Fotometr LED DIY z Arduino do lekcji fizyki lub chemii: 5 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Cześć!

Płyny lub inne przedmioty wydają się kolorowe, ponieważ odbijają lub przekazują pewne kolory, a z kolei połykają (wchłaniają) inne. Za pomocą tak zwanego fotometru można określić te kolory (długości fal), które są pochłaniane przez ciecze. Podstawowa zasada jest prosta: diodą LED o określonym kolorze przeświecasz najpierw przez kuwetę wypełnioną wodą lub innym rozpuszczalnikiem. Fotodioda mierzy natężenie wpadającego światła i zamienia je na proporcjonalne napięcie U0. Ta wartość jest odnotowywana. Następnie kuwetę z badaną cieczą umieszcza się na ścieżce wiązki i ponownie mierzy natężenie światła lub napięcie U. Następnie oblicza się po prostu współczynnik przepuszczania w procentach ze wzoru T = U / U0 * 100. Aby uzyskać współczynnik absorpcji A wystarczy obliczyć A = 100 minus T.

Ten pomiar jest powtarzany z różnokolorowymi diodami LED i określa się każdorazowo T lub A w funkcji długości fali (koloru). Jeśli zrobisz to z wystarczającą ilością diod LED, otrzymasz krzywą absorpcji.

Krok 1: Części

Do fotometru potrzebne są następujące części:

* Czarna obudowa o wymiarach 160 x 100 x 70 mm lub podobna: obudowa

* Arduino Nano: eBay arduino nano

* Wzmacniacz operacyjny LF356: eBay LF356

* 3 kondensatory o pojemności 10μF: kondensatory ebay

* 2 kondensatory z C = 100nF i kondensator z 1nF: kondensatory ebay

* Jeden falownik napięcia ICL7660: eBay ICL7660

* Jedna fotodioda BPW34: fotodioda eBay BPW34

* 6 rezystorów o omach 100, 1k, 10k, 100k, 1M i 10M: rezystory eBay

* wyświetlacz I²C 16x2: wyświetlacz eBay 16x2

* przełącznik obrotowy 2x6: przełącznik obrotowy

* uchwyt baterii 9V i bateria 9V: uchwyt baterii

* przełącznik: przełącznik

* Kuwety szklane: kuwety ebay

* Diody o innym kolorze: np. Ebay diody LED

* prosty zasilacz 0-15 V do zasilania diod LED

*drewno na uchwyt na kuwetę

Krok 2: Obwód i kod Arduino

Obwód fotometru jest bardzo prosty. Składa się z fotodiody, wzmacniacza operacyjnego, falownika napięcia i kilku innych części (rezystory, przełączniki, kondensatory). Zasadą tego typu układu jest zamiana (niskiego) prądu z fotodiody na wyższe napięcie, które może odczytać arduino nano. Współczynnik mnożenia jest określony przez wartość rezystora w sprzężeniu zwrotnym z OPA. Aby być bardziej elastycznym, wziąłem 6 różnych rezystorów, które można wybrać za pomocą przełącznika obrotowego. Najniższe „powiększenie” to 100, najwyższe 10 000 000. Całość zasilana jest pojedynczą baterią 9V.

Krok 3: Pierwszy eksperyment: krzywa absorpcji chlorofilu

Do procedury pomiarowej: Kuwetę napełnia się wodą lub innym przezroczystym rozpuszczalnikiem. Jest on następnie umieszczany w fotometrze. Kuweta przykryta jest szczelnym wieczkiem. Teraz ustaw zasilanie diody tak, aby przez diodę przepływał prąd około 10-20mA. Następnie przełącznikiem obrotowym wybierz pozycję, w której napięcie wyjściowe fotodiody wynosi około 3-4V. Precyzyjne dostrojenie napięcia wyjściowego można nadal wykonać za pomocą regulowanego zasilacza. To napięcie U0 jest odnotowywane. Następnie weź kuwetę z badaną cieczą i umieść ją w fotometrze. W tym momencie napięcie zasilania i położenie przełącznika obrotowego muszą pozostać niezmienione! Następnie ponownie przykryj kuwetę pokrywką i zmierz napięcie U. Dla transmisji T w procentach wartość wynosi T = U / U0 * 100. Aby uzyskać współczynnik pochłaniania A wystarczy obliczyć A = 100 - T.

Kupiłem różnokolorowe diody LED od firmy Roithner Lasertechnik, która znajduje się w Austrii, moim ojczystym kraju. Dla nich odpowiednia długość fali jest podana w nanometrach. Dla pewności można sprawdzić dominującą długość fali za pomocą spektroskopu i oprogramowania Theremino (spektrometr termino). W moim przypadku dane w nm zgadzały się z pomiarami całkiem nieźle. Przy doborze diod LED należy osiągnąć równie równomierne pokrycie zakresu długości fal od 395nm do 850nm.

Do pierwszego eksperymentu z fotometrem wybrałem chlorofil. Ale do tego będziesz musiał zrywać trawę z łąki, mając nadzieję, że nikt cię nie obserwuje…

Trawa ta jest następnie krojona na małe kawałki i umieszczana w garnku z propanolem lub etanolem. Teraz miażdżysz liście moździerzem lub widelcem. Po kilku minutach chlorofil ładnie rozpuścił się w propanolu. To rozwiązanie jest wciąż zbyt mocne. Musi być rozcieńczony wystarczającą ilością propanolu. Aby uniknąć zawieszania się roztworu, należy go przefiltrować. Wziąłem wspólny filtr do kawy.

Wynik powinien wyglądać tak, jak pokazano na obrazku. Bardzo przezroczysty zielono-żółtawy roztwór. Następnie powtarzasz pomiar (U0, U) dla każdej diody LED. Jak widać z otrzymanej krzywej absorpcji, teoria i pomiar dość dobrze się zgadzają. Chlorofil a + b absorbuje bardzo silnie w zakresie widma niebieskiego i czerwonego, podczas gdy światło zielono-żółte i podczerwone może penetrować roztwór prawie bez przeszkód. W zakresie podczerwieni absorpcja jest bliska zeru.

Krok 4: Drugi eksperyment: zależność wymierania od stężenia nadmanganianu potasu

Jako kolejny eksperyment proponuje określenie ekstynkcji w zależności od stężenia substancji rozpuszczonej. Jako solut używam nadmanganianu potasu. Natężenie światła po przeniknięciu do roztworu jest zgodne z prawem Lamberta-Beera: I = I0 * 10 ^ (- E). I0 to intensywność bez substancji rozpuszczonej, I intensywność z substancją rozpuszczoną, a E tzw. ekstynkcja. Ta ekstynkcja E zależy (liniowo) od grubości x kuwety i stężenia c substancji rozpuszczonej. Zatem E = k * c * x z k jako molowym współczynnikiem absorpcji. Aby określić ekstynkcję E, potrzebujesz tylko I i I0, ponieważ E = lg (I0 / I). Gdy intensywność zmniejszy się np. do 10%, ekstynkcja E = 1 (10 ^ -1). Przy osłabieniu do zaledwie 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Jeśli zastosujemy E jako funkcję stężenia c, oczekiwalibyśmy, że otrzymamy wznoszącą się linię prostą przechodzącą przez punkt zerowy.

Jak widać z mojej krzywej ekstynkcji, nie jest ona liniowa. Przy wyższych stężeniach spłaszcza się, szczególnie od stężeń większych niż 0,25. Oznacza to, że wymieranie jest mniejsze niż można by oczekiwać zgodnie z prawem Lamberta-Beera. Jednak biorąc pod uwagę tylko niższe stężenia, na przykład między 0 a 0,25, daje bardzo ładną liniową zależność między stężeniem c a ekstynkcją E. W tym zakresie nieznane stężenie c można określić na podstawie zmierzonej ekstynkcji E. W moim przypadku, stężenie ma tylko dowolne jednostki, ponieważ nie określiłem początkowej ilości rozpuszczonego nadmanganianu potasu (były to tylko miligramy, których nie dało się zmierzyć moją wagą kuchenną, rozpuszczony w 4 ml wody na początek rozwiązanie).

Krok 5: Wnioski

Ten fotometr jest szczególnie odpowiedni na lekcje fizyki i chemii. Całkowity koszt to tylko około 60 euro = 70 USD. Różnokolorowe diody LED są najdroższą częścią. Na ebay czy aliexpress na pewno znajdziesz tańsze diody, ale zazwyczaj nie wiesz, jakie długości fal mają diody. Z tego punktu widzenia zalecane jest kupowanie od wyspecjalizowanego sprzedawcy.

W tej lekcji dowiesz się czegoś o związku między kolorem cieczy a ich zachowaniem absorpcyjnym, o ważnym chlorofilu, prawie Lamberta-Beera, wykładnikach, transmisji i absorpcji, obliczaniu procentów i długości fal widzialnych kolorów. Myślę, że to całkiem sporo…

Więc baw się dobrze, robiąc ten projekt podczas lekcji i Eureka!

Na koniec byłbym bardzo szczęśliwy, gdybyś mógł na mnie głosować w klasie-konkursu naukowego. Dziękuję za to…

A jeśli jesteś zainteresowany dalszymi eksperymentami fizycznymi, oto mój kanał na youtube:

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

więcej projektów z fizyki: