LED-fotometer DIY z Arduinom za pouk fizike ali kemije: 5 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Zdravo!

Tekočine ali drugi predmeti so videti barvni, ker odbijajo ali prenašajo določene barve, druge pa pogoltnejo (absorbirajo). S tako imenovanim fotometrom lahko določimo tiste barve (valovne dolžine), ki jih absorbirajo tekočine. Osnovno načelo je preprosto: z LED določene barve najprej zasijete skozi kiveto, napolnjeno z vodo ali drugim topilom. Fotodioda meri jakost vhodne svetlobe in jo pretvori v sorazmerno napetost U0. Ta vrednost je opazna. Nato se na pot žarka postavi kiveta s tekočino, ki jo je treba pregledati, in ponovno izmeri jakost svetlobe ali napetost U. Faktor prenosa v odstotkih se nato preprosto izračuna s T = U / U0 * 100. Da dobimo faktor absorpcije A morate samo izračunati A = 100 minus T.

Ta meritev se ponovi z različno obarvanimi LED diodami in v vsakem primeru določi T ali A kot funkcijo valovne dolžine (barve). Če to storite z dovolj LED, dobite krivuljo absorpcije.

1. korak: Deli

Za fotometer potrebujete naslednje dele:

* Črno ohišje dimenzij 160 x 100 x 70 mm ali podobno: ohišje

* Arduino Nano: ebay arduino nano

* Operacijski ojačevalnik LF356: ebay LF356

* 3 kondenzatorji z zmogljivostjo 10μF: ebay kondenzatorji

* 2 kondenzatorja s C = 100nF in kondenzator z 1nF: ebay kondenzatorji

* En napetostni pretvornik ICL7660: ebay ICL7660

* Ena fotodioda BPW34: fotodioda ebay BPW34

* 6 uporov s 100, 1k, 10k, 100k, 1M in 10M ohmov: upori ebay

* zaslon I²C 16x2: zaslon ebay 16x2

* vrtljivo stikalo 2x6: vrtljivo stikalo

* držalo za baterijo 9V in baterija 9V: držalo za baterijo

* stikalo: stikalo

* Steklene kivete: ebay kivete

* LED z različnimi barvami: f.e. ebay LED

* preprost napajalnik 0-15V za napajanje LED

* les za držalo kivete

2. korak: vezje in koda Arduino

Vezje za fotometer je zelo preprosto. Sestavljen je iz fotodiode, operacijskega ojačevalnika, napetostnega pretvornika in nekaterih drugih delov (upori, stikala, kondenzatorji). Načelo tovrstnega vezja je pretvoriti (nizek) tok s fotodiode v višjo napetost, kar lahko prebere arduino nano. Faktor množenja je določen z vrednostjo upora v povratnih informacijah OPA. Za večjo prilagodljivost sem vzel 6 različnih uporov, ki jih lahko izberete z vrtljivim stikalom. Najmanjša "povečava" je 100, največja 10 000 000. Vse poganja ena sama 9V baterija.

3. korak: Prvi poskus: krivulja absorpcije klorofila

Za merilni postopek: kiveto napolnimo z vodo ali drugim prozornim topilom. Ta se nato vstavi v fotometer. Kiveta je pokrita s svetlo tesnim pokrovom. Zdaj nastavite napajanje LED tako, da skozi LED teče tok približno 10-20 mA. Po tem z vrtljivim stikalom izberite položaj, pri katerem je izhodna napetost fotodiode okoli 3-4V. Fino nastavitev izhodne napetosti je še vedno mogoče izvesti z nastavljivim napajalnikom. Ta napetost U0 je zabeležena. Nato vzemite kiveto s tekočino za pregled in jo postavite v fotometer. Na tej točki morata ostati napetost napajalnika in položaj vrtljivega stikala nespremenjena! Nato kiveto ponovno pokrijemo s pokrovom in izmerimo napetost U. Za prenos T v odstotkih je vrednost T = U / U0 * 100. Če želite dobiti absorpcijski koeficient A, morate samo izračunati A = 100 - T.

LED barve različnih barv sem kupil pri Roithner Lasertechniku, ki se nahaja v Avstriji, moji domovini. Pri teh je ustrezna valovna dolžina podana v nanometrih. Če želite biti prepričani, lahko preverite prevladujočo valovno dolžino s spektroskopom in programsko opremo Theremino (Theremino spektrometer). V mojem primeru so se podatki v nm kar dobro ujemali z meritvami. Pri izbiri LED diod morate doseči enakomerno pokritost valovnih dolžin od 395 nm do 850 nm.

Za prvi poskus s fotometrom sem izbral klorofil. Toda za to boste morali s travnika trgati travo v upanju, da vas nihče ne opazuje …

To travo nato narežemo na majhne koščke in damo skupaj s propanolom ali etanolom v lonec. Zdaj liste zdrobite z malto ali vilicami. Po nekaj minutah se je klorofil lepo raztopil v propanolu. Ta rešitev je še vedno premočna. Razredčiti ga je treba z zadostno količino propanola. Da bi se izognili morebitnemu zastoju, je treba raztopino filtrirati. Vzel sem skupen filter za kavo.

Rezultat bi moral izgledati tako, kot je prikazano na sliki. Zelo prosojna zeleno-rumenkasta raztopina. Nato ponovite meritev (U0, U) z vsako LED. Kot je razvidno iz dobljene krivulje absorpcije, se teorija in merjenje precej dobro ujemata. Klorofil a + b zelo močno absorbira v modrem in rdečem spektralnem območju, medtem ko lahko zeleno-rumena in infrardeča svetloba skoraj neovirano prodreta v raztopino. V infrardečem območju je absorpcija celo blizu nič.

4. korak: Drugi poskus: Odvisnost izumrtja od koncentracije kalijevega permanganata

Kot nadaljnji poskus ponuja določitev izumrtja glede na koncentracijo topljene snovi. Kot topljeno sredstvo uporabljam kalijev permanganat. Intenzivnost svetlobe po vstopu v raztopino sledi Lambert-Berovemu zakonu: bere se I = I0 * 10 ^ (- E). I0 je intenzivnost brez topljene snovi, I intenzivnost s topljeno snovjo in E tako imenovano izumrtje. To izumrtje E je (linearno) odvisno od debeline x kivete in koncentracije c topljene snovi. Tako je E = k * c * x s k kot molarnim absorpcijskim koeficientom. Za določitev izumrtja E potrebujete le jaz in I0, ker je E = lg (I0 / I). Ko se intenzivnost zmanjša na primer na 10%, je izumrtje E = 1 (10 ^ -1). Z oslabitvijo na le 1%je E = 2 (10 ^ -2).

Če uporabimo E kot funkcijo koncentracije c, bi pričakovali, da bomo skozi ničelno točko dobili naraščajočo ravno črto.

Kot lahko vidite iz moje krivulje izumrtja, ni linearna. Pri višjih koncentracijah se splošči, zlasti pri koncentracijah, večjih od 0,25. To pomeni, da je izumrtje manjše, kot bi pričakovali po zakonu Lambert-Beer. Če pa upoštevamo le nižje koncentracije, na primer med 0 in 0,25, dobimo zelo lepo linearno razmerje med koncentracijo c in izumrtjem E. V tem območju lahko neznano koncentracijo c določimo iz izmerjenega izumrtja E. V mojem primeru, ima koncentracija samo poljubne enote, saj nisem določil začetne količine raztopljenega kalijevega permanganata (to so bili le miligrami, ki jih v mojem primeru ni bilo mogoče izmeriti z mojo kuhinjsko tehtnico, raztopljeno v 4 ml vode za začetek rešitev).

5. korak: Zaključki

Ta fotometer je še posebej primeren za pouk fizike in kemije. Skupni stroški znašajo le okoli 60 evrov = 70 USD. LED -diode različnih barv so najdražji del. Na ebayu ali aliexpressu boste zagotovo našli cenejše LED diode, vendar običajno ne veste, katere valovne dolžine imajo LED. Na ta način je priporočljiv nakup pri specializiranem prodajalcu.

V tej lekciji se naučite nekaj o razmerju med barvo tekočin in njihovim absorpcijskim vedenjem, o pomembnem klorofilu, Lambert-Berovem zakonu, eksponentnih vrednostih, prenosu in absorpciji, izračunu odstotkov in valovnih dolžinah vidnih barv. Mislim, da je to kar veliko…

Zato se zabavajte tudi pri ustvarjanju tega projekta v vaši lekciji in Eureke!

Ne nazadnje bi bil zelo vesel, če bi lahko glasovali zame na tekmovanju za učilnico-naravoslovje. Hvala za to…

Če vas zanimajo nadaljnji fizikalni poskusi, je tu moj youtube-kanal:

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

več fizikalnih projektov: