrofotômetro e o método, aplicando as teorias naprática, foi possível trabalhar a resolução da rede de difração e o cálculo indiretodo comprimento de onda das cores produzidas pela rede de difração, pois com aquestão básica do "V", percorremos vários conceitos e também propriedades físicase matemáticas usados para responder a questão básica, como se mede a frequênciada luz incidente?

Com os resultados foi possível fazer as asserções de conhecimento obtidocom melhor significância, pois o uso da teoria na prática possibilitou uma melhorcompreensão da óptica física, e a constatação, de como conhecimentos apresentadosde forma teórica, podem ser usados no nosso cotidiano e a interdisciplinariedadealcançada na construção do espectrofotômetro.

Também são resultados desse trabalho, os programas criados para realizaçãodas medições. Os códigos do Arduino, responsável pelo controle dos componentes donosso espectrofotômetro e do C#, responsável pelo envio e recebimento de dados.

Considerações Finais

Tendo em vista que este trabalho teve como objetivo o estudo da teoriaaplicada na construção de um espectrofotômetro com a intenção de transitar entreos domínios conceituais e metodológicos da matemática e da física, fazendo usodo V de Gowin e dos Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio(BRASIL, 2000, p. 18). Possibilitou a assimilação mais consistente ao tirar doterreno a abstração e descrevê-lo de uma forma detalhada para compreender osfundamentos científico-tecnológicos dos processos produtivos, relacionando a teoriacom a prática.

O desenvolvimento dos experimentos com a aplicação do V de Gowinmostrou-se bem proveitoso, uma vez que facilitou a compreensão de como ocorreo processo de assimilação e aplicação da teoria no domínio da matemática eprincipalmente da física.

Os estudos realizados permitiram uma descrição satisfatória dos conceitosbásicos necessários ao entendimento da onda eletromagnética e a natureza daluz como onda, possibilitando aplicar diretamente seus conceitos como reflexão,refração, interferência e difração, apesar de não concluirmos com a leitura do LDR,o que daria uma experiência significativa no campo das análises químicas criandoum leque ainda maior de interdisciplinariedade. Criamos o contato com ferramentasde fácil manipulação para criação de pequenos projetos, ou até mesmo algo maisdesafiador, usando o Arduino.

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Referências

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BÔAS, N. V.; DOCA, R. H.; BISCUOLA, G. J. Física. 1. ed. São Paulo: Saraiva,2010.

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FERRACIOLI, L. O v epistemológico como instrumento metodológico para oprocesso de investigação. Revista Didática Sistêmica, v. 1, n. 1, p. 106–125, out-dez2005.

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LÜDKE, E. Um espectrofotômetro de baixo custo para laboratórios de ensino:aplicações no ensino da absorção eletrônica e emissão de fluorescência. RevistaBrasileira de Ensino de Física, v. 32, n. 1, p. 1506, 2010.

MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Curso de Física. 1. ed. São Paulo: Scipione,2012. 360 p.

MCROBERTS, M. Arduino básico. São Paulo: Novatec, 2011. 456 p.

MICROSOT. Introdução à linguagem C# e ao .NET Framework. [S.l.], 2014.Disponível em: <http://msdn.microsoft.com/pt-br/library/z1zx9t92.aspx>.Acesso em: 01 nov 2014.

http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560

http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560

http://www.inmetro.gov.br/noticias/conteudo/sistema-internacional-unidades.pdf

http://www.inmetro.gov.br/noticias/conteudo/sistema-internacional-unidades.pdf

http://msdn.microsoft.com/pt-br/library/z1zx9t92.aspx

MOREIRA, A. M. Diagramas V e Aprendizagem Significativa. [S.l.], 2006. Publicadona Revista Chilena de Educación Científica, 2007, vol. 6, N. 2, pp. 3-12. Revisado em2012. Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/~moreira/DIAGRAMASpor.pdf>.Acesso em: 29 out. 2014.

SAGAN, C. O Mundo Assombrado Pelos Demônios. São Paulo: Companhia dasLetras, 1996.

SKOOG, D. A. et al. Fundamentos de Química Analítica. 8. ed. São Paulo:Pioneira, 2006. 1026 p.

WIKIPÉDIA. Domínio da frequência. [S.l.], 2014. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%ADnio_da_frequ%C3%AAncia>. Acesso em:01 nov 2014.

WIKIPÉDIA. Domínio do tempo. [S.l.], 2014. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%ADnio_do_tempo>. Acesso em: 01 nov 2014.

WIKIPÉDIA. Espectro visível. [S.l.], 2014. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_vis%C3%ADvel>. Acesso em: 01 nov 2014.

WIKIPEDIA. Spectrophotometry. [S.l.], 2014. Disponível em: <http://en.wikipedia.org/wiki/Spectrophotometry>. Acesso em: 01 nov 2014.

http://www.if.ufrgs.br/~moreira/DIAGRAMASpor.pdf

http://pt.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%ADnio_da_frequ%C3%AAncia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%ADnio_da_frequ%C3%AAncia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%ADnio_do_tempo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%ADnio_do_tempo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_vis%C3%ADvel

http://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_vis%C3%ADvel

http://en.wikipedia.org/wiki/Spectrophotometry

http://en.wikipedia.org/wiki/Spectrophotometry

Apêndices

APÊNDICE A – Código do Arduino

1 # include <Stepper .h> // Biblioteca já disponível na IDE do Arduino2

3 String comando ;4 const int iluminacao = 10; // Constante para atribuir pino do led

usado para iluminacao .5

6 void setup ()7 8 Serial .begin (57600) ; // Inicia o monitor serial com baud rate de

576009 pinMode (iluminacao , OUTPUT ); // Modo do qual o pino do led de

iluminação está conectado10 11

12 void loop ()13 14 if ( Serial . available () > 0)15 16 char inChar ;17 inChar = Serial .read ();18 if( inChar != ’\n’ )19 20 comando . concat (( String ) inChar );21 22 else23 24 switch ( comando [0] )25 26 case ’X’ :27 comando = "";28 29 moverMotor ();30 retornarMotor ();31 32 break;

APÊNDICE A. 55

33

34 case ’+’ : // String que identifica o comando para ligar aluz

35 digitalWrite (iluminacao ,HIGH);36 comando = "";37 break;38

39 case ’-’ : // String que identifica o comando para desligara luz

40 digitalWrite (iluminacao ,LOW);41 comando = "";42 break;43 44 45 46 47

48 void lerLDR () // Função para leitura do LDR49 50 int sensor = 0; // Pino analógico em que o LDR está conectado .51 int valorSensor = 0; // variável usada para ler o valor do sensor

em tempo real.52 valorSensor = analogRead (0);53 Serial . println ( valorSensor );54 55

56 void piscarLedLeitura () // Função para piscar o led verde57 58 pinMode (9, OUTPUT ); // Modo do qual o pino do led verde está

conectado59 digitalWrite (9, HIGH);60 delay (10);61 digitalWrite (9, LOW);62 63

64 void piscarLedFimLeitura () // Função para piscar o led verde65 66 pinMode (9, OUTPUT ); // Modo do qual o pino do led verde está

conectado

APÊNDICE A. 56

67 for (int l=1; l <=3; l++)68 69 delay (100);70 digitalWrite (9, HIGH);71 delay (100);72 digitalWrite (9, LOW);73 74 digitalWrite (9, HIGH);75 delay (1000) ;76 digitalWrite (9, LOW);77 78

79 void moverMotor ()80 81 Stepper motor (4, 3,4,5,6); // Comprimento do passo do motor 5 e

pinos 8 e 9 do Arduino82 motor. setSpeed (25); // Velocidade da rotação do motor (RPM)83 for (int p=1; p <=30; p++) // Executar os passos de p a p84 85 motor.step (1);86 piscarLedLeitura (); // Piscar led verde para indicar o processo

de leitura87 delay (10);88 lerLDR (); // Leitura do LDR89 90 91

92 void retornarMotor () // Função para retornar o motor à posiçãoinicial

93 94 Stepper motorRetorno (4, 3,4,5,6);95 motorRetorno . setSpeed (200);96 motorRetorno .step ( -30);97 piscarLedFimLeitura ();98

APÊNDICE B – Código C# para ainterface do programa

1 using System ;2 using System . Collections . Generic ;3 using System . ComponentModel ;4 using System .Data;5 using System . Drawing ;6 using System .Linq;7 using System .Text;8 using System . Windows .Forms;9 using System .IO;

10 using System .IO.Ports;11 using System . Runtime . InteropServices ;12

13 namespace SpectrophotometerControl14 15

16 public partial class Form1 : Form17 18 SerialPort serialComPort = new SerialPort ();19

20 public Form1 ()21 22 InitializeComponent ();23 foreach ( string portName in SerialPort . GetPortNames ())24 25 comboBoxPorts .Items.Add( portName );26 enableDisableControlButtons (0);27 28

29 if ( comboBoxPorts .Items.Count > 0) comboBoxPorts .SelectedIndex = comboBoxPorts .Items.Count - 1;

30 serialComPort . DataReceived += newSerialDataReceivedEventHandler (

APÊNDICE B. Código C# para a interface do programa 58

serialComPort_DataReceived );31

32 checkBoxLigar . Checked = false;33 34

35 void serialComPort_DataReceived ( object sender ,SerialDataReceivedEventArgs e)

36 37 string dataReceived = serialComPort . ReadExisting ();38 string [] words = dataReceived .Split (’\n’);39 LogData (words);40

41 42 private void LogData ( string [] msgReceived )43 44 richTextBox1 . Invoke (new EventHandler ( delegate45 46 for (int i = 0; i < msgReceived . Length ; ++i)47 48 richTextBox1 . AppendText ( msgReceived [i]);49 richTextBox1 . ScrollToCaret ();50 51

52 ));53

54 55

56 private void Form1_Load ( object sender , EventArgs e)57 58

59 60

61 private void OpenClosePort_Click ( object sender , EventArgse)

62 63 bool portError = false;64 if ( serialComPort . IsOpen ) serialComPort .Close ();65 else66


67 serialComPort . PortName = comboBoxPorts .Text;68 serialComPort . BaudRate = int.Parse("57600");69 70 try71 72 serialComPort .Open ();73 74 catch ( IOException )75 76 portError = true;77 78 if ( portError )79 80 MessageBox .Show("Não foi possível conectar a porta

serial ", "Erro de conexão ", MessageBoxButtons .OK , MessageBoxIcon .Error);

81 enableDisableControlButtons (0);82 83 else84 85 // MessageBox .Show(" Conectado com sucesso ");86 comboBoxPorts . Enabled = false;87 OpenClosePort . Enabled = false;88 closePort . Enabled = true;89 enableDisableControlButtons (1);90

91 92 93

94 private void closePort_Click ( object sender , EventArgs e)95 96 DialogResult desconectar = MessageBox .Show(" Deseja

desconectar -se?" + ’\n’ + "Os dados com dos valoresdo LDR serão perdidos ", " Desconectar ",

MessageBoxButtons .YesNo , MessageBoxIcon . Question );97 if ( desconectar == DialogResult .Yes)98 99 richTextBox1 .Clear ();

100 serialComPort .Write("-" + ’\n’);


101 checkBoxLigar . Checked = false;102 pictureBox1 .Image = new Bitmap ( Properties .

Resources .off);103 if ( serialComPort . IsOpen ) serialComPort .Close ();104 comboBoxPorts . Enabled = true;105 OpenClosePort . Enabled = true;106 closePort . Enabled = false;107 enableDisableControlButtons (0);108 109 110

111 private void enableDisableControlButtons (int status = 1)112 113 if ( status == 1)114 115 execute . Enabled = true;116 checkBoxLigar . Enabled = true;117 richTextBox1 . Enabled = true;118 clear. Enabled = true;119 120 else121 122 execute . Enabled = false;123 checkBoxLigar . Enabled = false;124 richTextBox1 . Enabled = false;125 clear. Enabled = false;126 127 128

129 private void clear_Click ( object sender , EventArgs e)130 131 DialogResult drValorLDR = MessageBox .Show(" Deseja

limpar os dados do LDR?", "Dados LDR",MessageBoxButtons .YesNo , MessageBoxIcon . Question );

132 if ( drValorLDR == DialogResult .Yes)133 134 richTextBox1 .Clear ();135 136


137 138

139 private void execute_Click ( object sender , EventArgs e)140 141 if ( serialComPort . IsOpen )142 serialComPort .Write("X" + ’\n’);143 144

145 private void checkBoxLigar_Click ( object sender , EventArgse)

146 147 if ( serialComPort . IsOpen == true && checkBoxLigar .

Checked == true)148 149 serialComPort .Write("+" + ’\n’);150 pictureBox1 .Image = new Bitmap ( Properties .

Resources .on);151 152 else153 154 serialComPort .Write("-" + ’\n’);155 pictureBox1 .Image = new Bitmap ( Properties .

Resources .off);156 157 158 159

Anexos

ANEXO A – Tabela de resistores

TABELAS DE RESISTORES MAIS UTILIZADOS NA ELETRÔNICA ( EM VALORES COMERCIAIS)

Valores de 1 até 100

valor em 1 Faixa 2 Faixa 3 Faixa

1 marrom preto dourado

1,2 marrom vermelho dourado

1,5 marrom verde dourado

1,8 marrom cinza dourado

2,2 vermelho vermelho Dourado

2,7 Vermelho Violeta dourado

3,3 laranja laranja dourado

3,9 laranja branco dourado

4,7 amarelo violeta dourado

5,6 verde azul dourado

6,8 azul cinza dourado

8,2 cinza vermelho dourado

9,1 branco marrom dourado

10 marrom preto preto

12 marrom vermelho preto

15 marrom verde preto

18 marrom cinza preto

22 vermelho vermelho preto

27 vermelho violeta preto

33 laranja laranja preto

39 laranja branco preto

47 amarelo violeta preto

56 verde azul preto

68 azul cinza preto

82 cinza vermelho preto

91 branco marrom preto

100 marrom preto marrom

64

Valores de 100 até 10K


100 marrom preto Marrom

120 Marrom Vermelho Marrom

150 Marrom Verde Marrom

180 Marrom Cinza Marrom

220 Vermelho Vermelho Marrom

270 Vermelho Violeta Marrom

330 Laranja Laranja Marrom

390 Laranja Branco marrom

470 Amarelo Violeta Marrom

560 Verde Azul Marrom

680 Azul Cinza Marrom

820 Cinza Vermelho Marrom

910 Branco Marrom Marrom

1000 ou 1K Marrom Preto Vermelho

1200 ou 1K2 Marrom Vermelho Vermelho

1500 ou 1K5 Marrom Verde Vermelho

1800 ou 1K8 Marrom Cinza Vermelho

2200 ou 2K2 Vermelho Vermelho Vermelho

2700 ou 2K7 Vermelho Violeta Vermelho

3300 ou 3K3 Laranja Laranja Vermelho

3900 ou 3K9 Laranja Branco Vermelho

4700 ou 4K7 Amarelo Violeta Vermelho

5600 ou 5K6 Verde Azul Vermelho

6800 ou 6K8 Azul Cinza Vermelho

8200 ou 8K2 Cinza Vermelho Vermelho

9100 ou 9K1 Branco Marrom Vermelho

10000 ou 10K Marrom Preto laranja

65

Valores de 10K até 22M


10000 ou 10K Marrom Preto Laranja

12000 ou 12K Marrom Vermelho Laranja

15000 ou 15K Marrom Verde Laranja

18000 ou 18K Marrom Cinza Laranja

22000 ou 22K Vermelho Vermelho Laranja

27000 ou 27K Vermelho Violeta Laranja

33000 ou 33K Laranja Laranja Laranja

39000 ou 39K Laranja branco Laranja

47000 ou 47K Amarelo Violeta Laranja

56000 ou 56K Verde Azul Laranja

68000 ou 68K Azul Cinza Laranja

82000 ou 82K Cinza Vermelho Laranja

91000 ou 91K Branco Marrom Laranja

100000 ou 100K Marrom Preto Amarelo

120000 ou 120K Marrom Vermelho Amarelo

150000 ou 150K Marrom Verde Amarelo

180000 ou 180K Marrom Cinza Amarelo

220000 ou 220K Vermelho Vermelho Amarelo

270000 ou 270K Vermelho Violeta Amarelo

330000 ou 330K Laranja Laranja Amarelo

390000 ou 390K Laranja Branco Amarelo

470000 ou 470K Amarelo Violeta Amarelo

560000 ou 560K Verde Azul Amarelo

680000 ou 680k Azul Cinza Amarelo

820000 ou 820K Cinza Vermelho Amarelo

910000 ou 910K Branco Marrom Amarelo

1000000 ou 1M Marrom Preto Verde

1200000 ou 1M2 Marrom Vermelho Verde

1500000 ou 1M5 Marrom Verde Verde

1800000 ou 1M8 Marrom Cinza Verde

2200000 ou 2M2 Vermelho Vermelho Verde

2700000 ou 2M7 Vermelho Violeta Verde

3300000 ou 3M3 Laranja Laranja Verde

3900000 ou 3M9 Laranja Branco Verde

4700000 ou 4M7 Amarelo Violeta Verde

5600000 ou 5M6 Verde Azul Verde

6800000 ou 6M8 Azul Cinza Verde

8200000 ou 8M2 Cinza Vermelho Verde

9100000 ou 9M1 Branco Marrom Verde

10000000 ou 10M Marrom Preto Azul

12000000 ou 12M Marrom Vermelho Azul

15000000 ou 15M Marrom Verde Azul

18000000 ou 18M Marrom Cinza Azul

22000000 ou 22M Vermelho Vermelho Azul

66

Código de Cores de Resistores

Cor 1º Anel 2º Anel 3º Anel 4º Anel

Preto - 0 x1 -

Marrom 1 1 x 10 1 %

Vermelho 2 2 x 100 2 %

Laranja 3 3 x 1000 3 %

Amarelo 4 4 x 10 000 4 %

Verde 5 5 x 100 000 -

Azul 6 6 x 1000 000 -

Violeta 7 7 - -

Cinza (cinza) 8 8 - -

Branco 9 9 - -

Prata (prata) - - x 0,01 10 %

Ouro - - x 0,1 5 %

67

ANEXO B – Datasheet LDR

ANEXO C – Datasheet LED

深圳市昱申科技有限公司CHINA YOUNG SUN LED TECHNOLOGY CO., LTD.

TEL: (86) 755-28079401 28079402 28079403 28079404 28079405

FAX: (86) 755-28079407 E-mail: [email protected] Web: www.100LED.com

Address: 5/F, Building B, Anzhilong Indl., Qinghua East Road., Longhua Town, Shenzhen CHINA. 518109

Model No.: YSL-R547W2C-A13

Applications:

.Decorations

.Advertising Sign

.Indicators .Flashlights

.Illuminations

Absolute Maximum Ratings: (Ta=25) .

Max. 260 for 3 Sec. Max. (3mm from the base of the expoxy bulb)

mW

mA

mA

-40 ~ 100

-40 ~ 85

105

30

20

TSOL

TSTG

TOPR

PD

IFP

IF

Lead Soldering Temperature

Storage Temperature

Operation Temperature

Power Dissipation

Peak Forward Current

Forward Current

UnitAbsolute Maximum RatingSymbolITEMS

ONE HUNDRED LEDPERFECT LED


mA16-18IsuSuggestion Using Current

.Traffic Lights

Reverse Current (VR=5V) IR uA10

degIF=20mA

IF=20mA

IF=20mA

2θ1/250% Viewing Angle

Forward Voltage

UnitTest conditionSymbolITEMS

Absolute Maximum Ratings: (Ta=25)

VF V

mcdIV*Luminous intensity

Max.Typ.Min.

3.2 3.4

8000

Wavelength

(nm) or TC(k) ∆λ IF=20mA 6000 8000 K

10000

1071

216 Hrs

Yellow


TEL: (86) 755-28079401 28079402 28079403 28079404 28079405



Unit: mm

0

30

60

1007525 5050 2575100

60

30

0

Light Degradation in mcd: (IF=20mA)

Hours Light Degradation in mcd after Different Hours

Colors

Red

Blue

Cool White

Pure White

Warm White

792 Hrs 1104 Hrs 1992 Hrs 2328 Hrs

Mechanical Dimensions:

.All dimension are in mm, tolerance is +0.2mm unless otherwise noted

.An epoxy meniscus may extend about 1.5mm down the leads.

.Burr around bottom of epoxy may be 0.5mm Maximum

.Viewing Angle Drawing


Green

Hours 48 Hrs 336 Hrs 360Hrs 720 Hrs 1008 Hrs

360 Hrs

1.52% -1.22% -4.68%-3.10% -8.27%-5.72%

-1.71% -2.97% -5.93% -8.13% -8.90% -11.10%

3.13%

-8.02%

-0.33%

-9.78%

-3.84%

-14.25%

-8.23%

-17.37%

-21.32%

-20.79%

-24.92%

-22.30%

168 Hrs

13.66%

3.02%

8.22%

-4.38%

-1.45%

-15.18%

-8.50%

-21.15%

-19.52%

-27.19%

-25.26%

-29.97%

10.56% 6.72% -2.29% -7.68% -17.32% -22.48%

72

.Taping dimension can be adjustedto customer's requirements.

Anti-static Tube Packaging Information:

Packing Information:



TEL: (86) 755-28079401 28079402 28079403 28079404 28079405

CHINA YOUNG SUN LED TECHNOLOGY CO., LTD.

深圳市昱申科技有限公司

.1. Anti-static bag

.200 - 500pcs per bag

.With 1 little bag of drier inside

Middle Box

.15-20K pcs per box

.30 - 40 bags per box

Unit: mm

Unit: mm



.8-10 Layers per box

.16K-20K pcs per box

Middle Box73

.10. Luminous Intensity Grade:

.2. Code for LED series.

.1. Company Code, short for Young Sun


TEL: (86) 755-28079401 28079402 28079403 28079404 28079405



Code System:

Warrantee:

. In order to make the LEDs lifespan longer, please set the input Current below 20mA.

. Electrical & Optical Characteristics consistency of same items all shippments.

. Please use LEDs based on our datasheet.

YSL-R547W2C-A13

1 2

Notes:

. LED is senstive to statics, be sure your equipments are anti-static when you use ourLEDs.

. Pay more attention to your heat dissipation system when you use it, the better heatdissipation, the longer LED lifespan.

.4. Code for LED Lens Type..5. Code for Lead Frame of LED

.7. Code for Wavelength Color

.8. Code for Lens color

.9. Code for Viewing Angle

C: Water Clear W: White Diffused D: Color Diffused T: Color Transparent


3 4 5 6 7 8 9 10

.3. Code for LED Type.

R: Round B: Bullet C: Columnar O: Ovai

H: Helmet Q: Square V: Concave P: Pagoda

S: Strawhat D: Special

.6. Code for Lead Frame Code of LED

1: 1-50mcd

2: 50-100mcd

3: 100-200mcd

4: 200-300mcd

5: 300-500mcd

6: 500-800mcd

7: 800-1000mcd

8: 1000-1500mcd

9: 1500-2000mcd

10: 2000-3000mcd

11: 3000-5000mcd

12: 5000-8000mcd

13: 8000-10000mcd

14: 10000-13000mcd

15: 13000-15000mcd

16: 15000-20000mcd

17: 20000~mcd

A: 1-10 B: 10-20 C: 20-30 D: 30-40 E: 40-60 F: 60-90 G: 90-120 H: >120

74

ANEXO D – Datasheet amplificadoroperacional

1

CA741, CA741C, CA1458, CA1558,LM741, LM741C, LM1458

0.9MHz Single and Dual, High GainOperational Amplifiers for Military,Industrial and Commercial Applications

The CA1458, CA1558 (dual types); CA741C, CA741 (singletypes); high-gain operational amplifiers for use in military,industrial, and commercial applications.

These monolithic silicon integrated circuit devices provideoutput short circuit protection and latch-free operation.These types also feature wide common mode anddifferential mode signal ranges and have low offset voltagenulling capability when used with an appropriately valuedpotentiometer. A 10kΩ potentiometer is used for offsetnulling types CA741C, CA741 (see Figure 1). TypesCA1458, CA1558 have no specific terminals for offsetnulling. Each type consists of a differential input amplifierthat effectively drives a gain and level shifting stage havinga complementary emitter follower output.

The manufacturing process make it possible to produce ICoperational amplifiers with low burst “popcorn’’ noisecharacteristics.

Technical Data on LM Branded types is identical to thecorresponding CA Branded types.

Features

• Input Bias Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500nA (Max)

• Input Offset Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200nA (Max)

Applications

• Comparator

• Multivibrator

• DC Amplifier

• Summing Amplifier

• Integrator or Differentiator

• Narrow Band or Band Pass Filter

Pinouts

Ordering InformationPART

NUMBERTEMP. RANGE

(oC) PACKAGE PKG. NO.

CA0741E -55 to 125 8 Ld PDIP E8.3

CA0741CE 0 to 70 8 Ld PDIP E8.3

CA1458E 0 to 70 8 Ld PDIP E8.3

CA1558E -55 to 125 8 Ld PDIP E8.3

CA0741T -55 to 125 8 Pin Metal Can T8.C

CA0741CT 0 to 70 8 Pin Metal Can T8.C

CA1558T -55 to 125 8 Pin Metal Can T8.C

LM741N -55 to 125 8 Ld PDIP E8.3

LM741CN 0 to 70 8 Ld PDIP E8.3

LM1458N 0 to 70 8 Ld PDIP E8.3

CA741, CA741C (CAN)TOP VIEW

CA1558 (METAL CAN)TOP VIEW

CA741, CA741C, LM741, LM741C (PDIP)TOP VIEW

CA1458, CA1558, LM1458 (PDIP)TOP VIEW

NC

OUTINV.

V-

OFFSET

NON-INV.

V+

OFFSET

2

4

6

1

3

7

5

8

-+

NULLINPUT

INPUT

NULL

V+

INV. INPUTINV. INPUT

V-

OUTPUT

NON-INV.

OUTPUT

NON-INV.

2

4

6

1

3

7

5

8

-

(B)

(B)

INPUT (B)INPUT (A)

(A)

(A)

A B+- +

OFFSET NULL

INV. INPUT

NON-INV. INPUT

V-

1

2

3

4

8

7

6

5

NC

V+

OUTPUT

OFFSET NULL

-+

OUTPUT (A)

INV. INPUT (A)

NON-INV. INPUT (A)

V-

1

2

3

4

8

7

6

5

V+

OUTPUT (B)

INV. INPUT (B)

NON-INV. INPUT (B)

A

B

Data Sheet September 1998 File Number 531.4

CAUTION: These devices are sensitive to electrostatic discharge; follow proper IC Handling Procedures.1-888-INTERSIL or 321-724-7143 | Copyright © Intersil Corporation 1999

76

2

Absolute Maximum Ratings Thermal InformationSupply Voltage

CA741C, CA1458, LM741C, LM1458 (Note 1) . . . . . . . . . . . 36VCA741, CA1558, LM741 (Note 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44V

Differential Input Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30VInput Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ±VSUPPLYOffset Terminal to V- Terminal Voltage (CA741C, CA741) . . . . ±0.5VOutput Short Circuit Duration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indefinite

Operating ConditionsTemperature Range

CA741, CA1558, LM741 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -55oC to 125oCCA741C, CA1458, LM741C, LM1458 (Note 2) . . . . 0oC to 70oC

Thermal Resistance (Typical, Note 3) θJA (oC/W) θJC (oC/W)PDIP Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 N/ACan Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 67

Maximum Junction Temperature (Can Package) . . . . . . . . . . 175oCMaximum Junction Temperature (Plastic Package) . . . . . . . . 150oCMaximum Storage Temperature Range . . . . . . . . . . -65oC to 150oCMaximum Lead Temperature (Soldering 10s) . . . . . . . . . . . . 300oC

CAUTION: Stresses above those listed in “Absolute Maximum Ratings” may cause permanent damage to the device. This is a stress only rating and operation of thedevice at these or any other conditions above those indicated in the operational sections of this specification is not implied.

NOTES:1. Values apply for each section of the dual amplifiers.

2. All types in any package style can be operated over the temperature range of -55oC to 125oC, although the published limits for certain electricalspecification apply only over the temperature range of 0oC to 70oC.

3. θJA is measured with the component mounted on an evaluation PC board in free air.

Electrical Specifications Typical Values Intended Only for Design Guidance, VSUPPLY = ±15V

PARAMETER SYMBOL TEST CONDITIONSTYPICAL VALUE

(ALL TYPES) UNITS

Input Capacitance CI 1.4 pF

Offset Voltage Adjustment Range ±15 mV

Output Resistance RO 75 Ω

Output Short Circuit Current 25 mA

Transient Response Unity Gain, VI = 20mV, RL = 2kΩ,CL ≤ 100pFRise Time tr 0.3 µs

Overshoot O.S. 5.0 %

Slew Rate (Closed Loop) SR RL ≥ 2kΩ 0.5 V/µs

Gain Bandwidth Product GBWP RL = 12kΩ 0.9 MHz

Electrical Specifications For Equipment Design, VSUPPLY = ±15V

PARAMETERTEST

CONDITIONSTEMP(oC)

(NOTE 4)CA741, CA1558, LM741

(NOTE 4)CA741C, CA1458, LM741C,

LM1458

UNITSMIN TYP MAX MIN TYP MAX

Input Offset Voltage RS ≤ 10kΩ 25 - 1 5 - 2 6 mV

Full - 1 6 - - 7.5 mV

Input Common Mode Voltage Range 25 - - - ±12 ±13 - V

Full ±12 ±13 - - - - V

Common Mode Rejection Ratio RS ≤ 10kΩ 25 - - - 70 90 - dB

Full 70 90 - - - - dB

Power Supply Rejection Ratio RS ≤ 10kΩ 25 - - - - 30 150 µV/V

Full - 30 150 - - - µV/V

Input Resistance 25 0.3 2 - 0.3 2 - MΩ

CA741, CA741C, CA1458, CA1558, LM741, LM741C, LM1458

77

3

Input Bias Current 25 - 80 500 - 80 500 nA

Full - - - - - 800 nA

-55 - 300 1500 - - - nA

125 - 30 500 - - - nA

Input Offset Current 25 - 20 200 - 20 200 nA

Full - - - - - 300 nA

-55 - 85 500 - - - nA

125 - 7 200 - - - nA

Large Signal Voltage Gain RL ≥ 2kΩ, VO = ±10V 25 50,000 200,000 - 20,000 200,000 - V/V

Full 25,000 - - 15,000 - - V/V

Output Voltage Swing RL ≥ 10kΩ 25 - - - ±12 ±14 - V

Full ±12 ±14 - - - - V

RL ≥ 2kΩ 25 - - - ±10 ±13 - V

Full ±10 ±13 - ±10 ±13 - V

Supply Current 25 - 1.7 2.8 - 1.7 2.8 mA

-55 - 2 3.3 - - - mA

125 - 1.5 2.5 - - - mA

Device Power Dissipation 25 - 50 85 - 50 85 mW

-55 - 60 100 - - - mW

125 - 45 75 - - - mW

NOTE:

4. Values apply for each section of the dual amplifiers.

Test Circuits

FIGURE 1. OFFSET VOLTAGE NULL CIRCUIT FOR CA741C,CA741, LM741C, AND LM741

FIGURE 2. TRANSIENT RESPONSE TEST CIRCUIT FOR ALLTYPES

Electrical Specifications For Equipment Design, VSUPPLY = ±15V (Continued)

PARAMETERTEST

CONDITIONSTEMP(oC)

(NOTE 4)CA741, CA1558, LM741

(NOTE 4)CA741C, CA1458, LM741C,

LM1458

UNITSMIN TYP MAX MIN TYP MAX

-

+

INVERTINGINPUT

NON-INVERTINGINPUT

OUTPUT

V-

OFFSETNULL 10kΩ

2

3

1 5

6-

+

VIN

CL RL

VOUT


78

4

Schematic Diagram (Notes 5, 6)

CA741C, CA741, LM741C, LM741 AND FOR EACH AMPLIFIER OF THE CA1458, CA1558, AND LM1458

Typical Performance Curves

FIGURE 3. COMMONMODEINPUTVOLTAGERANGEvsSUPPLYVOLTAGE FOR ALL TYPES

FIGURE 4. OUTPUT VOLTAGE vs SUPPLY VOLTAGE FOR ALLTYPES

INVERTING

NON-INVERTINGINPUT

INPUT

OFFSETNULL

*

R11K

R350K

R21K

Q6 Q7

Q8

Q3

Q1

Q4

Q2

R43K

Q9

R539K

R74.5K

R87.5K

D4

C130pF

Q11

Q10

D1 D2

Q5

D3

Q14

Q15

Q16

R1250K

R1180K

V+

OUTPUT

V-

Q12

Q13

R925

R1050

Q17

NOTES:

5. See Pinouts for Terminal Numbers of Respective Types.

6. All Resistance Values are in Ohms.

*

*

*

*

*

*

15

10

5

00 5 10 15 20

CO

MM

ON

MO

DE

INP

UT

RA

NG

E (

V)

DC SUPPLY (V+, V-)

TA = 25oC

OU

TP

UT

SW

ING

(V

P-P

)

40

35

30

25

20

15

10

5

00 5 10 15 20

DC SUPPLY (V+, V-)

TA = 25oCRL ≥ 2kΩ


79

5

FIGURE 5. TRANSIENT RESPONSE FOR CA741C AND CA741

Metallization Mask LayoutCA741CH

CA1458H

NOTE: Dimensions in parentheses are in millimeters and are derived from the basic inch dimensions as indicated. Grid graduations are in mils (10-3 inch).

Typical Performance Curves (Continued)

OU

TP

UT

(m

V)

30

25

20

15

20

5

0-0.5 0 -0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

TIME (µs)

10%RISE TIME

90%

DC SUPPLY VOLTS (V+ = 15, V- = -15)TA = 25oC, CL = 100pF

0 10 20 30 40 50 60 64

54 - 62(1.372 - 1.575)

61 - 69(1.549 - 1.753)

4 - 10(0.102 - 0.254)

57

50

40

30

20

10

0

5550

40

30

20

10

0

600 10 20 30 40 50 70 80 100

104

90

101 - 109(2.565 - 2.768)

4 - 10(0.102 - 0.254)

52 - 60(1.321 - 1.524)


80

Construção de Um Espectrofotômetro Como...

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