DIY LED-fotometer med Arduino för fysik eller kemilektioner: 5 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Hej!

Vätskor eller andra föremål verkar färgade eftersom de reflekterar eller överför vissa färger och i sin tur sväljer (absorberar) andra. Med en så kallad fotometer kan dessa färger (våglängder) bestämmas, vilka absorberas av vätskor. Grundprincipen är enkel: med en LED i en viss färg lyser du först genom en kyvett fylld med vatten eller annat lösningsmedel. En fotodiod mäter den inkommande ljusintensiteten och omvandlar den till en proportionell spänning U0. Detta värde noteras. Därefter placeras en kuvett med vätskan som ska undersökas i strålbanan och mäter igen ljusintensiteten eller spänningen U. Överföringsfaktorn i procent beräknas sedan helt enkelt med T = U / U0 * 100. För att få absorptionsfaktorn A du måste bara beräkna A = 100 minus T.

Denna mätning upprepas med olika färgade lysdioder och bestämmer i varje fall T eller A som en funktion av våglängden (färg). Om du gör detta med tillräckligt många lysdioder får du en absorptionskurva.

Steg 1: Delarna

För fotometern behöver du följande delar:

* Ett svart fodral med måtten 160 x 100 x 70 mm eller liknande: hölje

* En Arduino Nano: ebay arduino nano

* En operationsförstärkare LF356: ebay LF356

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

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

* En spänningsomvandlare ICL7660: ebay ICL7660

* En fotodiod BPW34: ebay BPW34 fotodiod

* 6 motstånd med 100, 1k, 10k, 100k, 1M och 10M ohm: ebay -motstånd

* en I²C 16x2 -skärm: ebay 16x2 -skärm

* en 2x6 -vridomkopplare: vridomkopplare

* en 9V batterihållare och ett 9V batteri: batterihållare

* en switch: switch

* Glaskuvetter: ebay -kyvetter

* Lysdioder med olika färg: f.e. ebay lysdioder

* En enkel 0-15V strömförsörjning för att driva lysdioderna

* trä för kyvetthållaren

Steg 2: Kretsen och Arduino-koden

Kretsen för fotometern är mycket enkel. Den består av en fotodiod, en driftförstärkare, en spänningsomvandlare och några andra delar (motstånd, omkopplare, kondensatorer). Principen för denna typ av kretsar är att omvandla (låg) ström från fotodioden till en högre spänning, som kan läsas av arduino nano. Multiplikationsfaktorn bestäms av motståndets värde i OPA: s återkoppling. För att vara mer flexibel tog jag 6 olika motstånd, som kan väljas med vridomkopplaren. Den lägsta "förstoringen" är 100, den högsta 10 000 000. Allt drivs av ett enda 9V batteri.

Steg 3: Första experimentet: Absorptionskurvan för klorofyll

För mätproceduren: En kyvett fylls med vatten eller ett annat genomskinligt lösningsmedel. Detta placeras sedan i fotometern. Kyvetten täcks med ett ljustätt lock. Ställ nu in strömförsörjningen för lysdioden så att en ström på cirka 10-20mA flödar genom lysdioden. Använd därefter vridomkopplaren för att välja den position vid vilken fotodiodens utspänning är cirka 3-4V. Finjusteringen av utspänningen kan fortfarande göras med den justerbara strömförsörjningen. Denna spänning U0 noteras. Ta sedan kyvetten som innehåller vätskan som ska undersökas och placera den i fotometern. Vid denna tidpunkt måste spänningen i strömförsörjningen och vridomkopplarens läge förbli oförändrad! Täck sedan kyvetten igen med locket och mät spänningen U. För transmissionen T i procent är värdet T = U / U0 * 100. För att få absorptionskoefficienten A måste du bara beräkna A = 100 - T.

Jag köpte de olika färgade lysdioderna från Roithner Lasertechnik som ligger i österrike, mitt hemland. För dessa anges respektive våglängd i nanometer. För att vara riktigt säker kan man kontrollera den dominerande våglängden med ett spektroskop och Theremino -programvaran (thereminospektrometer). I mitt fall överensstämde data i nm med mätningarna ganska bra. När du väljer lysdioder bör du uppnå lika jämn täckning av våglängdsområdet från 395 nm till 850 nm.

För det första experimentet med fotometern valde jag klorofyll. Men för detta måste du plocka gräs från en äng i hopp om att ingen tittar på dig …

Detta gräs skärs sedan i små bitar och läggs tillsammans med propanol eller etanol i en kruka. Nu krossar du bladen med en murbruk eller en gaffel. Efter några minuter har klorofyllet löst sig fint i propanolen. Denna lösning är fortfarande för stark. Det måste spädas ut med tillräcklig propanol. Och för att undvika suspenderad måste lösningen filtreras. Jag tog ett vanligt kaffefilter.

Resultatet ska se ut som på bilden. En mycket genomskinlig gröngulaktig lösning. Sedan upprepar du mätningen (U0, U) med varje lysdiod. Som det framgår av den erhållna absorptionskurvan stämmer teori och mätning ganska bra. Klorofyll a + b absorberar mycket starkt i det blå och röda spektralområdet, medan gröngult och infrarött ljus kan tränga igenom lösningen nästan obehindrat. I det infraröda området är absorptionen till och med nära noll.

Steg 4: Andra experimentet: beroende av utrotning på koncentrationen av kaliumpermanganat

Som ett ytterligare experiment erbjuder bestämningen av utrotningen beroende på koncentrationen av lösta ämnen. Som löst ämne använder jag kaliumpermanganat. Ljusintensiteten efter penetrering av lösningen följer Lambert-Beer-lagen: Den läser I = I0 * 10 ^ (- E). I0 är intensiteten utan löst ämne, jag intensiteten med löst ämne och E den så kallade utrotningen. Denna utrotning E beror (linjärt) på kyvettens tjocklek x och koncentrationen c av löst ämne. Således är E = k * c * x med k som molär absorptionskoefficient. För att bestämma utrotningen E behöver du bara I och I0, eftersom E = lg (I0 / I). När intensiteten reduceras till exempelvis 10%, är utrotningen E = 1 (10 ^ -1). Med en försvagning till endast 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Om man tillämpar E som en funktion av koncentrationen c, förväntar vi oss att få en stigande rak linje genom nollpunkten.

Som du kan se från min utrotningskurva är den inte linjär. Vid högre koncentrationer planar det ut, särskilt från koncentrationer som är större än 0,25. Detta innebär att utrotningen är lägre än vad som kan förväntas enligt Lambert-Beer-lagen. Men med tanke på endast lägre koncentrationer, till exempel mellan 0 och 0,25, resulterar det i ett mycket trevligt linjärt förhållande mellan koncentrationen c och utrotningen E. I detta område kan den okända koncentrationen c bestämmas utifrån den uppmätta utrotningen E. I mitt fall, koncentrationen har bara godtyckliga enheter, eftersom jag inte har bestämt den initiala mängden löst kaliumpermanganat (det har bara varit milligram, som inte kunde mätas med min köksvåg i mitt fall, upplöst i 4 ml vatten för start lösning).

Steg 5: Slutsatser

Denna fotometer är särskilt lämplig för fysik- och kemilektioner. Den totala kostnaden är bara cirka 60 Euro = 70 USD. De olika färgade lysdioderna är den dyraste delen. På ebay eller aliexpress hittar du säkert billigare lysdioder men vanligtvis vet du inte vilka våglängder lysdioderna har. Sett på detta sätt rekommenderas att köpa från en specialisthandlare.

På den här lektionen lär du dig något om sambandet mellan vätskornas färg och deras absorptionsbeteende, om den viktiga klorofyllen, Lambert-öllagen, exponentialer, överföring och absorption, beräkning av procentsatser och de synliga färgernas våglängder. Jag tycker att det här är ganska mycket …

Så ha kul också att göra detta projekt i din lektion och Eureka!

Sist men inte minst skulle jag bli väldigt glad om du kunde rösta på mig i klass-science-tävlingen. Tack för det…

Och om du är intresserad av ytterligare fysik experiment, här är min youtube-kanal:

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

fler fysikprojekt: