DIY-fotometër LED me Arduino për mësime të fizikës ose kimisë: 5 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:20

Përshëndetje!

Lëngjet ose objektet e tjera duken me ngjyrë sepse reflektojnë ose transmetojnë ngjyra të caktuara dhe nga ana tjetër gëlltisin (thithin) të tjerët. Me të ashtuquajturin fotometër, ato ngjyra (gjatësi vale) mund të përcaktohen, të cilat absorbohen nga lëngjet. Parimi themelor është i thjeshtë: me një LED të një ngjyre të caktuar, së pari shkëlqeni përmes një kuvete të mbushur me ujë ose një tretës tjetër. Një fotodiodë mat intensitetin e dritës në hyrje dhe e konverton atë në një tension proporcional U0. Kjo vlerë shënohet. Më pas, një kuvet me lëngun që do të ekzaminohet vendoset në rrugën e rrezes dhe përsëri mat intensitetin e dritës ose tensionin U. Faktori i transmetimit në përqindje atëherë llogaritet thjesht me T = U / U0 * 100. Për të marrë faktorin e absorbimit A ju vetëm duhet të llogaritni A = 100 minus T.

Kjo matje përsëritet me LED me ngjyra të ndryshme dhe përcakton në secilin rast T ose A në funksion të gjatësisë së valës (ngjyrës). Nëse e bëni këtë me LED të mjaftueshëm, merrni një kurbë thithjeje.

Hapi 1: Pjesët

Për fotometrin ju duhen pjesët e mëposhtme:

* Një kuti e zezë me dimensione 160 x 100 x 70 mm ose e ngjashme: strehim

* Një Arduino Nano: ebay arduino nano

* Një përforcues operacional LF356: ebay LF356

* 3 kondensatorë me kapacitet 10μF: kondensatorë ebay

* 2 kondensatorë me C = 100nF dhe një kondensator me 1nF: kondensatorë ebay

* Një inverter i tensionit ICL7660: ebay ICL7660

* Një fotodiodë BPW34: fotodiodë ebay BPW34

* 6 rezistorë me 100, 1k, 10k, 100k, 1M dhe 10M ohms: rezistorë ebay

* një ekran I²C 16x2: ekran ebay 16x2

* një ndërprerës rrotullues 2x6: ndërprerës rrotullues

* një mbajtës baterie 9V dhe një bateri 9V: mbajtëse baterie

* një kaloni: kaloni

* Kuvetat e qelqit: kuvetet ebay

* LED me ngjyra të ndryshme: f.e. LED ebay

* një furnizim i thjeshtë me energji 0-15V për të fuqizuar LED-të

* dru për mbajtësen e kuvetës

Hapi 2: Qarku dhe kodi Arduino

Qarku për fotometrin është shumë i thjeshtë. Përbëhet nga një fotodiodë, një përforcues operacional, një inverter i tensionit dhe disa pjesë të tjera (rezistorë, ndërprerës, kondensatorë). Parimi i këtij lloji të qarkut është konvertimi i rrymës (të ulët) nga fotodioda në një tension më të lartë, i cili mund të lexohet nga arduino nano. Faktori i shumëzimit përcaktohet nga vlera e rezistencës në reagimet e OPA. Për të qenë më fleksibël mora 6 rezistorë të ndryshëm, të cilët mund të zgjidhen me ndërprerës rrotullues. "Zmadhimi" më i ulët është 100, më i larti 10 000 000. Çdo gjë mundësohet nga një bateri e vetme 9V.

Hapi 3: Eksperimenti i parë: kurba e absorbimit të klorofilit

Për procedurën e matjes: Një kuvet mbushur me ujë ose tretës anothertransparent. Pastaj vendoset në fotometër. Kuveti është duke u mbuluar me një kapak të mbyllur nga drita. Tani vendosni furnizimin me energji për LED në mënyrë që një rrymë prej rreth 10-20mA të rrjedhë përmes LED. Pas kësaj, përdorni ndërprerësin rrotullues për të zgjedhur pozicionin në të cilin tensioni i daljes së fotodiodës është rreth 3-4V. Akordimi i mirë i tensionit të daljes mund të bëhet akoma me furnizimin me energji të rregullueshme. Ky tension U0 shënohet. Pastaj merrni kuvetën që përmban lëngun që do të shqyrtohet dhe vendoseni në fotometër. Në këtë pikë tensioni i furnizimit me energji elektrike dhe pozicioni i ndërprerës rrotullues duhet të mbeten të pandryshuara! Pastaj mbuloni përsëri kuvetën me kapak dhe matni tensionin U. Për transmetimin T në përqindje vlera është T = U / U0 * 100. Për të marrë koeficientin e absorbimit A ju vetëm duhet të llogaritni A = 100 - T.

Bleva LED me ngjyra të ndryshme nga Roithner Lasertechnik e cila ndodhet në Australi, vendin tim. Për këto, gjatësia e valës përkatëse jepet në nanometra. Për të qenë vërtet i sigurt mund të kontrolloni gjatësinë e valës mbizotëruese me një spektroskop dhe softuerin Theremino (spektrometri theremino). Në rastin tim, të dhënat në nm u pajtuan me matjet mjaft të mira. Kur zgjidhni LED -të, duhet të arrini një mbulim të barabartë të gjatësisë së valës nga 395 nm në 850 nm.

Për eksperimentin e parë me fotometrin zgjodha klorofilin. Por për këtë ju duhet të këpusni bar nga një livadh duke shpresuar se askush nuk ju shikon…

Kjo bar më pas pritet në copa të vogla dhe vendoset së bashku me propanol ose etanol në një tenxhere. Tani i shtypni gjethet me një llaç ose një pirun. Pas disa minutash, klorofili është tretur mirë në propanol. Kjo zgjidhje është akoma shumë e fortë. Duhet të hollohet me propanol të mjaftueshëm. Dhe për të shmangur çdo pezullim, zgjidhja duhet të filtrohet. Mora një filtër kafe të zakonshëm.

Rezultati duhet të duket si në figurë. Një zgjidhje shumë e tejdukshme jeshile-verdhë. Pastaj përsërisni matjen (U0, U) me secilën LED. Siç mund të shihet nga kurba e marrë e absorbimit, teoria dhe matja pajtohen mjaft mirë. Klorofili a + b absorbohet shumë fuqishëm në gamën spektrale blu dhe të kuqe, ndërsa drita jeshile-verdhë dhe infra të kuqe mund të depërtojnë në tretësirë pothuajse të papenguar. Në rangun infra të kuqe, thithja është madje afër zeros.

Hapi 4: Eksperimenti i dytë: Varësia e Zhdukjes nga Përqendrimi i Permanganatit të Kaliumit

Si një eksperiment i mëtejshëm, përcaktimi i zhdukjes në varësi të përqendrimit të tretësirës ofron. Si tretësirë, unë përdor permanganat kaliumi. Intensiteti i dritës pas depërtimit në tretësirë ndjek ligjin Lambert-Birra: Lexon I = I0 * 10 ^ (- E). I0 është intensiteti pa tretësirë, unë intensiteti me tretësirë dhe E i ashtuquajturi zhdukje. Ky zhdukje E varet (në mënyrë lineare) nga trashësia x e kuvetës dhe nga përqendrimi c i tretësirës. Kështu, E = k * c * x me k si koeficienti i absorbimit molar. Për të përcaktuar zhdukjen E ju duhet vetëm I dhe I0, sepse E = lg (I0 / I). Kur intensiteti zvogëlohet në, për shembull, 10%, shuarja E = 1 (10 ^ -1). Me një dobësim në vetëm 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Nëse dikush aplikon E si një funksion të përqendrimit c, ne do të presim që të marrim një vijë të drejtë në rritje përmes pikës zero.

Siç mund ta shihni nga kurba ime e zhdukjes, nuk është lineare. Në përqëndrime më të larta, ajo rrafshohet, veçanërisht nga përqendrimet më të mëdha se 0.25. Kjo do të thotë se zhdukja është më e ulët nga sa pritej sipas ligjit Lambert-Birra. Sidoqoftë, duke marrë parasysh vetëm përqendrimet më të ulëta, për shembull midis 0 dhe 0.25, rezulton në një lidhje shumë të bukur lineare midis përqendrimit c dhe zhdukjes E. Në këtë varg, përqendrimi i panjohur c mund të përcaktohet nga zhdukja e matur E. Në rastin tim, përqendrimi ka vetëm njësi arbitrare, pasi nuk e kam përcaktuar sasinë fillestare të permanganatit të kaliumit të tretur (ka qenë vetëm miligramë, i cili nuk mund të matet me shkallën time të kuzhinës në rastin tim, të tretur në 4 ml ujë për fillimin zgjidhje).

Hapi 5: Përfundimet

Ky fotometër është veçanërisht i përshtatshëm për mësimet e fizikës dhe kimisë. Kostoja totale është vetëm rreth 60 Euro = 70 USD. LED me ngjyra të ndryshme janë pjesa më e shtrenjtë. Në ebay ose aliexpress ju me siguri do të gjeni LED më të lirë, por zakonisht nuk e dini se cilat gjatësi vale kanë LEDs. E parë në këtë mënyrë, rekomandohet blerja nga një shitës me pakicë specialist.

Në këtë mësim ju mësoni diçka në lidhje me lidhjen midis ngjyrës së lëngjeve dhe sjelljes thithëse të tyre, për Klorofilin e rëndësishëm, ligjin Lambert-Birra, eksponencialët, transmetimin dhe thithjen, llogaritjen e përqindjeve dhe gjatësinë e valëve të ngjyrave të dukshme. Unë mendoj se kjo është shumë…

Kështu që argëtohuni gjithashtu duke e bërë këtë projekt në mësimin tuaj dhe Eureka!

E fundit por jo më pak e rëndësishme do të isha shumë i lumtur nëse mund të votoni për mua në konkursin e shkencës në klasë. Faleminderit per ate…

Dhe nëse jeni të interesuar për eksperimente të mëtejshme të fizikës, këtu është kanali im në youtube:

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

më shumë projekte të fizikës: