Fizik veya Kimya Dersleri için Arduino ile DIY LED-fotometre: 5 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Merhaba!

Sıvılar veya diğer nesneler, belirli renkleri yansıttıkları veya ilettikleri ve sırayla diğerlerini yuttukları (emdikleri) için renkli görünürler. Sözde bir fotometre ile sıvılar tarafından emilen bu renkler (dalga boyları) belirlenebilir. Temel prensip basittir: belirli bir renkteki bir LED ile önce su veya başka bir solvent ile doldurulmuş bir küvetin içinden parlarsınız. Bir fotodiyot, gelen ışık yoğunluğunu ölçer ve onu orantılı bir U0 voltajına dönüştürür. Bu değer not edilir. Daha sonra, incelenecek sıvıyı içeren bir küvet ışın yoluna yerleştirilir ve tekrar ışık yoğunluğunu veya U voltajını ölçer. Yüzde olarak iletim faktörü daha sonra T = U / U0 * 100 ile basitçe hesaplanır. Absorpsiyon faktörünü elde etmek için A sadece A = 100 eksi T'yi hesaplamanız gerekiyor.

Bu ölçüm farklı renkteki LED'lerle tekrarlanır ve her durumda dalga boyunun (renk) bir fonksiyonu olarak T veya A'yı belirler. Bunu yeterli sayıda LED ile yaparsanız bir absorpsiyon eğrisi elde edersiniz.

Adım 1: Parçalar

Fotometre için aşağıdaki parçalara ihtiyacınız var:

* 160 x 100 x 70 mm veya benzeri ölçülerde siyah bir kasa: muhafaza

* Bir Arduino Nano: ebay arduino nano

* İşlemsel yükselteç LF356: ebay LF356

* 10μF kapasiteli 3 kapasitör: ebay kapasitörler

* C = 100nF'li 2 kapasitör ve 1nF'li bir kapasitör: ebay kapasitörler

* Bir voltaj invertörü ICL7660: ebay ICL7660

* Bir fotodiyot BPW34: ebay BPW34 fotodiyot

* 100, 1k, 10k, 100k, 1M ve 10M ohm'lu 6 direnç: ebay dirençleri

* bir I²C 16x2 ekran: ebay 16x2 ekran

* 2x6 döner anahtar: döner anahtar

* 9V pil tutucu ve 9V pil: pil tutucu

* bir anahtar: anahtar

* Cam küvetler: ebay küvetler

* Farklı renkte LED'ler: f.e. ebay LED'leri

* LED'lere güç sağlamak için basit bir 0-15V güç kaynağı

* küvet tutucusu için ahşap

Adım 2: Devre ve Arduino kodu

Fotometre devresi çok basittir. Bir fotodiyot, bir işlemsel yükselteç, bir voltaj dönüştürücü ve diğer bazı parçalardan (dirençler, anahtarlar, kapasitörler) oluşur. Bu tip devrenin prensibi, fotodiyottan gelen (düşük) akımı arduino nano tarafından okunabilen daha yüksek bir voltaja dönüştürmektir. Çarpma faktörü, OPA'nın geri beslemesindeki direncin değeri ile belirlenir. Daha esnek olması için döner anahtarla seçilebilen 6 farklı direnç aldım. En düşük "büyütme" 100, en yüksek 10 000 000'dir. Her şey tek bir 9V pil ile çalışır.

Adım 3: Birinci Deney: Klorofilin Soğurma Eğrisi

Ölçüm prosedürü için: Bir küvet su veya başka bir şeffaf solvent ile doldurulur. Bu daha sonra fotometreye yerleştirilir. Küvet ışık geçirmez bir kapakla kapatılıyor. Şimdi LED'in güç kaynağını, LED'den yaklaşık 10-20mA'lık bir akım geçecek şekilde ayarlayın. Bundan sonra, fotodiyotun çıkış voltajının 3-4V civarında olduğu konumu seçmek için döner anahtarı kullanın. Çıkış voltajının ince ayarı, ayarlanabilir güç kaynağı ile hala yapılabilir. Bu voltaj U0 not edilir. Ardından incelenecek sıvının bulunduğu küveti alıp fotometreye yerleştirin. Bu noktada güç kaynağının voltajı ve döner anahtarın konumu değişmeden kalmalıdır! Ardından küveti tekrar kapakla kapatın ve U voltajını ölçün. T iletimi için yüzde olarak değer T = U / U0 * 100'dür. A absorpsiyon katsayısını elde etmek için A = 100 - T'yi hesaplamanız yeterlidir.

Farklı renkli LED'leri kendi ülkem olan Avusturya'da bulunan Roithner Lasertechnik'ten satın aldım. Bunlar için ilgili dalga boyu nanometre cinsinden verilir. Gerçekten emin olmak için, baskın dalga boyunu bir spektroskop ve Theremino yazılımı (theremino spektrometresi) ile kontrol edebilirsiniz. Benim durumumda, nm cinsinden veriler, ölçümlerle oldukça iyi anlaşıyordu. LED'leri seçerken, 395nm'den 850nm'ye kadar olan dalga boyu aralığını eşit olarak kapsamanız gerekir.

Fotometre ile ilk deney için klorofil seçtim. Ama bunun için kimsenin sizi izlemediğini umarak bir çayırdan ot toplamanız gerekecek…

Bu çim daha sonra küçük parçalar halinde kesilir ve bir tencereye propanol veya etanol ile bir araya getirilir. Şimdi yaprakları bir harç veya çatalla eziyorsunuz. Birkaç dakika sonra klorofil propanol içinde güzelce çözüldü. Bu çözüm hala çok güçlü. Yeterli propanol ile seyreltilmesi gerekir. Ve herhangi bir askıya alınmasını önlemek için çözeltinin filtrelenmesi gerekir. Sıradan bir kahve filtresi aldım.

Sonuç resimde gösterildiği gibi görünmelidir. Çok yarı saydam yeşil-sarımsı bir çözüm. Ardından ölçümü (U0, U) her bir LED ile tekrarlarsınız. Elde edilen absorpsiyon eğrisinden de anlaşılacağı gibi teori ve ölçüm oldukça uyumludur. Klorofil a + b, mavi ve kırmızı spektral aralıkta çok güçlü bir şekilde emerken, yeşil-sarı ve kızılötesi ışık çözeltiye neredeyse engellenmeden nüfuz edebilir. Kızılötesi aralıkta absorpsiyon sıfıra yakındır.

Adım 4: İkinci Deney: Yok Olmanın Potasyum Permanganat Konsantrasyonuna Bağımlılığı

Bir başka deney olarak, çözünen maddenin konsantrasyonuna bağlı olarak sönmenin belirlenmesini sunar. Çözünen olarak potasyum permanganat kullanıyorum. Çözeltiye nüfuz ettikten sonraki ışık yoğunluğu, Lambert-Beer kanununu takip eder: I = I0 * 10 ^ (- E) okur. I0 çözünensiz yoğunluk, I çözünen yoğunluk ve E sözde sönmedir. Bu sönme E (doğrusal olarak) küvetin kalınlığına (x) ve çözünen maddenin konsantrasyonuna (c) bağlıdır. Böylece, molar absorpsiyon katsayısı olarak k ile E = k * c * x. E yok oluşunu belirlemek için sadece I ve I0'a ihtiyacınız var çünkü E = lg (I0 / I). Yoğunluk, örneğin %10'a düşürüldüğünde, sönme E = 1 (10 ^ -1). Sadece %1'e kadar zayıflama ile, E = 2 (10 ^ -2).

E konsantrasyonu c'nin bir fonksiyonu olarak uygulanırsa, sıfır noktasından geçen bir yükselen düz çizgi elde etmeyi bekleriz.

Yok olma eğrimden de görebileceğiniz gibi, lineer değil. Daha yüksek konsantrasyonlarda, özellikle 0.25'in üzerindeki konsantrasyonlarda düzleşir. Bu, neslinin tükenmesinin Lambert-Beer yasasına göre beklenenden daha düşük olduğu anlamına gelir. Bununla birlikte, örneğin 0 ile 0.25 arasında sadece daha düşük konsantrasyonlar göz önüne alındığında, c konsantrasyonu ile E tükenmesi arasında çok güzel bir doğrusal ilişki ortaya çıkar. Bu aralıkta, bilinmeyen konsantrasyon c, ölçülen E tükenmesinden belirlenebilir. Benim durumumda, konsantrasyon sadece keyfi birimlere sahiptir, çünkü başlangıçtaki çözünmüş potasyum permanganat miktarını belirlemedim (benim durumumda mutfak terazimle ölçülemeyen sadece miligram olmuştur, başlangıç için 4 ml su içinde çözülmüştür). çözüm).

Adım 5: Sonuçlar

Bu fotometre özellikle fizik ve kimya dersleri için uygundur. Toplam maliyeti sadece 60 Euro = 70 USD civarındadır. Farklı renkli LED'ler en pahalı kısımdır. Ebay veya aliexpress'te kesinlikle daha ucuz LED'ler bulacaksınız, ancak genellikle LED'lerin hangi dalga boylarına sahip olduğunu bilmiyorsunuz. Bu şekilde görüldüğünde, uzman bir perakendeciden satın alınması tavsiye edilir.

Bu derste sıvıların rengi ile absorpsiyon davranışı arasındaki ilişki, önemli Klorofil, Lambert-Beer yasası, üsteller, iletim ve absorpsiyon, yüzdelerin hesaplanması ve görünür renklerin dalga boyları hakkında bir şeyler öğreneceksiniz. Bence bu oldukça fazla…

Bu projeyi dersinizde ve Eureka'da yaparken de iyi eğlenceler!

Son olarak, sınıf-fen-yarışmasında bana oy verirseniz çok mutlu olurum. Bunun için teşekkürler…

Ve daha fazla fizik deneyi ile ilgileniyorsanız, işte youtube kanalım:

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

daha fazla fizik projesi: