DIY LED-fotometar sa Arduinom za lekcije iz fizike ili hemije: 5 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Zdravo!

Tečnosti ili drugi predmeti izgledaju obojeni jer reflektiraju ili prenose određene boje, a zauzvrat gutaju (upijaju) druge. Takozvanim fotometrom mogu se odrediti one boje (valne dužine) koje apsorbiraju tekućine. Osnovni princip je jednostavan: sa LED -om određene boje prvo sijate kroz kivetu napunjenu vodom ili drugim otapalom. Fotodioda mjeri intenzitet dolazne svjetlosti i pretvara ga u proporcionalni napon U0. Ova vrijednost je zabilježena. Nakon toga, kiveta s tekućinom za ispitivanje postavlja se na putanju snopa i ponovno mjeri intenzitet svjetla ili napon U. Faktor prijenosa u postocima tada se jednostavno izračunava pomoću T = U / U0 * 100. Da biste dobili faktor apsorpcije A samo morate izračunati A = 100 minus T.

Ovo mjerenje se ponavlja sa LED -ima različite boje i u svakom slučaju određuje T ili A kao funkciju valne duljine (boje). Ako to učinite s dovoljno LED dioda, dobit ćete krivulju apsorpcije.

Korak 1: Dijelovi

Za fotometar su vam potrebni sljedeći dijelovi:

* Crno kućište dimenzija 160 x 100 x 70 mm ili slično: kućište

* Arduino Nano: ebay arduino nano

* Operativno pojačalo LF356: eBay LF356

* 3 kondenzatora kapaciteta 10μF: ebay kondenzatori

* 2 kondenzatora sa C = 100nF i kondenzator sa 1nF: ebay kondenzatori

* Jedan pretvarač napona ICL7660: eBay ICL7660

* Jedna fotodioda BPW34: eBay fotodioda BPW34

* 6 otpornika sa 100, 1k, 10k, 100k, 1M i 10M ohma: ebay otpornici

* I²C 16x2 ekran: eBay ekran 16x2

* okretni prekidač 2x6: okretni prekidač

* držač baterije 9V i baterija 9V: držač baterije

* prekidač: prekidač

* Staklene kivete: ebay kivete

* LED diode različite boje: npr. ebay LED diode

* jednostavno napajanje 0-15V za napajanje LED dioda

* drvo za držač kivete

Korak 2: Krug i Arduino kod

Krug fotometra je vrlo jednostavan. Sastoji se od fotodiode, operativnog pojačala, pretvarača napona i nekih drugih dijelova (otpornici, prekidači, kondenzatori). Princip ove vrste kola je pretvaranje (niske) struje iz fotodiode u veći napon, koji se može očitati pomoću arduino nano. Faktor množenja je određen vrijednošću otpornika u povratnoj informaciji OPA-e. Da bih bio fleksibilniji, uzeo sam 6 različitih otpornika, koji se mogu birati okretnim prekidačem. Najniže "uvećanje" je 100, najveće 10 000 000. Sve se napaja iz jedne 9V baterije.

Korak 3: Prvi eksperiment: krivulja apsorpcije klorofila

Za postupak mjerenja: kiveta se napuni vodom ili drugim prozirnim otapalom. Ovo se zatim stavlja u fotometar. Kiveta je prekrivena nepropusnim poklopcem. Sada postavite napajanje LED diode tako da kroz LED teče struja od oko 10-20 mA. Nakon toga pomoću okretnog prekidača odaberite položaj na kojem je izlazni napon fotodiode oko 3-4V. Fino podešavanje izlaznog napona i dalje se može izvršiti s podesivim napajanjem. Ovaj napon U0 je zabilježen. Zatim uzmite kivetu koja sadrži tečnost za ispitivanje i stavite je u fotometar. U ovom trenutku napon napajanja i položaj okretnog prekidača moraju ostati nepromijenjeni! Zatim ponovo pokrijte kivetu poklopcem i izmjerite napon U. Za prijenos T u postocima vrijednost je T = U / U0 * 100. Da biste dobili koeficijent apsorpcije A, samo morate izračunati A = 100 - T.

LED -ove različitih boja kupio sam od Roithner Lasertechnika koji se nalazi u austriji, mojoj domovini. Za njih se odgovarajuća valna duljina daje u nanometrima. Da biste bili sigurni možete provjeriti dominantnu valnu duljinu spektroskopom i Theremino softverom (theremino spektrometar). U mom slučaju, podaci u nm slažu se s mjerenjima prilično dobro. Prilikom odabira LED dioda trebali biste postići jednaku pokrivenost raspona valnih duljina od 395nm do 850nm.

Za prvi eksperiment sa fotometrom odabrao sam hlorofil. Ali za ovo ćete morati čupati travu s livade nadajući se da vas nitko ne gleda …

Ova trava se zatim izreže na male komade i stavi zajedno sa propanolom ili etanolom u lonac. Sada lišće zdrobite malterom ili vilicom. Nakon nekoliko minuta, klorofil se lijepo otopio u propanolu. Ovo rješenje je i dalje prejako. Potrebno ga je razrijediti s dovoljno propanola. Kako bi se izbjeglo suspendiranje, otopinu je potrebno filtrirati. Uzeo sam uobičajeni filter za kafu.

Rezultat bi trebao izgledati kao što je prikazano na slici. Vrlo prozirna zelenkasto-žućkasta otopina. Zatim ponovite mjerenje (U0, U) sa svakom LED diodom. Kao što se može vidjeti iz dobivene krivulje apsorpcije, teorija i mjerenje se prilično dobro slažu. Klorofil a + b vrlo snažno apsorbira u plavom i crvenom spektralnom području, dok zeleno-žuto i infracrveno svjetlo mogu gotovo neometano prodrijeti u otopinu. U infracrvenom području apsorpcija je čak blizu nule.

Korak 4: Drugi eksperiment: Ovisnost izumiranja o koncentraciji kalijevog permanganata

Kao daljnji eksperiment, određivanje izumiranja ovisno o koncentraciji otopljene tvari nudi. Kao otopljeno sredstvo koristim kalijev permanganat. Intenzitet svjetlosti nakon prodiranja u otopinu slijedi Lambert-Beerov zakon: On glasi I = I0 * 10 ^ (- E). I0 je intenzitet bez otopljene tvari, I intenzitet s otopljenom tvari, a E takozvano izumiranje. Ovo izumiranje E ovisi (linearno) o debljini x kivete i o koncentraciji c otopljene tvari. Dakle, E = k * c * x sa k kao molarnim koeficijentom apsorpcije. Da biste odredili izumiranje E, samo trebate I i I0, jer je E = lg (I0 / I). Kada se intenzitet smanji na, na primjer, 10%, izumiranje E = 1 (10 ^ -1). Sa slabljenjem na samo 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Ako primijenimo E kao funkciju koncentracije c, mogli bismo očekivati da dobijemo rastuću ravnu liniju kroz nultu točku.

Kao što vidite iz moje krivulje izumiranja, ona nije linearna. Pri većim koncentracijama, on se izravnava, posebno od koncentracija većih od 0,25. To znači da je izumiranje manje nego što bi se očekivalo prema Lambert-Beer-ovom zakonu. Međutim, uzimajući u obzir samo niže koncentracije, na primjer između 0 i 0,25, rezultira vrlo lijepom linearnom vezom između koncentracije c i izumiranja E. U ovom rasponu, nepoznata koncentracija c se može odrediti iz izmjerenog izumiranja E. U mom slučaju, koncentracija ima samo proizvoljne jedinice, budući da nisam odredio početnu količinu otopljenog kalijevog permanganata (to su bili samo miligrami, koji se u mom slučaju nisu mogli mjeriti kuhinjskom vagom, otopljeni u 4 ml vode za početak rešenje).

Korak 5: Zaključci

Ovaj fotometar je posebno pogodan za časove fizike i hemije. Ukupna cijena je samo oko 60 eura = 70 USD. LED boje različitih boja su najskuplji dio. Na ebayu ili aliexpressu zasigurno ćete pronaći jeftinije LED diode, ali obično ne znate koje talasne dužine LED diode imaju. Gledano na ovaj način, preporučuje se kupovina od specijaliziranog prodavača.

U ovoj lekciji naučite nešto o odnosu boje tekućina i njihovom apsorpcijskom ponašanju, o važnom klorofilu, Lambert-Beer-ovom zakonu, eksponencijalima, prijenosu i apsorpciji, proračunu postotaka i valnim duljinama vidljivih boja. Mislim da je ovo dosta…

Zato se zabavite i čineći ovaj projekt u svojoj lekciji i Eureka!

I na kraju, ali ne i najmanje važno, bio bih jako sretan ako biste mogli glasovati za mene na takmičenju učionica-nauka-nauka. Hvala na tome…

A ako vas zanimaju daljnji fizički eksperimenti, evo mog youtube kanala:

www.youtube.com/user/stopperl16/videos?

više projekata iz oblasti fizike: