DIY LED-fotometer med Arduino for fysikk eller kjemi leksjoner: 5 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Hallo!

Væsker eller andre gjenstander ser farget ut fordi de reflekterer eller overfører bestemte farger og svelger (absorberer) andre. Med et såkalt fotometer kan disse fargene (bølgelengdene) bestemmes, som absorberes av væsker. Grunnprinsippet er enkelt: med en LED i en bestemt farge skinner du først gjennom en kuvett fylt med vann eller et annet løsningsmiddel. En fotodiode måler den innkommende lysintensiteten og konverterer den til en proporsjonal spenning U0. Denne verdien er notert. Deretter plasseres en kuvett med væsken som skal undersøkes i strålebanen og måler igjen lysintensiteten eller spenningen U. Overføringsfaktoren i prosent beregnes deretter ganske enkelt med T = U / U0 * 100. For å få absorpsjonsfaktoren A du må bare beregne A = 100 minus T.

Denne målingen gjentas med ulik fargede lysdioder og bestemmer i hvert tilfelle T eller A som en funksjon av bølgelengden (farge). Hvis du gjør dette med nok lysdioder, får du en absorpsjonskurve.

Trinn 1: Delene

For fotometeret trenger du følgende deler:

* Et svart etui med dimensjonene 160 x 100 x 70 mm eller lignende: hus

* En Arduino Nano: ebay arduino nano

* En operasjonsforsterker LF356: ebay LF356

* 3 kondensatorer med en kapasitet på 10μF: ebay -kondensatorer

* 2 kondensatorer med C = 100nF og en kondensator med 1nF: ebay -kondensatorer

* En spenningsomformer ICL7660: ebay ICL7660

* En fotodiode BPW34: ebay BPW34 fotodiode

* 6 motstander med 100, 1k, 10k, 100k, 1M og 10M ohm: ebay -motstander

* en I²C 16x2 skjerm: ebay 16x2 skjerm

* en 2x6 dreiebryter: dreiebryter

* en 9V batteriholder og et 9V batteri: batteriholder

* en bryter: bryter

* Glasskuvetter: ebay -kyvetter

* Lysdioder med forskjellige farger: f.e. ebay lysdioder

* en enkel 0-15V strømforsyning for å drive lysdiodene

* tre til kuvetteholderen

Trinn 2: Kretsen og Arduino-koden

Kretsen for fotometeret er veldig enkel. Den består av en fotodiode, en operasjonsforsterker, en spenningsomformer og noen andre deler (motstander, brytere, kondensatorer). Prinsippet for denne typen kretser er å konvertere (lav) strøm fra fotodioden til en høyere spenning, som kan leses av arduino nano. Multiplikasjonsfaktoren bestemmes av verdien til motstanden i tilbakemeldingen til OPA. For å være mer fleksibel tok jeg 6 forskjellige motstander, som kan velges med dreiebryteren. Den laveste "forstørrelsen" er 100, den høyeste 10 000 000. Alt drives av et enkelt 9V batteri.

Trinn 3: Første eksperiment: Absorpsjonskurven til klorofyll

For måleprosedyren: En kuvett er fylt med vann eller et annet gjennomsiktig løsningsmiddel. Dette plasseres deretter i fotometeret. Kuvetten blir dekket med et lystett lokk. Sett nå strømforsyningen til LED slik at en strøm på ca 10-20mA strømmer gjennom LED. Etter det, bruk dreiebryteren for å velge posisjonen der utgangsspenningen til fotodioden er rundt 3-4V. Finjusteringen av utgangsspenningen kan fortsatt gjøres med den justerbare strømforsyningen. Denne spenningen U0 er notert. Ta deretter kuvetten som inneholder væsken som skal undersøkes, og legg den i fotometeret. På dette tidspunktet må spenningen til strømforsyningen og posisjonen til dreiebryteren forbli uendret! Dekk deretter kyvetten igjen med lokket og mål spenningen U. For transmisjonen T i prosent er verdien T = U / U0 * 100. For å få absorpsjonskoeffisienten A må du bare beregne A = 100 - T.

Jeg kjøpte de forskjellige fargede lysdiodene fra Roithner Lasertechnik, som ligger i østerrike, hjemlandet mitt. For disse er den respektive bølgelengden angitt i nanometer. For å være helt sikker kan man sjekke den dominerende bølgelengden med et spektroskop og Theremino -programvaren (thereminospektrometer). I mitt tilfelle var dataene i nm ganske gode med målingene. Når du velger lysdioder, bør du oppnå en jevn dekning av bølgelengdeområdet fra 395 nm til 850 nm.

For det første eksperimentet med fotometeret valgte jeg klorofyll. Men for dette må du plukke gress fra en eng i håp om at ingen ser på deg …

Dette gresset kuttes deretter i små biter og settes sammen med propanol eller etanol i en gryte. Nå knuser du bladene med en mørtel eller en gaffel. Etter noen minutter har klorofyllet løst seg pent opp i propanolen. Denne løsningen er fortsatt for sterk. Den må fortynnes med tilstrekkelig propanol. Og for å unngå suspensjon må løsningen filtreres. Jeg tok et vanlig kaffefilter.

Resultatet skal se ut som vist på bildet. En veldig gjennomskinnelig grønn-gulaktig løsning. Deretter gjentar du målingen (U0, U) med hver LED. Som det kan sees fra den oppnådde absorpsjonskurven, stemmer teori og måling ganske godt overens. Klorofyll a + b absorberer veldig sterkt i det blå og røde spektralområdet, mens grønn-gult og infrarødt lys kan trenge inn i løsningen nesten uhindret. I det infrarøde området er absorpsjonen til og med nær null.

Trinn 4: Andre eksperiment: avhengigheten av utryddelsen av konsentrasjonen av kaliumpermanganat

Som et ytterligere eksperiment tilbyr bestemmelsen av utryddelsen avhengig av konsentrasjonen av det oppløste stoffet. Som oppløst stoff bruker jeg kaliumpermanganat. Lysintensiteten etter å ha penetrert løsningen følger Lambert-Beer-loven: Den leser I = I0 * 10 ^ (- E). I0 er intensiteten uten oppløst stoff, jeg intensiteten med oppløst stoff og E den såkalte utryddelsen. Denne utryddelsen E avhenger (lineært) av tykkelsen x av kyvetten og av konsentrasjonen c av oppløsningen. Dermed er E = k * c * x med k som molar absorpsjonskoeffisient. For å bestemme utryddelsen E trenger du bare I og I0, fordi E = lg (I0 / I). Når intensiteten reduseres til for eksempel 10%, vil utryddelsen E = 1 (10 ^ -1). Med en svekkelse til bare 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Hvis man bruker E som en funksjon av konsentrasjonen c, forventer vi å få en stigende rett linje gjennom nullpunktet.

Som du kan se fra min utryddelseskurve, er den ikke lineær. Ved høyere konsentrasjoner flater det, spesielt fra konsentrasjoner større enn 0,25. Dette betyr at utryddelsen er lavere enn forventet i henhold til Lambert-Beer-loven. Imidlertid vurderer bare lavere konsentrasjoner, for eksempel mellom 0 og 0,25, et veldig fint lineært forhold mellom konsentrasjonen c og utryddelsen E. I dette området kan den ukjente konsentrasjonen c bestemmes ut fra den målte utryddelsen E. I mitt tilfelle, konsentrasjonen har bare vilkårlige enheter, siden jeg ikke har bestemt den opprinnelige mengden oppløst kaliumpermanganat (det har bare vært milligram, som ikke kunne måles med min kjøkkenvekt i mitt tilfelle, oppløst i 4 ml vann til start løsning).

Trinn 5: Konklusjoner

Dette fotometeret er spesielt egnet for fysikk- og kjemiundervisning. Den totale kostnaden er bare rundt 60 Euro = 70 USD. De forskjellige fargede lysdiodene er den dyreste delen. På ebay eller aliexpress finner du sikkert billigere lysdioder, men vanligvis vet du ikke hvilke bølgelengder lysdiodene har. Sett på denne måten anbefales det å kjøpe fra en spesialforhandler.

I denne leksjonen lærer du noe om forholdet mellom fargen på væsker og deres absorpsjonsatferd, om den viktige klorofyllen, Lambert-Beer-loven, eksponensialer, overføring og absorpsjon, beregning av prosent og bølgelengder av de synlige fargene. Jeg synes dette er ganske mye…

Så ha det gøy også å lage dette prosjektet i leksjonen din og Eureka!

Sist, men ikke minst, ville jeg være veldig glad hvis du kunne stemme på meg i klasserommet-vitenskapskonkurransen. Takk for det…

Og hvis du er interessert i ytterligere fysikkeksperimenter, her er min youtube-kanal:

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

flere fysikkprosjekter: