DIY LED-fotomeeter Arduinoga füüsika või keemia õppetundide jaoks: 5 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

Tere!

Vedelikud või muud esemed tunduvad värvilised, kuna need peegeldavad või edastavad teatud värve ja omakorda neelavad (neelavad) teisi. Niinimetatud fotomeetri abil saab määrata need värvid (lainepikkused), mida vedelikud neelavad. Põhiprintsiip on lihtne: teatud värvi valgusdioodiga paistad esmalt läbi vee või muu lahustiga täidetud küveti. Fotodiood mõõdab sissetuleva valguse intensiivsust ja muundab selle proportsionaalseks pingeks U0. Seda väärtust märgitakse. Seejärel asetatakse kiiver koos uuritava vedelikuga valgusvihule ja mõõdab uuesti valgustugevust või pinget U. Seejärel arvutatakse läbilaskmistegur protsentides lihtsalt T = U / U0 * 100. Neeldumisteguri saamiseks A peate lihtsalt arvutama A = 100 miinus T.

Seda mõõtmist korratakse erinevat värvi LED -idega ja see määrab igal juhul T või A lainepikkuse (värvi) funktsioonina. Kui teete seda piisavalt LED -idega, saate neeldumiskõvera.

Samm: osad

Fotomeetri jaoks vajate järgmisi osi:

* Must ümbris mõõtmetega 160 x 100 x 70 mm vms: korpus

* Arduino Nano: ebay arduino nano

* Operatsioonivõimendi LF356: ebay LF356

* 3 kondensaatorit mahuga 10μF: ebay kondensaatorid

* 2 kondensaatorit C = 100nF ja 1nF kondensaator: ebay kondensaatorid

* Üks pingemuundur ICL7660: ebay ICL7660

* Üks fotodiood BPW34: ebay BPW34 fotodiood

* 6 takistit 100, 1k, 10k, 100k, 1M ja 10M oomidega: ebay takistid

* I²C 16x2 ekraan: ebay 16x2 ekraan

* 2x6 pöördlüliti: pöördlüliti

* 9V patareipesa ja 9V aku: akuhoidik

* lüliti: lüliti

* Klaasküvetid: ebay küvetid

* Erineva värviga LED -id: nt. ebay LED -id

* lihtne 0-15V toide LED-ide toiteks

* puit küvetihoidjale

2. samm: vooluring ja Arduino kood

Fotomeetri ahel on väga lihtne. See koosneb fotodioodist, operatsioonivõimendist, pingemuundurist ja mõnest muust osast (takistid, lülitid, kondensaatorid). Seda tüüpi vooluahela põhimõte on muuta (madala) vool fotodioodist kõrgemaks pingeks, mida saab lugeda arduino nano. Korrutustegur määratakse OPA tagasisides oleva takisti väärtuse järgi. Paindlikumaks muutmiseks võtsin 6 erinevat takistit, mida saab valida pöördlüliti abil. Väikseim "suurendus" on 100, suurim 10 000 000. Kõike toidab üks 9V aku.

3. etapp: esimene katse: klorofülli imendumiskõver

Mõõtmisprotseduur: küvetti täidetakse veega või läbipaistva lahustiga. Seejärel asetatakse see fotomeetrisse. Küvetti kaetakse valguskindla kaanega. Nüüd seadistage LED-i toide nii, et LED-i kaudu voolaks umbes 10-20 mA vool. Pärast seda kasutage pöördlülitit, et valida asend, kus fotodioodi väljundpinge on umbes 3-4 V. Väljundpinge peenhäälestust saab siiski teha reguleeritava toiteallikaga. See pinge U0 on märgitud. Seejärel võtke uuritav vedelik sisaldav küvett ja asetage see fotomeetrisse. Siinkohal peavad toitepinge ja pöördlüliti asend muutumatuks jääma! Seejärel katke küvetti uuesti kaanega ja mõõtke pinge U. Ülekande T puhul protsentides on väärtus T = U / U0 * 100. Neeldumisteguri A saamiseks peate lihtsalt arvutama A = 100 - T.

Ostsin eri värvi LED -id Roithner Lasertechnikilt, mis asub kodumaal Austrias. Nende jaoks on vastav lainepikkus antud nanomeetrites. Et olla kindel, saab domineerivat lainepikkust kontrollida spektroskoobi ja Theremino tarkvara (thereminospektromeetri) abil. Minu puhul olid andmed nm -ga mõõtmistega üsna head. Valgusdioodide valimisel peaksite saavutama lainepikkuste vahemiku 395–850 nm ühtlase katvuse.

Esimeseks eksperimendiks fotomeetriga valisin klorofülli. Kuid selleks peate heinamaalt rohtu noppima, lootes, et keegi teid ei jälgi …

Seejärel lõigatakse see rohi väikesteks tükkideks ja pannakse potti koos propanooli või etanooliga. Nüüd purustad lehed mördi või kahvliga. Mõne minuti pärast on klorofüll kenasti propanoolis lahustunud. See lahendus on endiselt liiga tugev. Seda tuleb lahjendada piisava propanooliga. Ja suspensiooni vältimiseks tuleb lahus filtreerida. Võtsin tavalise kohvifiltri.

Tulemus peaks välja nägema nagu pildil. Väga läbipaistev rohekaskollane lahus. Seejärel korrake mõõtmist (U0, U) iga LED -iga. Nagu saadud neeldumiskõverast näha, on teooria ja mõõtmised üsna hästi kooskõlas. Klorofüll a + b imendub sinise ja punase spektri ulatuses väga tugevalt, samas kui rohekaskollane ja infrapunavalgus võivad lahusest peaaegu takistamatult tungida. Infrapuna vahemikus on neeldumine isegi nullilähedane.

4. etapp: teine katse: väljasuremise sõltuvus kaaliumpermanganaadi kontsentratsioonist

Järgmise eksperimendina pakub väljasuremise määramine sõltuvalt lahustunud aine kontsentratsioonist. Lahustina kasutan kaaliumpermanganaati. Valguse intensiivsus pärast lahuse läbitungimist järgib Lambert-Beeri seadust: see on I = I0 * 10 ^ (- E). I0 on intensiivsus ilma lahustunud aineta, I intensiivsus lahustunud ainega ja E nn väljasuremine. See väljasuremine E sõltub (lineaarselt) küveti paksusest x ja lahustunud aine kontsentratsioonist c. Seega E = k * c * x, kus k on molaarne neeldumistegur. Väljasuremise E määramiseks vajate lihtsalt I ja I0, sest E = lg (I0 / I). Kui intensiivsust vähendatakse näiteks 10%-ni, on väljasuremine E = 1 (10 ^ -1). Nõrgestades ainult 1%-ni, E = 2 (10 ^ -2).

Kui rakendada kontsentratsiooni c funktsioonina E, siis eeldame tõusu sirgjoont läbi nullpunkti.

Nagu näete minu väljasuremiskõverast, pole see lineaarne. Suuremate kontsentratsioonide korral lameneb see, eriti kontsentratsioonist üle 0,25. See tähendab, et väljasuremine on väiksem, kui Lamberti-õlle seaduse järgi oodata võiks. Kuid arvestades ainult madalamaid kontsentratsioone, näiteks vahemikus 0 kuni 0,25, on tulemuseks väga kena lineaarne suhe kontsentratsiooni c ja väljasuremise E vahel. Selles vahemikus saab tundmatu kontsentratsiooni c määrata mõõdetud väljasuremise E., kontsentratsioonil on ainult suvalised ühikud, kuna ma ei ole lahustunud kaaliumpermanganaadi esialgset kogust kindlaks määranud (see on olnud ainult milligramm, mida minu puhul ei saanud minu köögikaaluga mõõta, lahustati 4 ml vees lahendus).

5. samm: järeldused

See fotomeeter sobib eriti hästi füüsika ja keemia tundideks. Kogumaksumus on ainult umbes 60 eurot = 70 USD. Eri värvi LED -id on kõige kallim osa. Ebayst või aliexpressist leiate kindlasti odavamaid LED -e, kuid tavaliselt ei tea te, mis lainepikkused LED -idel on. Sel viisil on soovitatav osta spetsialiseeritud jaemüüjalt.

Selles õppetükis saate teada midagi vedelike värvuse ja nende imendumiskäitumise vahelise seose, olulise klorofülli, Lamberti-õlle seaduse, eksponentsiaalide, ülekande ja neeldumise, protsentide ja nähtavate värvide lainepikkuste arvutamise kohta. Ma arvan, et seda on päris palju…

Nii et nautige seda projekti ka oma tunnis ja Eureka!

Viimaseks, kuid mitte vähem tähtsaks, oleksin väga õnnelik, kui saaksite klassis-loodusteaduste konkursil minu poolt hääletada. Tänan selle eest…

Ja kui olete huvitatud edasistest füüsikakatsetest, siis siin on minu youtube-kanal:

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

rohkem füüsikaprojekte: