DIY LED-fotometer med Arduino til fysik eller kemi lektioner: 5 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Hej!

Væsker eller andre genstande ser farvede ud, fordi de reflekterer eller transmitterer bestemte farver og sluger (absorberer) andre. Med et såkaldt fotometer kan disse farver (bølgelængder) bestemmes, som absorberes af væsker. Grundprincippet er enkelt: Med en LED i en bestemt farve skinner du først gennem en kuvette fyldt med vand eller et andet opløsningsmiddel. En fotodiode måler den indgående lysintensitet og konverterer den til en proportional spænding U0. Denne værdi er noteret. Derefter placeres en kuvette med den væske, der skal undersøges i strålebanen og måler igen lysintensiteten eller spændingen U. Transmissionsfaktoren i procent beregnes derefter simpelthen med T = U / U0 * 100. For at få absorptionsfaktoren A du skal bare beregne A = 100 minus T.

Denne måling gentages med forskelligt farvede lysdioder og bestemmer i hvert tilfælde T eller A som funktion af bølgelængden (farve). Hvis du gør dette med nok lysdioder, får du en absorptionskurve.

Trin 1: Delene

Til fotometeret har du brug for følgende dele:

* En sort kasse med dimensionerne 160 x 100 x 70 mm eller lignende: hus

* En Arduino Nano: ebay arduino nano

* En operationsforstærker LF356: ebay LF356

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

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

* En spændingsomformer ICL7660: ebay ICL7660

* En fotodiode BPW34: ebay BPW34 fotodiode

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

* en I²C 16x2 skærm: ebay 16x2 skærm

* en 2x6 drejekontakt: drejekontakt

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

* en switch: switch

* Glaskuvetter: ebay -kyvetter

* Lysdioder med forskellige farver: f.e. ebay lysdioder

* en enkel 0-15V strømforsyning til at drive lysdioderne

* træ til kuvetteholderen

Trin 2: Kredsløbet og Arduino-koden

Kredsløbet til fotometeret er meget enkelt. Den består af en fotodiode, en operationsforstærker, en spændingsomformer og nogle andre dele (modstande, kontakter, kondensatorer). Princippet for denne type kredsløb er at konvertere (lav) strøm fra fotodioden til en højere spænding, som kan aflæses af arduino nano. Multiplikationsfaktoren bestemmes af modstandens værdi i OPA's feedback. For at være mere fleksibel tog jeg 6 forskellige modstande, som kan vælges med drejekontakten. Den laveste "forstørrelse" er 100, den højeste 10 000 000. Alt drives af et enkelt 9V batteri.

Trin 3: Første eksperiment: Klorofyls absorptionskurve

Til måleproceduren: En kuvette er fyldt med vand eller et andet gennemsigtigt opløsningsmiddel. Dette placeres derefter i fotometeret. Kuvetten dækkes med et lystæt låg. Indstil nu strømforsyningen til LED'en, så en strøm på ca. 10-20mA strømmer gennem LED'en. Brug derefter drejekontakten til at vælge den position, hvor fotodiodens udgangsspænding er omkring 3-4V. Finjusteringen af udgangsspændingen kan stadig foretages med den justerbare strømforsyning. Denne spænding U0 er noteret. Tag derefter kuvetten, der indeholder den væske, der skal undersøges, og anbring den i fotometeret. På dette tidspunkt skal strømforsyningens spænding og drejekontaktens position forblive uændret! Dæk derefter kuvetten igen med låget og mål spændingen U. For transmissionen T i procent er værdien T = U / U0 * 100. For at få absorptionskoefficienten A skal du bare beregne A = 100 - T.

Jeg købte de forskellige farvede lysdioder fra Roithner Lasertechnik, som ligger i østrig, mit hjemland. For disse er den respektive bølgelængde angivet i nanometer. For at være virkelig sikker kan man kontrollere den dominerende bølgelængde med et spektroskop og Theremino -softwaren (thereminospektrometer). I mit tilfælde var dataene i nm ganske gode med målingerne. Når du vælger lysdioderne, bør du opnå en jævn dækning af bølgelængdeområdet fra 395 nm til 850 nm.

Til det første forsøg med fotometeret valgte jeg klorofyl. Men for dette skal du plukke græs fra en eng i håb om, at ingen ser på dig …

Dette græs skæres derefter i små stykker og sættes sammen med propanol eller ethanol i en gryde. Nu knuser du bladene med en morter eller en gaffel. Efter et par minutter er klorofylet opløst pænt i propanolen. Denne løsning er stadig for stærk. Det skal fortyndes med tilstrækkelig propanol. Og for at undgå suspenderet skal opløsningen filtreres. Jeg tog et almindeligt kaffefilter.

Resultatet skal se ud som vist på billedet. En meget gennemskinnelig grøn-gullig opløsning. Derefter gentager du målingen (U0, U) med hver LED. Som det kan ses fra den opnåede absorptionskurve, stemmer teori og måling ganske godt overens. Klorofyl a + b absorberer meget stærkt i det blå og røde spektrale område, mens grønt-gult og infrarødt lys kan trænge ind i opløsningen næsten uhindret. I det infrarøde område er absorptionen endda tæt på nul.

Trin 4: Andet eksperiment: Udslettelsens afhængighed af koncentrationen af kaliumpermanganat

Som et yderligere eksperiment tilbyder bestemmelsen af udryddelsen afhængig af koncentrationen af det opløste stof. Som opløst stof bruger jeg kaliumpermanganat. Lysintensiteten efter penetrering af opløsningen følger Lambert-Beer-loven: Den læser I = I0 * 10 ^ (- E). I0 er intensiteten uden opløst stof, jeg intensiteten med opløst stof og E den såkaldte udryddelse. Denne udryddelse E afhænger (lineært) af tykkelsen x af kuvetten og af koncentrationen c af det opløste stof. Således E = k * c * x med k som molær absorptionskoefficient. For at bestemme udryddelsen E skal du bare bruge I og I0, fordi E = lg (I0 / I). Når intensiteten reduceres til for eksempel 10%, er udryddelsen E = 1 (10 ^ -1). Med en svækkelse til kun 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Hvis man anvender E som funktion af koncentrationen c, ville vi forvente at opnå en stigende lige linje gennem nulpunktet.

Som du kan se fra min udryddelseskurve, er den ikke lineær. Ved højere koncentrationer flader det ud, specifikt fra koncentrationer større end 0,25. Det betyder, at udryddelsen er lavere end forventet ifølge Lambert-Beer-loven. I betragtning af kun lavere koncentrationer, for eksempel mellem 0 og 0,25, resulterer det imidlertid i et meget flot lineært forhold mellem koncentrationen c og udryddelsen E. I dette område kan den ukendte koncentration c bestemmes ud fra den målte udryddelse E. I mit tilfælde, har koncentrationen kun vilkårlige enheder, da jeg ikke har bestemt den oprindelige mængde opløst kaliumpermanganat (det har kun været milligram, som ikke kunne måles med min køkkenvægt i mit tilfælde, opløst i 4 ml vand til start løsning).

Trin 5: Konklusioner

Dette fotometer er særligt velegnet til fysik- og kemitimer. De samlede omkostninger er kun omkring 60 Euro = 70 USD. De forskellige farvede lysdioder er den dyreste del. På ebay eller aliexpress finder du helt sikkert billigere lysdioder, men normalt ved du ikke, hvilke bølgelængder LED'erne har. Set på denne måde anbefales det at købe fra en forhandler.

I denne lektion lærer du noget om forholdet mellem farven på væsker og deres absorptionsadfærd, om den vigtige klorofyl, Lambert-ølloven, eksponentielle oplysninger, transmission og absorption, beregning af procenter og bølgelængderne af de synlige farver. Jeg synes det er ret meget…

Så sjov også at lave dette projekt i din lektion og Eureka!

Sidst men ikke mindst ville jeg være meget glad, hvis du kunne stemme på mig i klasseværelset-videnskabskonkurrencen. Tak for det…

Og hvis du er interesseret i yderligere fysikeksperimenter, her er min youtube-kanal:

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

flere fysikprojekter: