Направи си сам LED-фотометър с Arduino за уроци по физика или химия: 5 стъпки (със снимки)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2025-01-23 14:36

Здравейте!

Течностите или други предмети изглеждат оцветени, защото отразяват или предават определени цветове и на свой ред поглъщат (абсорбират) други. С така наречения фотометър могат да се определят онези цветове (дължини на вълните), които се абсорбират от течности. Основният принцип е прост: със светодиод с определен цвят първо просветвате през кювета, пълна с вода или друг разтворител. Фотодиод измерва интензитета на входящата светлина и го преобразува в пропорционално напрежение U0. Тази стойност е отбелязана. След това кювета с течността, която трябва да се изследва, се поставя на пътя на лъча и отново измерва интензитета на светлината или напрежението U. След това коефициентът на предаване в проценти се изчислява просто чрез T = U / U0 * 100. За да получите коефициента на поглъщане A просто трябва да изчислите A = 100 минус T.

Това измерване се повтаря с различно оцветени светодиоди и определя във всеки случай T или A като функция от дължината на вълната (цвят). Ако направите това с достатъчно светодиоди, получавате крива на абсорбция.

Стъпка 1: Частите

За фотометъра се нуждаете от следните части:

* Черен калъф с размери 160 x 100 x 70 mm или подобен: корпус

* Arduino Nano: ebay arduino nano

* Операционен усилвател LF356: ebay LF356

* 3 кондензатора с капацитет 10μF: ebay кондензатори

* 2 кондензатора с C = 100nF и кондензатор с 1nF: ebay кондензатори

* Един инвертор на напрежение ICL7660: ebay ICL7660

* Един фотодиод BPW34: eBay фотодиод BPW34

* 6 резистора със 100, 1k, 10k, 100k, 1M и 10M ома: ebay резистори

* дисплей I²C 16x2: дисплей ebay 16x2

* ротационен превключвател 2x6: въртящ се превключвател

* 9V държач за батерия и 9V батерия: държач за батерия

* превключвател: превключвател

* Стъклени кювети: кювети от ebay

* Светодиоди с различен цвят: f.e. ebay светодиоди

* просто захранване 0-15V за захранване на светодиодите

* дърво за държача за кювета

Стъпка 2: Веригата и Arduino-кодът

Схемата за фотометъра е много проста. Състои се от фотодиод, операционен усилвател, инвертор на напрежение и някои други части (резистори, ключове, кондензатори). Принципът на този тип верига е да преобразува (ниския) ток от фотодиода в по -високо напрежение, което може да бъде прочетено от arduino nano. Коефициентът на умножение се определя от стойността на резистора в обратната връзка на OPA. За да бъда по -гъвкав, взех 6 различни резистора, които могат да бъдат избрани с въртящия се превключвател. Най -ниското "увеличение" е 100, най -голямото 10 000 000. Всичко се захранва от една 9V батерия.

Стъпка 3: Първи експеримент: Кривата на абсорбция на хлорофил

За измервателната процедура: Кювета се пълни с вода или друг прозрачен разтворител. След това се поставя във фотометъра. Кюветата е покрита с херметически затворен капак. Сега настройте захранването на светодиода така, че през светодиода да тече ток от около 10-20mA. След това използвайте въртящия се превключвател, за да изберете позицията, при която изходното напрежение на фотодиода е около 3-4V. Фината настройка на изходното напрежение все още може да се извърши с регулируемо захранване. Това напрежение U0 се отбелязва. След това вземете кюветата, съдържаща течността за изследване, и я поставете във фотометъра. В този момент напрежението на захранването и позицията на въртящия се ключ трябва да останат непроменени! След това отново покрийте кюветата с капака и измерете напрежението U. За предаването T в проценти стойността е T = U / U0 * 100. За да получите коефициента на поглъщане A, просто трябва да изчислите A = 100 - T.

Купих различните цветни светодиоди от Roithner Lasertechnik, който се намира в Австрия, моята родна страна. За тях съответната дължина на вълната е дадена в нанометри. За да сте наистина сигурни, човек може да провери доминиращата дължина на вълната със спектроскоп и софтуера Theremino (терминоспектрометър). В моя случай данните в nm се съгласиха с измерванията доста добре. Когато избирате светодиодите, трябва да постигнете равномерно покритие на обхвата на дължината на вълната от 395nm до 850nm.

За първия експеримент с фотометъра избрах хлорофил. Но за това ще трябва да откъснете трева от поляна с надеждата никой да не ви наблюдава …

След това тази трева се нарязва на малки парченца и се слага заедно с пропанол или етанол в саксия. Сега смачквате листата с хаванче или вилица. След няколко минути хлорофилът се разтваря добре в пропанола. Това решение все още е твърде силно. Трябва да се разрежда с достатъчно количество пропанол. И за да се избегне суспендиране, разтворът трябва да се филтрира. Взех общ филтър за кафе.

Резултатът трябва да изглежда така, както е показано на снимката. Много прозрачен зелено-жълтеникав разтвор. След това повтаряте измерването (U0, U) с всеки светодиод. Както може да се види от получената крива на абсорбция, теорията и измерването се съгласуват доста добре. Хлорофилът а + b абсорбира много силно в синия и червения спектрален диапазон, докато зелено-жълтата и инфрачервената светлина могат да проникнат в разтвора почти безпрепятствено. В инфрачервения диапазон абсорбцията е дори близо до нула.

Стъпка 4: Втори експеримент: Зависимостта на изчезването от концентрацията на калиев перманганат

Като допълнителен експеримент предлага определянето на изчезването в зависимост от концентрацията на разтвореното вещество. Като разтворено вещество използвам калиев перманганат. Интензитетът на светлината след проникване в разтвора следва закона на Ламберт-Бира: Той чете I = I0 * 10 ^ (- E). I0 е интензитетът без разтворено вещество, I интензитетът с разтворено вещество и E така нареченото изчезване. Това изчезване E зависи (линейно) от дебелината x на кюветата и от концентрацията c на разтвореното вещество. По този начин E = k * c * x с k като моларен коефициент на поглъщане. За да определите изчезването E, имате нужда само от I и I0, защото E = lg (I0 / I). Когато интензитетът се намали например до 10%, изчезването E = 1 (10 ^ -1). С отслабване само до 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Ако някой приложи E като функция от концентрацията c, бихме очаквали да получим нарастваща права линия през нулевата точка.

Както можете да видите от моята крива на изчезване, тя не е линейна. При по -високи концентрации той се изравнява, по -специално от концентрации, по -големи от 0,25. Това означава, че изчезването е по-ниско, отколкото би се очаквало според закона Lambert-Beer. Като се имат предвид обаче само по -ниски концентрации, например между 0 и 0,25, се получава много хубава линейна връзка между концентрацията c и изчезването E. В този диапазон неизвестната концентрация c може да бъде определена от измереното изчезване E. В моя случай, концентрацията има само произволни единици, тъй като не съм определил първоначалното количество разтворен калиев перманганат (това са само милиграми, които в моя случай не могат да бъдат измерени с моята кухненска везна, разтворени в 4 ml вода за стартиране решение).

Стъпка 5: Заключения

Този фотометър е особено подходящ за уроци по физика и химия. Общата цена е само около 60 евро = 70 щатски долара. Различните цветни светодиоди са най -скъпата част. В ebay или aliexpress със сигурност ще намерите по -евтини светодиоди, но обикновено не знаете кои дължини на вълните имат светодиодите. Погледнато по този начин, се препоръчва закупуване от специализиран търговец на дребно.

В този урок научавате нещо за връзката между цвета на течностите и тяхното поведение при абсорбиране, за важния хлорофил, закона на Ламберт-Бира, експоненциали, предаване и абсорбция, изчисляване на процентите и дължините на вълните на видимите цветове. Мисля, че това е доста…

Затова се забавлявайте също като направите този проект във вашия урок и Eureka!

Не на последно място бих бил много щастлив, ако можете да гласувате за мен в конкурса за класната стая. Благодаря за това…

И ако се интересувате от допълнителни експерименти по физика, ето моят youtube-канал:

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

още проекти по физика: