DIY LED-fotometr s Arduinem pro hodiny fyziky nebo chemie: 5 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Ahoj!

Tekutiny nebo jiné předměty vypadají barevné, protože odrážejí nebo přenášejí určité barvy a naopak polykají (absorbují) jiné. Takzvaným fotometrem lze určit ty barvy (vlnové délky), které jsou absorbovány kapalinami. Základní princip je jednoduchý: s LED určité barvy nejprve prosvítáte kyvetou naplněnou vodou nebo jiným rozpouštědlem. Fotodioda měří intenzitu přicházejícího světla a převádí ji na proporcionální napětí U0. Tato hodnota je zaznamenána. Poté se do dráhy paprsku umístí kyveta s vyšetřovanou kapalinou a znovu změří intenzitu světla nebo napětí U. Součinitel prostupu v procentech se pak jednoduše vypočítá pomocí T = U / U0 * 100. Pro získání absorpčního faktoru A stačí vypočítat A = 100 minus T.

Toto měření se opakuje s různobarevnými LED diodami a v každém případě určuje T nebo A jako funkci vlnové délky (barvy). Pokud to uděláte s dostatkem LED, získáte absorpční křivku.

Krok 1: Díly

Pro fotometr potřebujete následující díly:

* Černé pouzdro o rozměrech 160 x 100 x 70 mm nebo podobné: pouzdro

* Arduino Nano: ebay arduino nano

* Operační zesilovač LF356: ebay LF356

* 3 kondenzátory s kapacitou 10μF: ebay kondenzátory

* 2 kondenzátory s C = 100nF a kondenzátor s 1nF: ebay kondenzátory

* Jeden měnič napětí ICL7660: ebay ICL7660

* Jedna fotodioda BPW34: ebay fotodioda BPW34

* 6 rezistorů se 100, 1k, 10k, 100k, 1M a 10M ohmy: ebay rezistory

* displej I²C 16x2: displej ebay 16x2

* otočný přepínač 2x6: otočný přepínač

* 9V držák baterie a 9V baterie: držák baterie

* a přepínač: přepínač

* Skleněné kyvety: ebay kyvety

* LED s jinou barvou: např. ebay LED

* jednoduchý napájecí zdroj 0-15V pro napájení LED diod

* dřevo pro držák kyvety

Krok 2: Okruh a kód Arduino

Obvod pro fotometr je velmi jednoduchý. Skládá se z fotodiody, operačního zesilovače, měniče napětí a některých dalších částí (odpory, spínače, kondenzátory). Principem tohoto typu obvodu je převést (nízký) proud z fotodiody na vyšší napětí, které může číst arduino nano. Multiplikační faktor je určen hodnotou odporu ve zpětné vazbě OPA. Abych byl flexibilnější, vzal jsem 6 různých odporů, které lze zvolit pomocí otočného přepínače. Nejnižší „zvětšení“je 100, nejvyšší 10 000 000. Vše je napájeno jedinou 9V baterií.

Krok 3: První experiment: Absorpční křivka chlorofylu

Pro postup měření: Kyveta se naplní vodou nebo jiným průhledným rozpouštědlem. Poté se umístí do fotometru. Kyveta je pokryta lehkým víkem. Nyní nastavte napájení LED tak, aby LED proudil proud asi 10-20mA. Poté pomocí otočného přepínače vyberte polohu, ve které je výstupní napětí fotodiody kolem 3-4V. Jemné doladění výstupního napětí lze stále provádět pomocí nastavitelného napájecího zdroje. Toto napětí U0 je zaznamenáno. Poté vezměte kyvetu obsahující vyšetřovanou kapalinu a vložte ji do fotometru. V tomto okamžiku musí napětí napájecího zdroje a poloha otočného spínače zůstat beze změny! Poté zakryjte kyvetu opět víkem a změřte napětí U. Pro přenos T v procentech je hodnota T = U / U0 * 100. Abyste získali absorpční koeficient A, stačí vypočítat A = 100 - T.

Koupil jsem různé barevné LED diody od společnosti Roithner Lasertechnik, která se nachází v Rakousku, mé domovské zemi. U nich je příslušná vlnová délka uvedena v nanometrech. Abyste si byli opravdu jistí, můžete dominantní vlnovou délku zkontrolovat pomocí spektroskopu a softwaru Theremino (Theremino spektrometr). V mém případě data v nm souhlasila s měřením docela dobře. Při výběru LED diod byste měli dosáhnout rovnoměrného pokrytí rozsahu vlnových délek od 395 nm do 850 nm.

Pro první experiment s fotometrem jsem zvolil chlorofyl. Ale kvůli tomu budete muset vytrhnout trávu z louky v naději, že vás nikdo nesleduje …

Tato tráva se pak nakrájí na malé kousky a dá se dohromady s propanolem nebo ethanolem do hrnce. Nyní rozdrtíte listy maltou nebo vidličkou. Po několika minutách se chlorofyl v propanolu pěkně rozpustil. Toto řešení je stále příliš silné. Musí být zředěn dostatečným množstvím propanolu. Aby se zabránilo suspendování, musí být roztok filtrován. Vzal jsem běžný kávový filtr.

Výsledek by měl vypadat jako na obrázku. Velmi průsvitný zeleno-nažloutlý roztok. Poté opakujte měření (U0, U) s každou LED. Jak je vidět ze získané absorpční křivky, teorie a měření se celkem dobře shodují. Chlorofyl a + b velmi silně absorbuje v modrém a červeném spektrálním rozsahu, zatímco zeleno-žluté a infračervené světlo může proniknout do roztoku téměř neomezeně. V infračerveném rozsahu je absorpce dokonce blízká nule.

Krok 4: Druhý experiment: Závislost zániku na koncentraci manganistanu draselného

Jako další experiment nabízí stanovení zániku v závislosti na koncentraci rozpuštěné látky. Jako rozpuštěnou látku používám manganistan draselný. Intenzita světla po proniknutí do roztoku se řídí Lambert-Beerovým zákonem: Ten zní I = I0 * 10 ^ (- E). I0 je intenzita bez rozpuštěné látky, I intenzita s rozpuštěnou látkou a E tzv. Zánik. Toto vyhynutí E závisí (lineárně) na tloušťce x kyvety a na koncentraci c rozpuštěné látky. Tedy E = k * c * x s k jako molární absorpční koeficient. K určení vyhynutí E stačí I a I0, protože E = lg (I0 / I). Když se intenzita sníží například na 10%, vyhynutí E = 1 (10 ^ -1). S oslabením na pouhé 1%E = 2 (10 ^ -2).

Pokud jeden použije E jako funkci koncentrace c, očekávali bychom získání stoupající přímky přes nulový bod.

Jak můžete vidět z mé křivky zániku, není lineární. Při vyšších koncentracích se zplošťuje, konkrétně od koncentrací větších než 0,25. To znamená, že vyhynutí je nižší, než by se podle Lambert-Beerova zákona očekávalo. Když však vezmeme v úvahu pouze nižší koncentrace, například mezi 0 a 0,25, výsledkem je velmi pěkný lineární vztah mezi koncentrací c a zánikem E. V tomto rozmezí lze neznámou koncentraci c určit z naměřeného zániku E. V mém případě Koncentrace má pouze libovolné jednotky, protože jsem neurčil počáteční množství rozpuštěného manganistanu draselného (to bylo jen miligramy, což v mém případě nebylo možné měřit pomocí kuchyňské váhy, rozpuštěné ve 4 ml vody pro počáteční řešení).

Krok 5: Závěry

Tento fotometr je vhodný zejména pro výuku fyziky a chemie. Celkové náklady se pohybují kolem 60 EUR = 70 USD. Různě barevné LED diody jsou nejdražší. Na ebay nebo aliexpress určitě najdete levnější LED diody, ale obvykle nevíte, jaké vlnové délky LED diody mají. Z tohoto pohledu se doporučuje nákup u specializovaného prodejce.

V této lekci se dozvíte něco o vztahu mezi barvou kapalin a jejich absorpčním chováním, o důležitém chlorofylu, Lambert-Beerově zákoně, exponenciálech, přenosu a absorpci, výpočtu procent a vlnových délkách viditelných barev. Myslím, že tohle je hodně…

Takže se bavte také při vytváření tohoto projektu ve své lekci a Heuréce!

V neposlední řadě bych byl velmi rád, kdybyste pro mě mohli hlasovat ve třídě-věda-soutěž. Díky za to…

A pokud vás zajímají další fyzikální experimenty, zde je můj youtube kanál:

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

další projekty z fyziky: