DIY LED-fotometar s Arduinom za sate fizike ili kemije: 5 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

Zdravo!

Tekućine ili drugi predmeti izgledaju obojeni jer reflektiraju ili prenose određene boje, a zauzvrat gutaju (upijaju) druge. Takozvanim fotometrom mogu se odrediti one boje (valne duljine) koje apsorbiraju tekućine. Osnovni princip je jednostavan: s LED -om određene boje najprije 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 put 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 se mjerenje ponavlja s LED -icama različitih boja 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 s C = 100nF i kondenzator s 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 zaslon: eBay 16x2 zaslon

* rotacijski prekidač 2x6: okretni prekidač

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

* prekidač: prekidač

* Staklene kivete: ebay kivete

* LED diode različite boje: f.e. ebay LED diode

* jednostavno napajanje 0-15V za napajanje LED dioda

* drvo za držač kivete

Korak 2: Krug i Arduino kod

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

Korak 3: Prvi pokus: krivulja apsorpcije klorofila

Za postupak mjerenja: kiveta se napuni vodom ili drugim prozirnim otapalom. To 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 okretnim prekidačem 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 tekućinu za ispitivanje i stavite je u fotometar. U ovom trenutku napon napajanja i položaj okretnog prekidača moraju ostati nepromijenjeni! Zatim ponovno 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 diode 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 doista sigurni, dominantnu valnu duljinu možete provjeriti 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 ravnomjerno pokrivanje raspona valnih duljina od 395nm do 850nm.

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

Ova se trava zatim izreže na male komade i stavi zajedno s 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 kavu.

Rezultat bi trebao izgledati kao što je prikazano na slici. Vrlo prozirna zeleno-žućkasta otopina. Zatim ponavljate mjerenje (U0, U) sa svakom LED. Kao što se može vidjeti iz dobivene krivulje apsorpcije, teorija i mjerenje se dosta dobro slažu. Klorofil a + b vrlo snažno upija 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 pokus: Ovisnost izumiranja o koncentraciji kalijevog permanganata

Kao daljnji pokus nudi se određivanje izumiranja ovisno o koncentraciji otopljene tvari. Kao otopljeno sredstvo koristim kalijev permanganat. Intenzitet svjetla 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 s k kao molarnim koeficijentom apsorpcije. Za određivanje izumiranja E samo trebate I i I0, jer je E = lg (I0 / I). Kad se intenzitet smanji, na primjer, na 10%, izumiranje E = 1 (10 ^ -1). S slabljenjem na samo 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Primijenimo li E kao funkciju koncentracije c, očekivali bismo da ćemo dobiti nultu ravnu liniju kroz nultu točku.

Kao što možete vidjeti iz moje krivulje izumiranja, ona nije linearna. Pri većim koncentracijama, izravnava se, 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, rezultat je vrlo lijep linearni odnos između koncentracije c i izumiranja E. U ovom rasponu, nepoznata koncentracija c može se 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, što se u mom slučaju nije moglo izmjeriti kuhinjskom vagom, otopljeno u 4 ml vode za početak riješenje).

Korak 5: Zaključci

Ovaj fotometar posebno je prikladan za sate fizike i kemije. Ukupni trošak iznosi samo oko 60 eura = 70 USD. LED boje različitih boja najskuplji su dio. Na ebayu ili aliexpressu zasigurno ćete pronaći jeftinije LED diode, ali obično ne znate koje valne duljine LED diode imaju. Gledano na ovaj način, preporučuje se kupnja 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, izračunu postotaka i valnim duljinama vidljivih boja. Mislim da je ovo dosta …

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

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

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

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

više projekata iz fizike: