DIY LED-fotometer s Arduinom pre hodiny fyziky alebo chémie: 5 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Ahoj!

Tekutiny alebo iné predmety vyzerajú zafarbené, pretože odrážajú alebo prenášajú určité farby a ostatné naopak prehĺtajú (absorbujú). Takzvaným fotometrom sa dajú určiť tie farby (vlnové dĺžky), ktoré sú absorbované kvapalinami. Základný princíp je jednoduchý: s LED diódou určitej farby najskôr zasvietite cez kyvetu naplnenú vodou alebo iným rozpúšťadlom. Fotodióda meria intenzitu prichádzajúceho svetla a prevádza ju na proporcionálne napätie U0. Táto hodnota je zaznamenaná. Potom sa do dráhy lúča umiestni kyveta s kvapalinou, ktorá sa má skúmať, a znova zmeria intenzitu svetla alebo napätie U. Faktor prenosu v percentách sa potom jednoducho vypočíta pomocou T = U / U0 * 100. Na získanie absorpčného faktora A stačí vypočítať A = 100 mínus T.

Toto meranie sa opakuje s rôzne sfarbenými diódami LED a v každom prípade určuje T alebo A ako funkciu vlnovej dĺžky (farby). Ak to urobíte s dostatkom LED diód, dostanete absorpčnú krivku.

Krok 1: Diely

Pre fotometer potrebujete nasledujúce diely:

* Čierne puzdro s rozmermi 160 x 100 x 70 mm alebo podobné: puzdro

* Arduino Nano: ebay arduino nano

* Operačný zosilňovač LF356: ebay LF356

* 3 kondenzátory s kapacitou 10μF: kondenzátory ebay

* 2 kondenzátory s C = 100nF a kondenzátor s 1nF: kondenzátory ebay

* Jeden menič napätia ICL7660: ebay ICL7660

* Jedna fotodióda BPW34: ebay fotodióda BPW34

* 6 odporov s odporom 100, 1k, 10k, 100k, 1M a 10M ohmov: ebay

* displej I²C 16x2: displej ebay 16x2

* Otočný spínač 2x6: otočný spínač

* 9V držiak batérie a 9V batériu: držiak batérie

* prepínač: prepínač

* Sklenené kyvety: ebay kyvety

* LED diódy s rôznymi farbami: napr. ebay LED diódy

* Jednoduché napájanie 0-15 V na napájanie LED diód

* drevo do kyvety

Krok 2: Okruh a kód Arduino

Obvod pre fotometer je veľmi jednoduchý. Skladá sa z fotodiódy, operačného zosilňovača, meniča napätia a niektorých ďalších častí (odpory, spínače, kondenzátory). Princíp tohto typu obvodu je previesť (nízky) prúd z fotodiódy na vyššie napätie, ktoré môže čítať arduino nano. Multiplikačný faktor je určený hodnotou odporu v spätnej väzbe OPA. Aby som bol flexibilnejší, vzal som 6 rôznych rezistorov, ktoré je možné zvoliť pomocou otočného prepínača. Najnižšie „zväčšenie“je 100, najvyššie 10 000 000. Všetko je napájané jedinou 9V batériou.

Krok 3: Prvý experiment: Absorpčná krivka chlorofylu

Pre postup merania: Kyveta sa naplní vodou alebo iným priehľadným rozpúšťadlom. Potom sa vloží do fotometra. Kyveta je pokrytá svetlo tesným vekom. Teraz nastavte napájanie LED diódy tak, aby cez LED prúdil prúd asi 10-20 mA. Potom pomocou otočného spínača vyberte polohu, v ktorej sa výstupné napätie fotodiódy pohybuje okolo 3-4V. Jemné doladenie výstupného napätia je stále možné vykonať pomocou nastaviteľného zdroja napájania. Toto napätie U0 je zaznamenané. Potom vezmite kyvetu obsahujúcu skúmanú kvapalinu a vložte ju do fotometra. V tomto mieste musí napätie napájacieho zdroja a poloha otočného spínača zostať nezmenené! Potom kyvetu opäť prikryte vekom a zmerajte napätie U. Pre prenos T v percentách je hodnota T = U / U0 * 100. Na získanie absorpčného koeficientu A stačí vypočítať A = 100 - T.

Rôzne farebné LED diódy som kúpil od spoločnosti Roithner Lasertechnik, ktorá sa nachádza v Rakúsku, v mojej domovskej krajine. Pre tieto je príslušná vlnová dĺžka uvedená v nanometroch. Aby ste si boli istí, dominantnú vlnovú dĺžku môžete skontrolovať spektroskopom a softvérom Theremino (Theremino spektrometer). V mojom prípade údaje v nm súhlasili s meraniami celkom dobre. Pri výbere LED by ste mali dosiahnuť rovnomerné pokrytie rozsahu vlnových dĺžok od 395 nm do 850 nm.

Pre prvý experiment s fotometrom som vybral chlorofyl. Na to však budete musieť vytrhnúť trávu z lúky v nádeji, že vás nikto nesleduje …

Túto trávu potom nakrájame na malé kúsky a dáme do hrnca spolu s propanolom alebo etanolom. Teraz rozdrvíte listy maltou alebo vidličkou. Po niekoľkých minútach sa chlorofyl pekne rozpustí v propanole. Toto riešenie je stále príliš silné. Musí sa zriediť dostatočným množstvom propanolu. Aby sa zabránilo suspendovaniu, musí byť roztok filtrovaný. Vzal som spoločný kávový filter.

Výsledok by mal vyzerať ako na obrázku. Veľmi priesvitný zeleno-žltkastý roztok. Potom meranie (U0, U) zopakujete s každou LED diódou. Ako je zrejmé zo získanej absorpčnej krivky, teória a meranie sa celkom zhodujú. Chlorofyl a + b veľmi silne absorbuje v modrom a červenom spektrálnom rozsahu, zatiaľ čo zeleno-žlté a infračervené svetlo môže preniknúť do roztoku takmer neobmedzene. V infračervenom rozsahu je absorpcia dokonca blízko nuly.

Krok 4: Druhý experiment: Závislosť vyhynutia od koncentrácie manganistanu draselného

Ako ďalší experiment ponúka vyhynutie v závislosti od koncentrácie rozpustenej látky. Ako rozpustenú látku používam manganistan draselný. Intenzita svetla po preniknutí do roztoku sa riadi Lambert-Beerovým zákonom: Ten znie I = I0 * 10 ^ (- E). I0 je intenzita bez rozpustenej látky, I intenzita s rozpustenou látkou a E takzvané vyhynutie. Toto vyhynutie E závisí (lineárne) od hrúbky x kyvety a od koncentrácie c rozpustenej látky. E teda k * c * x s k ako molárny absorpčný koeficient. Na určenie vyhynutia E potrebujete iba I a I0, pretože E = lg (I0 / I). Keď sa intenzita zníži napríklad na 10%, vyhynutie E = 1 (10 ^ -1). S oslabením iba na 1%E = 2 (10 ^ -2).

Ak použijeme E ako funkciu koncentrácie c, očakávali by sme, že získame stúpajúcu priamku cez nulový bod.

Ako vidíte z mojej krivky zániku, nie je lineárna. Pri vyšších koncentráciách sa splošťuje, konkrétne z koncentrácií vyšších ako 0,25. To znamená, že vyhynutie je nižšie, ako by sa podľa Lambert-Beerovho zákona očakávalo. Ak však vezmeme do úvahy iba nižšie koncentrácie, napríklad medzi 0 a 0,25, dôjde k veľmi peknému lineárnemu vzťahu medzi koncentráciou c a vyhynutím E. V tomto rozsahu možno neznámu koncentráciu c určiť z nameraného zániku E. V mojom prípade "Koncentrácia má iba ľubovoľné jednotky, pretože som neurčil počiatočné množstvo rozpusteného manganistanu draselného (bolo to iba miligramy, ktoré sa v mojom prípade nedalo zmerať mojou kuchynskou váhou, rozpustených v 4 ml vody na začiatku.") Riešenie).

Krok 5: Závery

Tento fotometer je obzvlášť vhodný pre hodiny fyziky a chémie. Celkové náklady sú len okolo 60 EUR = 70 USD. Rôzne farebné LED diódy sú najdrahšou súčasťou. Na ebay alebo aliexpress určite nájdete lacnejšie LED diódy, ale väčšinou neviete, aké vlnové dĺžky majú diódy LED. Z tohto pohľadu sa odporúča nákup u špecializovaného predajcu.

V tejto lekcii sa dozviete niečo o vzťahu medzi farbou kvapalín a ich absorpčným správaním, o dôležitom chlorofyle, Lambertovom-Beerovom zákone, exponenciáloch, transmisii a absorpcii, výpočte percent a vlnových dĺžkach viditeľných farieb. Myslím, že je to veľa …

Tak sa tiež zabavte pri vytváraní tohto projektu vo svojej lekcii a Heuréke!

V neposlednom rade by som bol veľmi rád, keby ste za mňa mohli hlasovať v triede-prírodovedná súťaž. Ďakujem za to…

A ak vás zaujímajú ďalšie fyzikálne experimenty, tu je môj youtube kanál:

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

ďalšie projekty z fyziky: