Fotometru LED cu Arduino pentru lecții de fizică sau chimie: 5 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

Buna!

Lichidele sau alte obiecte apar colorate deoarece reflectă sau transmit anumite culori și la rândul lor înghit (absorb) altele. Cu așa-numitul fotometru, pot fi determinate acele culori (lungimi de undă), care sunt absorbite de lichide. Principiul de bază este simplu: cu un LED de o anumită culoare străluciți mai întâi printr-o cuvă plină cu apă sau alt solvent. O fotodiodă măsoară intensitatea luminii primite și o transformă într-o tensiune proporțională U0. Această valoare este notată. Ulterior, o cuvă cu lichidul de examinat este plasată în traiectoria fasciculului și măsoară din nou intensitatea luminii sau tensiunea U. Factorul de transmisie în procente este apoi calculat pur și simplu cu T = U / U0 * 100. Pentru a obține factorul de absorbție A trebuie doar să calculați A = 100 minus T.

Această măsurare se repetă cu LED-uri colorate diferit și determină în fiecare caz T sau A în funcție de lungimea de undă (culoare). Dacă faceți acest lucru cu suficiente LED-uri, veți obține o curbă de absorbție.

Pasul 1: piesele

Pentru fotometru aveți nevoie de următoarele părți:

* O carcasă neagră cu dimensiunile 160 x 100 x 70 mm sau similar: carcasă

* Un Arduino Nano: ebay arduino nano

* Un amplificator operațional LF356: ebay LF356

* 3 condensatori cu o capacitate de 10μF: condensatori ebay

* 2 condensatori cu C = 100nF și un condensator cu condensatori 1nF: ebay

* Un invertor de tensiune ICL7660: ebay ICL7660

* O fotodiodă BPW34: ebay BPW34 fotodiodă

* 6 rezistențe cu 100, 1k, 10k, 100k, 1M și 10M ohmi: rezistențe eBay

* un afișaj I²C 16x2: afișaj ebay 16x2

* un comutator rotativ 2x6: comutator rotativ

* un suport de baterie de 9V și o baterie de 9V: suport de baterie

* un comutator: comutator

* Cuve de sticlă: cuve ebay

* LED-uri cu culori diferite: f.e. LED-uri eBay

* o sursă simplă de alimentare de 0-15V pentru alimentarea LED-urilor

* lemn pentru suportul cuvei

Pasul 2: Circuitul și codul Arduino

Circuitul pentru fotometru este foarte simplu. Se compune dintr-o fotodiodă, un amplificator operațional, un invertor de tensiune și alte părți (rezistențe, comutatoare, condensatori). Principiul acestui tip de circuit este de a converti curentul (redus) din fotodiodă într-o tensiune mai mare, care poate fi citită de nano arduino. Factorul de multiplicare este determinat de valoarea rezistorului în feedback-ul OPA. Pentru a fi mai flexibil am luat 6 rezistențe diferite, care pot fi alese cu comutatorul rotativ. Cea mai mică „mărire” este 100, cea mai mare 10 000 000. Totul este alimentat de o singură baterie de 9V.

Pasul 3: Primul experiment: curba de absorbție a clorofilei

Pentru procedura de măsurare: o cuvă este umplută cu apă sau alt solvent transparent. Acesta este apoi plasat în fotometru. Cuva este acoperită cu un capac etanș la lumină. Acum setați sursa de alimentare pentru LED astfel încât un curent de aproximativ 10-20mA să curgă prin LED. După aceea, utilizați comutatorul rotativ pentru a selecta poziția la care tensiunea de ieșire a fotodiodei este în jur de 3-4V. Reglarea fină a tensiunii de ieșire se poate face în continuare cu sursa de alimentare reglabilă. Se observă această tensiune U0. Apoi luați cuva care conține lichidul de examinat și puneți-l în fotometru. În acest moment, tensiunea sursei de alimentare și poziția comutatorului rotativ trebuie să rămână neschimbate! Apoi acoperiți din nou cuva cu capacul și măsurați tensiunea U. Pentru transmisia T în procente valoarea este T = U / U0 * 100. Pentru a obține coeficientul de absorbție A trebuie doar să calculați A = 100 - T.

Am cumpărat diferite LED-uri colorate de la Roithner Lasertechnik, care se află în Austria, țara mea natală. Pentru acestea, lungimea de undă respectivă este dată în nanometri. Pentru a fi cu adevărat siguri, se poate verifica lungimea de undă dominantă cu un spectroscop și software-ul Theremino (spectrometru theremino). În cazul meu, datele în nm au fost de acord cu măsurătorile destul de bune. Când selectați LED-urile, ar trebui să obțineți o acoperire uniformă a lungimii de undă de la 395nm la 850nm.

Pentru primul experiment cu fotometrul am ales clorofila. Dar pentru asta va trebui să smulgi iarba dintr-o pajiște sperând că nimeni nu te urmărește …

Această iarbă este apoi tăiată în bucăți mici și pusă împreună cu propanol sau etanol într-o oală. Acum zdrobiți frunzele cu un mortar sau o furculiță. După câteva minute, clorofila s-a dizolvat frumos în propanol. Această soluție este încă prea puternică. Trebuie diluat cu suficient propanol. Și pentru a evita orice suspendare, soluția trebuie filtrată. Am luat un filtru de cafea obișnuit.

Rezultatul ar trebui să arate așa cum se arată în imagine. O soluție verde-gălbuie foarte translucidă. Apoi repetați măsurarea (U0, U) cu fiecare LED. După cum se poate observa din curba de absorbție obținută, teoria și măsurarea sunt destul de bine. Clorofila a + b se absoarbe foarte puternic în intervalul spectral albastru și roșu, în timp ce lumina verde-galbenă și infraroșie pot penetra soluția aproape fără obstacole. În domeniul infraroșu, absorbția este chiar aproape de zero.

Pasul 4: Al doilea experiment: Dependența dispariției de concentrația permanganatului de potasiu

Ca un experiment suplimentar, determinarea dispariției în funcție de concentrația solutului oferă. Ca solut, folosesc permanganat de potasiu. Intensitatea luminii după penetrarea soluției urmează legea Lambert-Beer: Se citește I = I0 * 10 ^ (- E). I0 este intensitatea fără solut, I intensitatea cu solut și E așa-numita extincție. Această dispariție E depinde (liniar) de grosimea x a cuvetei și de concentrația c a solutului. Astfel, E = k * c * x cu k ca coeficient de absorbție molară. Pentru a determina dispariția E aveți nevoie doar de I și I0, deoarece E = lg (I0 / I). Când intensitatea este redusă la, de exemplu, 10%, dispariția E = 1 (10 ^ -1). Cu o slăbire la doar 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Dacă se aplică E în funcție de concentrația c, ne-am aștepta să obținem o linie dreaptă ascendentă prin punctul zero.

După cum puteți vedea din curba mea de dispariție, aceasta nu este liniară. La concentrații mai mari, se aplatizează, în special din concentrații mai mari de 0,25. Aceasta înseamnă că dispariția este mai mică decât s-ar fi așteptat conform legii Lambert-Beer. Cu toate acestea, luând în considerare doar concentrații mai mici, de exemplu între 0 și 0,25, rezultă o relație liniară foarte frumoasă între concentrația c și dispariția E. În acest interval, concentrația necunoscută c poate fi determinată din extincția măsurată E. În cazul meu, concentrația are doar unități arbitrare, deoarece nu am determinat cantitatea inițială de permanganat de potasiu dizolvat (au fost doar miligrame, care nu au putut fi măsurate cu cantarul meu de bucătărie în cazul meu, dizolvate în 4 ml apă pentru început soluţie).

Pasul 5: Concluzii

Acest fotometru este potrivit în special pentru lecții de fizică și chimie. Costul total este de numai 60 Euro = 70 USD. Diferitele LED-uri colorate sunt partea cea mai scumpă. Pe ebay sau aliexpress veți găsi cu siguranță LED-uri mai ieftine, dar de obicei nu știți ce lungimi de undă au LED-urile. Privit în acest fel, se recomandă achiziționarea de la un comerciant cu amănuntul specializat.

În această lecție veți afla ceva despre relația dintre culoarea lichidelor și comportamentul lor de absorbție, despre clorofila importantă, legea Lambert-Beer, exponențiale, transmisie și absorbție, calculul procentelor și lungimile de undă ale culorilor vizibile. Cred că este destul de mult …

Așa că distrează-te, realizând și acest proiect în lecția ta și Eureka!

Nu în ultimul rând, aș fi foarte fericit dacă ați putea să mă votați la concursul de știință-clasă. Mulțumesc pentru că…

Și dacă sunteți interesat de alte experimente de fizică, iată canalul meu pe YouTube:

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

mai multe proiecte de fizică: