Fizika və ya kimya dərsləri üçün Arduino ilə DIY LED fotometr: 5 addım (şəkillərlə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:46

Salam!

Mayelər və ya digər əşyalar müəyyən rəngləri əks etdirdikləri və ya ötürdükləri üçün rəngli görünürlər və öz növbələrində başqalarını udurlar. Sözdə fotometr vasitəsi ilə mayelər tərəfindən əmilən rəngləri (dalğa uzunluqları) təyin etmək olar. Əsas prinsip sadədir: müəyyən bir rəngli bir LED ilə əvvəlcə su və ya başqa bir həlledici ilə dolu bir küvetdən parlayırsınız. Bir fotodiod gələn işığın intensivliyini ölçür və onu nisbi U0 gərginliyə çevirir. Bu dəyər qeyd olunur. Bundan sonra, araşdırılacaq maye olan bir küvet şüa yoluna qoyulur və yenidən işıq intensivliyini və ya U gərginliyini ölçür. Faizlə ötürülmə faktoru sadəcə T = U / U0 * 100 ilə hesablanır. Absorbsiya əmsalını əldə etmək üçün. A yalnız A = 100 mənfi T hesablamalısınız.

Bu ölçmə fərqli rəngli LED -lərlə təkrarlanır və hər bir halda T və ya A dalğa uzunluğunun (rənginin) funksiyası olaraq təyin olunur. Bunu kifayət qədər LED ilə etsəniz, bir udma əyrisi əldə edəcəksiniz.

Addım 1: Parçalar

Fotometr üçün aşağıdakı hissələrə ehtiyacınız var:

* Ölçüləri 160 x 100 x 70 mm və ya buna bənzər qara qutu: korpus

* Bir Arduino Nano: ebay arduino nano

* Əməliyyat gücləndiricisi LF356: ebay LF356

* 10μF tutumlu 3 kondansatör: ebay kondansatörləri

* C = 100nF ilə 2 kondansatör və 1nF ilə bir kondansatör: ebay kondansatörləri

* Bir gərginlikli çevirici ICL7660: ebay ICL7660

* Bir fotodiod BPW34: ebay BPW34 fotodiod

* 100, 1k, 10k, 100k, 1M və 10M ohmlu 6 rezistor: ebay rezistorları

* I²C 16x2 ekran: ebay 16x2 ekran

* 2x6 fırlanan açar: fırlanan açar

* 9V batareya tutacağı və 9V batareya: batareya tutacağı

* bir keçid: keçid

* Şüşə küvetlər: ebay küvetləri

* Fərqli rəngli LEDlər: f.e. ebay LEDləri

* LEDləri gücləndirmək üçün sadə 0-15V enerji təchizatı

* küvet tutacaq üçün ağac

Addım 2: Dövrə və Arduino kodu

Fotometrin dövrəsi çox sadədir. Bir fotodiod, əməliyyat gücləndiricisi, bir gərginlik çeviricisi və bəzi digər hissələrdən (rezistorlar, açarlar, kondansatörlər) ibarətdir. Bu tip dövrə prinsipi, fotodioddan (aşağı) cərəyanı arduino nano tərəfindən oxuna bilən daha yüksək bir gərginliyə çevirməkdir. Çarpma faktoru, OPA-nın geribildirimindəki müqavimətin dəyəri ilə müəyyən edilir. Daha çevik olmaq üçün fırlanan açarla seçilə bilən 6 fərqli rezistor götürdüm. Ən aşağı "böyütmə" 100, ən yüksək 10 000 000 -dir. Hər şey tək 9V batareya ilə işləyir.

Addım 3: İlk Təcrübə: Xlorofilin Absorbsiya-əyrisi

Ölçmə proseduru üçün: Bir küvet su və ya başqa bir şəffaf həlledici ilə doldurulur. Daha sonra fotometrə yerləşdirilir. Küvet işıq keçirməyən bir qapaq ilə örtülür. İndi LED-in enerji təchizatını elə qurun ki, LED-dən təxminən 10-20mA cərəyan axsın. Bundan sonra, fotodiodun çıxış gərginliyinin 3-4V ətrafında olduğu mövqeyi seçmək üçün fırlanan açarı istifadə edin. Çıxış gərginliyinin dəqiq tənzimlənməsi hələ də tənzimlənən enerji təchizatı ilə edilə bilər. Bu U0 gərginliyi qeyd olunur. Sonra araşdırılacaq maye olan küveti götürün və fotometrə qoyun. Bu nöqtədə enerji təchizatı gərginliyi və fırlanan açarın mövqeyi dəyişməz qalmalıdır! Sonra küveti yenidən qapaq ilə örtün və U gərginliyini ölçün. T ötürülməsi üçün faiz T = U / U0 * 100 -dir. A udma əmsalını əldə etmək üçün A = 100 - T hesablamaq kifayətdir.

Müxtəlif rəngli LEDləri Avstriyada, vətənim olan Roithner Lasertechnik -dən aldım. Bunun üçün müvafiq dalğa uzunluğu nanometrlərdə verilir. Əmin olmaq üçün dominant dalğa uzunluğunu bir spektroskop və Theremino proqramı (termemino spektrometri) ilə yoxlaya bilərsiniz. Mənim vəziyyətimdə, nm -dəki məlumatlar ölçülərlə olduqca yaxşı razılaşdı. LEDləri seçərkən, 395nm -dən 850nm -ə qədər olan dalğa uzunluğunun bərabər əhatə dairəsini əldə etməlisiniz.

Fotometrlə ilk sınaq üçün xlorofili seçdim. Ancaq bunun üçün heç kimin səni izləmədiyinə ümid edərək çəmənlikdən ot götürməlisən …

Bu ot daha sonra kiçik parçalara kəsilir və bir qazanda propanol və ya etanol ilə birlikdə qoyulur. İndi yarpaqları bir havan və ya çəngəl ilə əzirsiniz. Bir neçə dəqiqədən sonra xlorofil propanolda yaxşı həll olunur. Bu həll hələlik çox güclüdür. Kifayət qədər propanol ilə seyreltilməlidir. Və dayandırılmaması üçün həll süzülməlidir. Ümumi bir qəhvə filtri götürdüm.

Nəticə şəkildəki kimi olmalıdır. Çox şəffaf yaşıl-sarımtıl bir həll. Sonra hər LED ilə ölçməni (U0, U) təkrarlayın. Əldə edilmiş udma əyrisindən də göründüyü kimi, nəzəriyyə və ölçü olduqca uyğun gəlir. Xlorofil a + b mavi və qırmızı spektr diapazonunda çox güclü şəkildə əmilir, yaşıl-sarı və infraqırmızı işıq isə məhlula demək olar ki, maneəsiz nüfuz edə bilir. İnfraqırmızı diapazonda udma hətta sıfıra yaxındır.

Addım 4: İkinci Təcrübə: Tükənmənin Potasyum Permanqanatın Konsentrasiyasından Asılılığı

Başqa bir təcrübə olaraq, həll olunan maddələrin konsentrasiyasından asılı olaraq sönmənin təyin edilməsi. Bir həll olaraq kalium permanganatdan istifadə edirəm. Solüsyona nüfuz etdikdən sonra işıq intensivliyi Lambert-Beer qanununa uyğundur: I = I0 * 10 ^ (- E) oxuyur. I0, həll olunmamış intensivlikdir, I həlledicinin intensivliyi və E sözdə tükənmədir. Bu yox olma E (xətti olaraq) küvetin x qalınlığından və həll olunan maddənin c konsentrasiyasından asılıdır. Beləliklə, molar udma əmsalı olaraq k ilə E = k * c * x. E -nin sönməsini müəyyən etmək üçün yalnız I və I0 lazımdır, çünki E = lg (I0 / I). Şiddət, məsələn, 10%-ə endirildikdə, sönmə E = 1 (10 ^ -1) olur. Yalnız 1%-ə qədər zəifləməsi ilə E = 2 (10 ^ -2).

Biri c konsentrasiyasının bir funksiyası olaraq E tətbiq edərsə, sıfır nöqtəsi boyunca yüksələn bir düz xətt əldə etməyimizi gözləyərdik.

Tükənmə əyrisimdən gördüyünüz kimi, xətti deyil. Daha yüksək konsentrasiyalarda, xüsusən 0,25 -dən çox olan konsentrasiyalardan düzləşir. Bu o deməkdir ki, nəsli kəsilmə Lambert-Beer qanununa görə gözləniləndən daha aşağıdır. Bununla birlikdə, yalnız 0 ilə 0.25 arasında olan daha aşağı konsentrasiyalar nəzərə alınmaqla c konsentrasiyası ilə E nəsli kəsilmə arasında çox gözəl bir xətti əlaqəyə səbəb olur. konsentrasiyanın yalnız ixtiyari vahidləri var, çünki həll edilmiş kalium permanganatın ilkin miqdarını təyin etməmişəm (mənim vəziyyətimdə mətbəx tərəzimlə ölçülə bilməyən milliqramlar idi, başlanğıc üçün 4 ml suda həll edildi) həll).

Addım 5: Nəticələr

Bu fotometr xüsusilə fizika və kimya dərsləri üçün uyğundur. Ümumi dəyəri yalnız 60 Avro = 70 ABŞ dolları civarındadır. Fərqli rəngli LEDlər ən bahalı hissədir. Ebay və ya aliexpress -də əlbəttə ki, daha ucuz LED -lər tapa bilərsiniz, amma ümumiyyətlə LED -lərin hansı dalğa uzunluğuna malik olduğunu bilmirsiniz. Bu şəkildə bir mütəxəssis satıcıdan satın alınması məsləhət görülür.

Bu dərsdə, mayelərin rəngi ilə udma-davranışı arasındakı əlaqə, əhəmiyyətli Xlorofil, Lambert-Bira qanunu, eksponentlər, ötürülmə və udma, faizlərin hesablanması və görünən rənglərin dalğa uzunluqları haqqında bir şey öyrənəcəksiniz. Düşünürəm ki, bu çox şeydir…

Dərsinizdə və Eureka -da bu layihəni etməklə əylənin!

Nəhayət, sinif-elm yarışmasında mənə səs verə bilsəniz çox xoşbəxt olaram. Buna görə təşəkkürlər…

Əlavə fizika təcrübələri ilə maraqlanırsınızsa, youtube kanalım budur:

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

daha çox fizika layihələri: