LED-фотометр своими руками с Arduino для уроков физики или химии: 5 шагов (с картинками)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Привет!

Жидкости или другие объекты кажутся окрашенными, потому что они отражают или передают одни цвета и, в свою очередь, поглощают (поглощают) другие. С помощью так называемого фотометра можно определить те цвета (длины волн), которые поглощаются жидкостями. Основной принцип прост: с помощью светодиода определенного цвета вы сначала светите через кювету, наполненную водой или другим растворителем. Фотодиод измеряет интенсивность падающего света и преобразует его в пропорциональное напряжение U0. Это значение отмечается. После этого кювета с исследуемой жидкостью помещается на пути луча и снова измеряет интенсивность света или напряжение U. Коэффициент пропускания в процентах затем просто вычисляется как T = U / U0 * 100. Чтобы получить коэффициент поглощения A вам просто нужно вычислить A = 100 минус T.

Это измерение повторяется со светодиодами разного цвета и в каждом случае определяет T или A в зависимости от длины волны (цвета). Если вы сделаете это с достаточным количеством светодиодов, вы получите кривую поглощения.

Шаг 1: Детали

Для фотометра понадобятся следующие детали:

* Черный корпус размером 160 x 100 x 70 мм или аналогичный: корпус

* Arduino Nano: ebay arduino nano

* Операционный усилитель LF356: ebay LF356

* 3 конденсатора емкостью 10 мкФ: конденсаторы ebay

* 2 конденсатора с C = 100 нФ и конденсатор с 1 нФ: конденсаторы ebay

* Один инвертор напряжения ICL7660: ebay ICL7660

* Один фотодиод BPW34: фотодиод ebay BPW34

* 6 резисторов на 100, 1 кОм, 10 кОм, 100 кОм, 1 МОм и 10 МОм: резисторы ebay

* дисплей I²C 16x2: дисплей ebay 16x2

* поворотный переключатель 2x6: поворотный переключатель

* держатель батареи 9 В и батарея 9 В: держатель батареи

* переключатель: переключатель

* Стеклянные кюветы: кюветы ebay

* Светодиоды разного цвета: например. светодиоды ebay

* простой блок питания 0-15В для питания светодиодов

* дерево для кюветодержателя

Шаг 2: Схема и код Arduino

Схема фотометра очень проста. Он состоит из фотодиода, операционного усилителя, инвертора напряжения и некоторых других частей (резисторы, переключатели, конденсаторы). Принцип этого типа схемы заключается в преобразовании (низкого) тока от фотодиода в более высокое напряжение, которое может быть считано Arduino nano. Коэффициент умножения определяется значением резистора в обратной связи OPA. Для большей гибкости я взял 6 разных резисторов, которые можно выбрать с помощью поворотного переключателя. Наименьшее «увеличение» - 100, максимальное - 10 000 000. Все работает от одной батареи на 9 В.

Шаг 3: Первый эксперимент: кривая поглощения хлорофилла

Для процедуры измерения: кювета наполняется водой или другим прозрачным растворителем. Затем его помещают в фотометр. Кювета закрывается светонепроницаемой крышкой. Теперь установите источник питания для светодиода так, чтобы через светодиод протекал ток около 10-20 мА. После этого с помощью поворотного переключателя выберите положение, при котором выходное напряжение фотодиода составляет около 3-4 В. Точная настройка выходного напряжения по-прежнему может быть выполнена с помощью регулируемого источника питания. Отмечается это напряжение U0. Затем возьмите кювету с исследуемой жидкостью и поместите ее в фотометр. При этом напряжение источника питания и положение поворотного переключателя должны оставаться неизменными! Затем снова накройте кювету крышкой и измерьте напряжение U. Для передачи T в процентах значение T = U / U0 * 100. Чтобы получить коэффициент поглощения A, вам просто нужно вычислить A = 100 - T.

Я купил светодиоды разного цвета в компании Roithner Lasertechnik, которая находится в Австрии, моей родной стране. Для них соответствующая длина волны указывается в нанометрах. Чтобы быть действительно уверенным, можно проверить доминирующую длину волны с помощью спектроскопа и программного обеспечения Theremino (спектрометр Theremino). В моем случае данные в нм неплохо согласуются с измерениями. Выбирая светодиоды, вы должны добиться равномерного покрытия диапазона длин волн от 395 до 850 нм.

Для первого эксперимента с фотометром я выбрал хлорофилл. Но для этого вам придется срывать траву с луга в надежде, что за вами никто не наблюдает …

Затем эту траву разрезают на мелкие кусочки и смешивают с пропанолом или этанолом в горшке. Теперь вы раздавите листья ступкой или вилкой. Через несколько минут хлорофилл хорошо растворился в пропаноле. Это решение все еще слишком сильное. Его нужно разбавить достаточным количеством пропанола. И чтобы избежать образования суспензии, раствор необходимо профильтровать. Я взял обычный кофейный фильтр.

Результат должен выглядеть так, как показано на картинке. Очень полупрозрачный зелено-желтоватый раствор. Затем вы повторяете измерение (U0, U) для каждого светодиода. Как видно из полученной кривой поглощения, теория и измерения достаточно хорошо согласуются. Хлорофилл a + b очень сильно поглощает в синем и красном спектральном диапазоне, в то время как зелено-желтый и инфракрасный свет могут почти беспрепятственно проникать в раствор. В инфракрасном диапазоне поглощение даже близко к нулю.

Шаг 4: Второй эксперимент: зависимость вымирания от концентрации перманганата калия

В качестве дальнейшего эксперимента предлагается определение угасания в зависимости от концентрации растворенного вещества. В качестве растворенного вещества я использую перманганат калия. Интенсивность света после проникновения в раствор соответствует закону Ламберта-Бера: он читается как I = I0 * 10 ^ (- E). I0 - это интенсивность без растворенного вещества, I - интенсивность с растворенным веществом, а E - так называемое затухание. Это поглощение E зависит (линейно) от толщины x кюветы и от концентрации c растворенного вещества. Таким образом, E = k * c * x с k как молярный коэффициент поглощения. Для определения экстинкции E вам просто нужны I и I0, потому что E = lg (I0 / I). Когда интенсивность снижается, например, до 10%, поглощение E = 1 (10 ^ -1). При ослаблении всего до 1% E = 2 (10 ^ -2).

Если применить E как функцию концентрации c, мы ожидаем получить восходящую прямую линию через нулевую точку.

Как вы можете видеть из моей кривой вымирания, она не линейна. При более высоких концентрациях он выравнивается, особенно при концентрациях выше 0,25. Это означает, что вымирание ниже, чем можно было бы ожидать в соответствии с законом Ламберта-Бера. Однако рассмотрение только более низких концентраций, например между 0 и 0,25, приводит к очень хорошей линейной зависимости между концентрацией c и экстинкцией E. В этом диапазоне неизвестная концентрация c может быть определена из измеренного значения экстинкции E. В моем случае, концентрация имеет только произвольные единицы, так как я не определил начальное количество растворенного перманганата калия (в моем случае это были только миллиграммы, которые невозможно измерить с помощью моих кухонных весов, растворенных в 4 мл воды для начала). решение).

Шаг 5: выводы

Этот фотометр особенно подходит для уроков физики и химии, его общая стоимость составляет всего около 60 евро = 70 долларов США. Светодиоды разного цвета - самая дорогая деталь. На ebay или aliexpress вы наверняка найдете более дешевые светодиоды, но обычно вы не знаете, какие длины волн имеют светодиоды. С этой точки зрения рекомендуется покупать в специализированном магазине.

В этом уроке вы узнаете кое-что о связи между цветом жидкостей и их способностью к поглощению, о важном хлорофилле, законе Ламберта-Бера, экспонентах, пропускании и поглощении, вычислении процентов и длинах волн видимых цветов. Думаю, это довольно много …

Так что получайте удовольствие, создавая этот проект на своем уроке и Эврике!

И последнее, но не менее важное: я был бы очень рад, если бы вы проголосовали за меня в конкурсе по классной науке. Спасибо за это…

А если вас интересуют дальнейшие эксперименты по физике, вот мой канал на YouTube:

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

другие проекты по физике: