DIY LED fotometrs ar Arduino fizikas vai ķīmijas nodarbībām: 5 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Sveiki!

Šķidrumi vai citi priekšmeti šķiet krāsaini, jo tie atspoguļo vai pārraida noteiktas krāsas un, savukārt, norij (absorbē) citas. Ar tā saukto fotometru var noteikt tās krāsas (viļņu garumus), kuras absorbē šķidrumi. Pamatprincips ir vienkāršs: ar noteiktas krāsas gaismas diodi jūs vispirms spīdat cauri kivetei, kas piepildīta ar ūdeni vai citu šķīdinātāju. Fotodiods mēra ienākošās gaismas intensitāti un pārvērš to proporcionālā spriegumā U0. Šī vērtība tiek atzīmēta. Pēc tam kivete ar pārbaudāmo šķidrumu tiek novietota staru ceļā un atkal mēra gaismas intensitāti vai spriegumu U. Tad caurlaidības koeficientu procentos vienkārši aprēķina ar T = U / U0 * 100. Lai iegūtu absorbcijas koeficientu A jums vienkārši jāaprēķina A = 100 mīnus T.

Šo mērījumu atkārto ar dažādu krāsu gaismas diodēm un katrā gadījumā nosaka T vai A atkarībā no viļņa garuma (krāsas). Ja jūs to darāt ar pietiekami daudz gaismas diodēm, jūs iegūstat absorbcijas līkni.

1. solis: daļas

Fotometram nepieciešamas šādas detaļas:

* Melns korpuss ar izmēriem 160 x 100 x 70 mm vai tamlīdzīgi: korpuss

* Arduino Nano: ebay arduino nano

* Operatīvais pastiprinātājs LF356: ebay LF356

* 3 kondensatori ar ietilpību 10μF: ebay kondensatori

* 2 kondensatori ar C = 100nF un kondensators ar 1nF: ebay kondensatori

* Viens sprieguma pārveidotājs ICL7660: ebay ICL7660

* Viens fotodiods BPW34: ebay BPW34 fotodiods

* 6 rezistori ar 100, 1k, 10k, 100k, 1M un 10M omi: ebay rezistori

* I²C 16x2 displejs: ebay 16x2 displejs

* 2x6 rotācijas slēdzis: rotācijas slēdzis

* 9V akumulatora turētājs un 9V akumulators: akumulatora turētājs

* slēdzis: slēdzis

* Stikla kivetes: ebay kivetes

* Gaismas diodes ar dažādu krāsu: f.e. ebay gaismas diodes

* vienkāršs 0-15V barošanas avots gaismas diodes barošanai

* koks kivetes turētājam

2. darbība: ķēde un Arduino kods

Fotometra ķēde ir ļoti vienkārša. Tas sastāv no fotodiodes, darbības pastiprinātāja, sprieguma pārveidotāja un dažām citām daļām (rezistori, slēdži, kondensatori). Šāda veida shēmas princips ir (zemas) strāvas pārveidošana no fotodiodes uz augstāku spriegumu, ko var nolasīt arduino nano. Reizināšanas koeficientu nosaka rezistora vērtība OPA atgriezeniskajā saitē. Lai būtu elastīgāks, es paņēmu 6 dažādus rezistorus, kurus var izvēlēties ar rotējošo slēdzi. Zemākais "palielinājums" ir 100, lielākais - 10 000 000. Viss tiek darbināts ar vienu 9V akumulatoru.

3. solis: pirmais eksperiments: hlorofila absorbcijas līkne

Mērīšanas procedūrai: kivete ir piepildīta ar ūdeni vai citu caurspīdīgu šķīdinātāju. Pēc tam to ievieto fotometrā. Kivete ir pārklāta ar gaismas necaurlaidīgu vāku. Tagad iestatiet gaismas diodes barošanas avotu tā, lai caur gaismas diodi plūst aptuveni 10-20 mA strāva. Pēc tam izmantojiet rotējošo slēdzi, lai izvēlētos pozīciju, kurā fotodiodes izejas spriegums ir aptuveni 3-4 V. Izejas sprieguma precizēšanu joprojām var veikt ar regulējamu barošanas avotu. Tiek atzīmēts šis spriegums U0. Pēc tam paņemiet kiveti, kas satur pārbaudāmo šķidrumu, un ievietojiet to fotometrā. Šajā brīdī barošanas avota spriegumam un rotējošā slēdža stāvoklim jāpaliek nemainīgam! Pēc tam atkal pārklājiet kiveti ar vāku un izmēriet spriegumu U. Pārraidei T procentos vērtība ir T = U / U0 * 100. Lai iegūtu absorbcijas koeficientu A, jums vienkārši jāaprēķina A = 100 - T.

Es nopirku dažādu krāsu gaismas diodes no Roithner Lasertechnik, kas atrodas Austrijā, manā mītnes zemē. Tiem attiecīgais viļņa garums ir norādīts nanometros. Lai būtu patiešām pārliecināts, var pārbaudīt dominējošo viļņu garumu ar spektroskopu un programmatūru Theremino (theremino spektrometrs). Manā gadījumā dati nm atbilst mērījumiem diezgan labi. Izvēloties gaismas diodes, jums vajadzētu sasniegt vienmērīgu viļņu garuma diapazona pārklājumu no 395 nm līdz 850 nm.

Pirmajam eksperimentam ar fotometru es izvēlējos hlorofilu. Bet, lai to izdarītu, jums būs jārauj zāle no pļavas, cerot, ka neviens jūs neskatās …

Pēc tam šo zāli sagriež mazos gabaliņos un kopā ar propanolu vai etanolu ievieto katlā. Tagad jūs sasmalciniet lapas ar javu vai dakšiņu. Pēc dažām minūtēm hlorofils ir labi izšķīdis propanolā. Šis risinājums joprojām ir pārāk spēcīgs. Tas jāatšķaida ar pietiekamu daudzumu propanola. Un, lai izvairītos no suspensijas, šķīdums jāfiltrē. Es paņēmu parasto kafijas filtru.

Rezultātam vajadzētu izskatīties kā parādīts attēlā. Ļoti caurspīdīgs zaļgani dzeltenīgs šķīdums. Tad jūs atkārtojat mērījumu (U0, U) ar katru gaismas diodi. Kā redzams no iegūtās absorbcijas līknes, teorija un mērījumi sakrīt diezgan labi. Hlorofils a + b ļoti spēcīgi absorbē zilā un sarkanā spektra diapazonā, savukārt zaļi dzeltenā un infrasarkanā gaisma var netraucēti iekļūt šķīdumā. Infrasarkanajā diapazonā absorbcija ir pat tuvu nullei.

4. solis: otrais eksperiments: izmiršanas atkarība no kālija permanganāta koncentrācijas

Kā papildu eksperiments tiek piedāvāta izmiršanas noteikšana atkarībā no izšķīdušās vielas koncentrācijas. Kā izšķīdušo vielu es izmantoju kālija permanganātu. Gaismas intensitāte pēc iekļūšanas šķīdumā atbilst Lamberta-alus likumam: tā ir I = I0 * 10 ^ (- E). I0 ir intensitāte bez izšķīdušās vielas, I intensitāte ar izšķīdušo vielu un E tā sauktā izmiršana. Šī ekstinkcija E ir atkarīga (lineāri) no kivetes biezuma x un no izšķīdušās vielas koncentrācijas c. Tādējādi E = k * c * x ar k kā molāro absorbcijas koeficientu. Lai noteiktu izmiršanu E, jums vienkārši vajag I un I0, jo E = lg (I0 / I). Kad intensitāte tiek samazināta līdz, piemēram, 10%, izmiršana E = 1 (10 ^ -1). Vājinoties tikai līdz 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Ja lieto E kā koncentrācijas c funkciju, mēs sagaidām, ka caur nulles punktu tiks iegūta augoša taisna līnija.

Kā redzams no manas izmiršanas līknes, tā nav lineāra. Augstākās koncentrācijās tas izlīdzinās, īpaši no koncentrācijām, kas lielākas par 0,25. Tas nozīmē, ka izmiršana ir mazāka, nekā varētu gaidīt saskaņā ar Lamberta-alus likumu. Tomēr, ņemot vērā tikai zemākas koncentrācijas, piemēram, no 0 līdz 0,25, rodas ļoti jauka lineāra saistība starp koncentrāciju c un izmiršanu E. Šajā diapazonā nezināmo koncentrāciju c var noteikt pēc izmērītās ekstinkcijas E. Manā gadījumā, koncentrācijai ir tikai patvaļīgas vienības, jo es neesmu noteicis sākotnējo izšķīdušā kālija permanganāta daudzumu (tas ir bijis tikai miligrami, ko manā gadījumā nevarēja izmērīt ar virtuves skalu, izšķīdinot 4 ml ūdens sākumam risinājums).

5. darbība. Secinājumi

Šis fotometrs ir īpaši piemērots fizikas un ķīmijas stundām. Kopējās izmaksas ir tikai aptuveni 60 eiro = 70 USD. Dažādu krāsu gaismas diodes ir visdārgākā daļa. Ebay vai aliexpress jūs noteikti atradīsit lētākas gaismas diodes, bet parasti jūs nezināt, kāds viļņu garums ir gaismas diodēm. Šādā veidā ieteicams iegādāties no specializēta mazumtirgotāja.

Šajā nodarbībā jūs uzzināsit kaut ko par saistību starp šķidrumu krāsu un to absorbcijas uzvedību, par svarīgo hlorofilu, Lamberta-alus likumu, eksponenciālu, pārraidi un absorbciju, procentu aprēķināšanu un redzamo krāsu viļņu garumu. Es domāju, ka tas ir diezgan daudz…

Tāpēc izklaidējieties, veidojot šo projektu savā nodarbībā un Eureka!

Visbeidzot, bet ne mazāk svarīgi, es būtu ļoti priecīgs, ja jūs varētu balsot par mani klasē-zinātne-konkursā. Paldies par to…

Un, ja jūs interesē turpmākie fizikas eksperimenti, šeit ir mans youtube kanāls:

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

vairāk fizikas projektu: