DIY LED-fotometri Arduinolla fysiikan tai kemian oppitunneille: 5 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Hei!

Nesteet tai muut esineet näyttävät värillisiltä, koska ne heijastavat tai välittävät tiettyjä värejä ja nielevät (absorboivat) muita. Niin kutsutulla fotometrillä voidaan määrittää ne värit (aallonpituudet), jotka nesteet absorboivat. Perusperiaate on yksinkertainen: tietynvärisellä LED -valolla loistat ensin vedellä tai muulla liuottimella täytetyn kyvetin läpi. Valodiodi mittaa tulevan valon voimakkuuden ja muuntaa sen suhteelliseksi jännitteeksi U0. Tämä arvo on merkitty. Sen jälkeen kyvetti, jossa on tutkittava neste, asetetaan säteen reitille ja mittaa uudelleen valon voimakkuuden tai jännitteen U. Siirtokerroin prosentteina lasketaan yksinkertaisesti T = U / U0 * 100. Absorptiokerroin saadaan A sinun on vain laskettava A = 100 miinus T.

Tämä mittaus toistetaan erivärisillä LEDeillä ja määrittää kussakin tapauksessa T tai A aallonpituuden (värin) funktiona. Jos teet tämän riittävällä LED -valolla, saat absorptiokäyrän.

Vaihe 1: Osat

Fotometriä varten tarvitset seuraavat osat:

* Musta kotelo, jonka mitat ovat 160 x 100 x 70 mm tai vastaava: kotelo

* Arduino Nano: ebay arduino nano

* Operaatiovahvistin LF356: ebay LF356

* 3 kondensaattoria, joiden kapasiteetti on 10μF: ebay -kondensaattorit

* 2 kondensaattoria, joiden C = 100 nF, ja kondensaattori, jossa on 1 nF: ebay -kondensaattorit

* Yksi jänniteinvertteri ICL7660: ebay ICL7660

* Yksi valodiodi BPW34: ebay BPW34 -valodiodi

* 6 vastusta 100, 1 k, 10 k, 100 k, 1 M ja 10 M ohmilla: ebay -vastukset

* I²C 16x2 -näyttö: ebay 16x2 -näyttö

* 2x6 kiertokytkin: kiertokytkin

* 9V paristopidike ja 9V akku: paristopidike

* kytkin: kytkin

* Lasikyvetit: ebay -kyvetit

* LEDit eri väreillä: esim. ebay LEDit

* yksinkertainen 0-15 V: n virtalähde LEDien virransyöttöön

* puu kyvetinpidikkeelle

Vaihe 2: Piiri ja Arduino-koodi

Fotometrin piiri on hyvin yksinkertainen. Se koostuu fotodiodista, operaatiovahvistimesta, jännite-invertteristä ja joistakin muista osista (vastukset, kytkimet, kondensaattorit). Tämän tyyppisen piirin periaate on muuttaa (pieni) virta fotodiodista korkeammaksi jännitteeksi, jonka arduino nano voi lukea. Kertoimen kerroin määräytyy vastuksen arvon perusteella OPA: n takaisinkytkennässä. Joustavammaksi otin 6 erilaista vastusta, jotka voidaan valita kiertokytkimellä. Pienin "suurennus" on 100, suurin 10 000 000. Kaikki saa virtansa yhdestä 9 V: n paristosta.

Vaihe 3: Ensimmäinen koe: klorofyllin absorptiokäyrä

Mittaustapa: Kyvetti täytetään vedellä tai läpinäkyvällä liuottimella. Tämä asetetaan sitten fotometriin. Kyvetti peitetään valotiiviillä kannella. Aseta nyt LED-virtalähde niin, että noin 10-20 mA virta kulkee LED-valon läpi. Valitse sen jälkeen kiertokytkimellä asento, jossa fotodiodin lähtöjännite on noin 3-4 V. Lähtöjännitteen hienosäätö voidaan silti tehdä säädettävällä virtalähteellä. Tämä jännite U0 on merkitty. Ota sitten kyvetti, joka sisältää tutkittavan nesteen, ja aseta se fotometriin. Tässä vaiheessa virtalähteen jännitteen ja kiertokytkimen asennon on pysyttävä ennallaan! Peitä sitten kyvetti uudelleen kannella ja mittaa jännite U. Lähetyksen T prosentteina arvo on T = U / U0 * 100. Jotta absorptiokerroin A saadaan, sinun on vain laskettava A = 100 - T.

Ostin eriväriset LEDit Roithner Lasertechnikilta, joka sijaitsee kotimaassani Itävallassa. Näitä varten vastaava aallonpituus on annettu nanometreinä. Ollakseen todella varma voidaan tarkistaa hallitseva aallonpituus spektroskoopilla ja Theremino -ohjelmistolla (thereminospektrometri). Minun tapauksessani nm: n tiedot sopivat mittauksiin varsin hyvin. Kun valitset LED -valoja, sinun tulee saavuttaa tasainen aallonpituusalue 395 - 850 nm.

Ensimmäiseen fotometrin kokeeseen valitsin klorofyllin. Mutta tätä varten sinun täytyy poimia ruohoa niityltä toivoen, ettei kukaan tarkkaile sinua…

Tämä ruoho leikataan sitten pieniksi paloiksi ja yhdistetään pottiin propanolin tai etanolin kanssa. Nyt murskat lehdet laastilla tai haarukalla. Muutaman minuutin kuluttua klorofylli on liuennut hienosti propanoliin. Tämä ratkaisu on edelleen liian vahva. Se on laimennettava riittävällä propanolilla. Ja suspendoitumisen välttämiseksi liuos on suodatettava. Otin tavallisen kahvisuodattimen.

Tuloksen pitäisi näyttää kuvan mukaiselta. Erittäin läpikuultava vihreä-kellertävä liuos. Toista sitten mittaus (U0, U) jokaisella LED -valolla. Kuten saavutetusta absorptiokäyrästä voidaan nähdä, teoria ja mittaus sopivat varsin hyvin yhteen. Klorofylli a + b imeytyy erittäin voimakkaasti sinisen ja punaisen spektrin alueella, kun taas vihreä-keltainen ja infrapunavalo voivat tunkeutua liuokseen lähes esteettä. Infrapuna -alueella absorptio on jopa lähellä nollaa.

Vaihe 4: Toinen koe: sukupuuton riippuvuus kaliumpermanganaatin pitoisuudesta

Lisäkokeena saadaan sukupuuton määrittäminen liuenneen aineen pitoisuudesta riippuen. Liukoisena aineena käytän kaliumpermanganaattia. Valon voimakkuus liuoksen tunkeutumisen jälkeen noudattaa Lambert-Beer-lakia: Se lukee I = I0 * 10 ^ (- E). I0 on intensiteetti ilman liukoista ainetta, I intensiteetti liukoisen aineen kanssa ja E ns. Sukupuutto. Tämä sukupuutto E riippuu (lineaarisesti) kyvetin paksuudesta x ja liuenneen aineen pitoisuudesta c. Siten E = k * c * x ja k molaarisena absorptiokerroimena. E -sukupuuton määrittämiseksi tarvitset vain I ja I0, koska E = lg (I0 / I). Kun intensiteetti alennetaan esimerkiksi 10%: iin, sukupuutto E = 1 (10 ^ -1). Kun heikkeneminen on vain 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Jos käytetään E: tä pitoisuuden c funktiona, odotamme nousevan suoran saavan nollapisteen läpi.

Kuten näet sukupuuttokäyrältäni, se ei ole lineaarinen. Korkeammilla pitoisuuksilla se litistyy, erityisesti yli 0,25 pitoisuuksista. Tämä tarkoittaa, että sukupuutto on pienempi kuin Lambert-Beer-lain mukaan odotettaisiin. Kuitenkin, kun otetaan huomioon vain pienemmät pitoisuudet, esimerkiksi välillä 0 ja 0,25, tuloksena on erittäin mukava lineaarinen suhde pitoisuuden c ja sukupuuttoon E. Tällä alueella tuntematon pitoisuus c voidaan määrittää mitatusta sukupuutosta E., konsentraatiossa on vain mielivaltaisia yksiköitä, koska en ole määrittänyt liuenneen kaliumpermanganaatin alkuperäistä määrää (se on ollut vain milligrammaa, jota minun tapauksessani ei voitu mitata keittiöasteikollani, liuotettuna 4 ml: aan vettä aluksi ratkaisu).

Vaihe 5: Johtopäätökset

Tämä fotometri soveltuu erityisesti fysiikan ja kemian oppitunteihin. Kokonaiskustannukset ovat vain noin 60 euroa = 70 USD. Eriväriset LEDit ovat kallein osa. Ebaystä tai aliexpressistä löydät varmasti halvempia LED -valoja, mutta yleensä et tiedä, mitkä aallonpituudet ledit ovat. Näin katsottuna ostamista erikoisliikkeestä suositellaan.

Tässä oppitunnissa opit jotain nesteiden värin ja niiden imeytymiskäyttäytymisen välisestä suhteesta, tärkeästä klorofyllistä, Lambert-Beer-laista, eksponentiaalista, lähetyksestä ja absorptiosta, prosenttiosuuden laskemisesta ja näkyvien värien aallonpituuksista. Mielestäni tämä on aika paljon…

Joten pidä hauskaa myös tämän projektin tekemisestä oppitunnillasi ja Eureka!

Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä, olisin erittäin iloinen, jos voisitte äänestää minua luokkahuone-tiedekilpailussa. Kiitos siitä…

Ja jos olet kiinnostunut muista fysiikkakokeista, tässä on youtube-kanavani:

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

lisää fysiikkahankkeita: