DIY LED-fotometer met Arduino vir fisika of chemie lesse: 5 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

Hallo!

Vloeistowwe of ander voorwerpe lyk gekleurd omdat hulle sekere kleure weerkaats of oordra en ander weer insluk (absorbeer). Met 'n sogenaamde fotometer kan die kleure (golflengtes) bepaal word wat deur vloeistowwe geabsorbeer word. Die basiese beginsel is eenvoudig: met 'n LED van 'n sekere kleur skyn jy eers deur 'n kuvet gevul met water of 'n ander oplosmiddel. 'N Fotodiode meet die inkomende ligintensiteit en skakel dit om in 'n proporsionele spanning U0. Hierdie waarde word opgemerk. Daarna word 'n kubet met die vloeistof wat ondersoek moet word in die bundelpad geplaas en weer die ligintensiteit of spanning U gemeet. Die transmissiefaktor in persent word dan eenvoudig bereken deur T = U / U0 * 100. Om die absorpsiefaktor te kry A, jy hoef net A = 100 minus T. te bereken.

Hierdie meting word herhaal met verskillende gekleurde LED's en bepaal in elke geval T of A as 'n funksie van die golflengte (kleur). As u dit doen met genoeg LED's, kry u 'n absorpsiekurwe.

Stap 1: Die onderdele

Vir die fotometer benodig u die volgende dele:

* 'N Swart omhulsel met die afmetings 160 x 100 x 70 mm of soortgelyk: behuising

* 'N Arduino Nano: ebay arduino nano

* 'N Operasionele versterker LF356: eBay LF356

* 3 kondensators met 'n kapasiteit van 10μF: ebay -kapasitors

* 2 kapasitors met C = 100nF en 'n kondensator met 1nF: ebay -kapasitors

* Een spanningsomsetter ICL7660: ebay ICL7660

* Een fotodiode BPW34: ebay BPW34 fotodiode

* 6 weerstande met 100, 1k, 10k, 100k, 1M en 10M ohm: ebay -weerstande

* 'n I²C 16x2 -skerm: ebay 16x2 -skerm

* 'n 2x6 draaiskakelaar: draaiskakelaar

* 'n 9V batteryhouer en 'n 9V battery: batteryhouer

* 'n skakelaar: skakelaar

* Glaskuvette: ebay -kuvette

* LED's met verskillende kleure: bv. ebay LED's

* 'n eenvoudige 0-15V kragtoevoer om die LED's aan te dryf

* hout vir die kuvettehouer

Stap 2: Die stroombaan en die Arduino-kode

Die kring vir die fotometer is baie eenvoudig. Dit bestaan uit 'n fotodiode, 'n operasionele versterker, 'n spanningsomvormer en 'n paar ander onderdele (weerstande, skakelaars, kapasitors). Die beginsel van hierdie tipe stroombaan is om die (lae) stroom van die fotodiode om te skakel in 'n hoër spanning, wat deur die arduino -nano gelees kan word. Die vermenigvuldigingsfaktor word bepaal deur die waarde van die weerstand in die terugvoer van die OPA. Om meer buigsaam te wees, het ek 6 verskillende weerstande geneem, wat met die draaiskakelaar gekies kan word. Die laagste "vergroting" is 100, die hoogste 10 000 000. Alles word aangedryf deur 'n enkele 9V -battery.

Stap 3: Eerste eksperiment: die absorpsiekurwe van chlorofil

Vir die meetprosedure: 'n Kuvet word gevul met water of 'n ander deursigtige oplosmiddel. Dit word dan in die fotometer geplaas. Die kuvet word bedek met 'n ligte deksel. Stel nou die kragtoevoer vir die LED in sodat 'n stroom van ongeveer 10-20mA deur die LED vloei. Gebruik daarna die draaiskakelaar om die posisie te kies waar die uitgangsspanning van die fotodiode ongeveer 3-4V is. Die fyn afstelling van die uitgangsspanning kan nog steeds gedoen word met die verstelbare kragtoevoer. Hierdie spanning U0 word opgemerk. Neem dan die kuvet met die vloeistof wat ondersoek moet word en plaas dit in die fotometer. Op hierdie punt moet die spanning van die kragtoevoer en die posisie van die draaiskakelaar onveranderd bly! Bedek dan die kubet weer met die deksel en meet die spanning U. Vir die transmissie T in persent is die waarde T = U / U0 * 100. Om die absorpsiekoëffisiënt A te kry, moet u slegs A = 100 - T.

Ek het die verskillende LED's gekoop by Roithner Lasertechnik, wat in Oostenryk, my geboorteland, geleë is. Hiervoor word die onderskeie golflengte in nanometers gegee. Om regtig seker te wees, kan u die dominante golflengte met 'n spektroskoop en die Theremino -sagteware (thereminospektrometer) kontroleer. In my geval stem die gegewens in nm goed ooreen met die metings. As u die LED's kies, moet u die golflengte van 395nm tot 850nm eweredig bereik.

Vir die eerste eksperiment met die fotometer het ek chlorofil gekies. Maar hiervoor moet u gras uit 'n weide pluk in die hoop dat niemand u dophou nie …

Hierdie gras word dan in klein stukkies gesny en saam met propanol of etanol in 'n pot gesit. Nou breek jy die blare met 'n vysel of vysel. Na 'n paar minute het die chlorofil mooi opgelos in die propanol. Hierdie oplossing is nog steeds te sterk. Dit moet verdun word met voldoende propanol. En om op te skort, moet die oplossing gefiltreer word. Ek het 'n gewone koffiefilter geneem.

Die resultaat moet lyk soos op die foto. 'N Baie deurskynende groengeel oplossing. Dan herhaal u die meting (U0, U) met elke LED. Soos uit die verkrygde absorpsiekurwe gesien kan word, stem die teorie en meting nogal ooreen. Chlorofil a + b absorbeer baie sterk in die blou en rooi spektrale reeks, terwyl groengeel en infrarooi lig byna ongehinderd die oplossing kan binnedring. In die infrarooi reeks is die absorpsie selfs naby nul.

Stap 4: Tweede eksperiment: die afhanklikheid van die uitwissing van die konsentrasie van kaliumpermanganaat

As 'n verdere eksperiment bied die bepaling van die uitsterwing na gelang van die konsentrasie van die opgeloste stof. As 'n opgeloste stof gebruik ek kaliumpermanganaat. Die ligintensiteit nadat die oplossing binnegedring is, volg die Lambert-Beer-wet: Dit lui I = I0 * 10 ^ (- E). I0 is die intensiteit sonder opgeloste stof, ek die intensiteit met opgeloste stof en E die sogenaamde uitsterwing. Hierdie uitsterwing E hang (lineêr) af van die dikte x van die kuvet en van die konsentrasie c van die opgeloste stof. Dus, E = k * c * x met k as die molêre absorpsiekoëffisiënt. Om die uitwissing E te bepaal, benodig jy net I en I0, want E = lg (I0 / I). As die intensiteit verminder word tot byvoorbeeld 10%, is die uitsterwing E = 1 (10 ^ -1). Met 'n verswakking tot slegs 1%, E = 2 (10 ^ -2).

As 'n mens E as funksie van die konsentrasie c toepas, sou ons verwag dat 'n stygende reguit lyn deur die nulpunt sou kom.

Soos u aan my uitsterwingskurwe kan sien, is dit nie lineêr nie. By hoër konsentrasies word dit plat, veral vanaf konsentrasies groter as 0,25. Dit beteken dat die uitsterwing laer is as wat volgens die Lambert-Beer-wet verwag sou word. As slegs laer konsentrasies in ag geneem word, byvoorbeeld tussen 0 en 0,25, lei dit egter tot 'n baie mooi lineêre verband tussen die konsentrasie c en die uitsterwing E. In hierdie reeks kan die onbekende konsentrasie c bepaal word uit die gemete uitsterwing E. In my geval, het die konsentrasie slegs willekeurige eenhede, aangesien ek nie die aanvanklike hoeveelheid opgeloste kaliumpermanganaat bepaal het nie (dit was slegs milligram, wat in my geval nie met my kombuiskaal gemeet kon word nie, opgelos in 4 ml water vir die aanvang oplossing).

Stap 5: Gevolgtrekkings

Hierdie fotometer is veral geskik vir fisika en chemie lesse. Die totale koste is slegs ongeveer 60 euro = 70 dollar. Die verskillende LED's is die duurste. Op eBay of AliExpress vind u beslis goedkoper LED's, maar gewoonlik weet u nie watter golflengtes die LED's het nie. Op hierdie manier word dit aanbeveel om by 'n spesialis -kleinhandelaar te koop.

In hierdie les leer u iets oor die verband tussen die kleur van vloeistowwe en hul absorpsiegedrag, oor die belangrike chlorofil, die Lambert-Beer-wet, eksponensiale, oordrag en absorpsie, berekening van persentasies en die golflengtes van die sigbare kleure. Ek dink dit is nogal baie …

So, geniet dit ook om hierdie projek in u les en Eureka te maak!

Laastens, maar nie die minste nie, sou ek baie bly wees as u vir my in die klas-wetenskap-wedstryd kon stem. Dankie daarvoor…

En as u belangstel in verdere fisika-eksperimente, hier is my youtube-kanaal:

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

meer fisika-projekte: