מד פוטו מד LED עם ארדואינו לשיעורי פיזיקה או כימיה: 5 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

שלום!

נוזלים או חפצים אחרים נראים צבעוניים מכיוון שהם משתקפים או מעבירים צבעים מסוימים ובגללם בולעים (סופגים) אחרים. בעזרת מה שמכונה פוטומטר, ניתן לקבוע את הצבעים (אורכי הגל) האלה, שנספגים בנוזלים. העיקרון הבסיסי הוא פשוט: עם LED בצבע מסוים אתה מבריק תחילה דרך קובט מלא במים או ממס אחר. פוטודיודה מודדת את עוצמת האור הנכנסת וממירה אותה למתח יחסי U0. ערך זה מצוין. לאחר מכן, קובט עם הנוזל לבדיקה מונח במסלול הקורה ושוב מודד את עוצמת האור או המתח U. גורם ההולכה באחוז מחושב פשוט על ידי T = U / U0 * 100. כדי לקבל את גורם הקליטה. A אתה רק צריך לחשב A = 100 מינוס T.

מדידה זו חוזרת על עצמה עם נוריות צבעוניות שונות וקובעת בכל מקרה T או A כפונקציה של אורך הגל (הצבע). אם אתה עושה את זה עם מספיק נוריות, אתה מקבל עקומת ספיגה.

שלב 1: החלקים

עבור פוטומטר אתה צריך את החלקים הבאים:

* מארז שחור במידות 160 x 100 x 70 מ מ או דומה: בית

* ננו Arduino: ננו ebay arduino

* מגבר תפעולי LF356: ebay LF356

* 3 קבלים בעלי קיבולת של 10μF: קבלים ebay

* 2 קבלים עם C = 100nF וקבל עם 1nF: קבלים ebay

* מהפך מתח אחד ICL7660: ebay ICL7660

* פוטודיודה אחת BPW34: פוטודיודה ebay BPW34

* 6 נגדים עם 100, 1k, 10k, 100k, 1M ו- 10M אוהם: נגדי ebay

* צג I²C 16x2: תצוגת ebay 16x2

* מתג סיבובי 2x6: מתג סיבובי

* מחזיק סוללה 9V וסוללה 9V: מחזיק סוללה

* מתג: מתג

* קוביות זכוכית: קוביות ebay

* נוריות עם צבע שונה: f.e. נוריות ebay

* ספק כוח 0-15V פשוט להפעלת הנורות

* עץ למחזיק קוביות

שלב 2: המעגל וקוד הארדואינו

מעגל הפוטומטר פשוט מאוד. הוא מורכב מפוטודיודה, מגבר תפעולי, ממיר מתח וכמה חלקים אחרים (נגדים, מתגים, קבלים). העיקרון של מעגל מסוג זה הוא להמיר את הזרם (הנמוך) מהפוטודיודה למתח גבוה יותר, אותו ניתן לקרוא על ידי ננו הארדואינו. גורם הכפל נקבע על פי ערך הנגד במשוב ה- OPA. כדי להיות גמיש יותר לקחתי 6 נגדים שונים, אותם ניתן לבחור בעזרת המתג הסיבובי. ה"הגדלה "הנמוכה ביותר היא 100, 10 000 000 הגבוהה ביותר. הכל מופעל באמצעות סוללה אחת של 9V.

שלב 3: ניסוי ראשון: עקומת הקליטה של הכלורופיל

להליך המדידה: קובט מלא במים או ממס שקוף. לאחר מכן הוא ממוקם בפוטומטר. הקובט מכוסה במכסה אטום לאור. כעת הגדר את אספקת החשמל עבור הנורית כך שזרם של כ 10-20mA יזרום דרך הנורית. לאחר מכן, השתמש במתג הסיבוב כדי לבחור את המיקום שבו מתח המוצא של הפוטודיודה הוא סביב 3-4V. ניתן עדיין לבצע כוונון עדין של מתח היציאה באמצעות ספק הכוח המתכוונן. מתח U0 זה מצוין. לאחר מכן קח את קובט המכיל את הנוזל לבדיקה והנח אותו בפוטומטר. בשלב זה המתח של ספק הכוח ומיקום המתג הסיבובי חייבים להישאר ללא שינוי! ואז לכסות שוב את הקובט במכסה ולמדוד את המתח U. עבור השידור T באחוזים הערך הוא T = U / U0 * 100. כדי לקבל את מקדם הספיגה A אתה רק צריך לחשב A = 100 - T.

קניתי את נורות הלד בצבעים שונים מ- Roithner Lasertechnik שנמצא באוסטריה, ארץ הולדתי. עבור אלה, אורך הגל המתאים ניתן בננומטר. כדי להיות בטוח שאפשר לבדוק את אורך הגל הדומיננטי באמצעות ספקטרוסקופ ותוכנת Theremino (ספקטרומטר תרמינו). במקרה שלי, הנתונים ב- nm הסכימו למדידות די טובות. בעת בחירת הנורות, עליך להשיג כיסוי אחיד של טווח אורך הגל בין 395 ננומטר ל -850 ננומטר.

לניסוי הראשון בפוטומטר בחרתי בכלורופיל. אבל בשביל זה תצטרך לקטוף דשא מאחו בתקווה שאף אחד לא צופה בך …

לאחר מכן חותכים את הדשא הזה לחתיכות קטנות ומרכיבים אותו עם פרופנול או אתנול בסיר. עכשיו מועכים את העלים במכתש או במזלג. לאחר מספר דקות, הכלורופיל התמוסס יפה בפרופנול. הפתרון הזה עדיין חזק מדי. זה צריך להיות מדולל עם פרופנול מספיק. וכדי להימנע מהשהייה יש לסנן את הפתרון. לקחתי פילטר קפה נפוץ.

התוצאה צריכה להיראות כמו שמוצגת בתמונה. פתרון ירוק-צהבהב שקוף מאוד. לאחר מכן אתה חוזר על המדידה (U0, U) עם כל LED. כפי שניתן לראות עקומת הספיגה המתקבלת, התאוריה והמדידה מסכימים די טוב. כלורופיל a + b סופג חזק מאוד בטווח הספקטרום הכחול והאדום, בעוד שאור ירוק-צהוב ואינפרא אדום יכול לחדור לתמיסה כמעט ללא הפרעה. בתחום האינפרא אדום הספיגה אפילו קרובה לאפס.

שלב 4: ניסוי שני: תלות ההכחדה בריכוז של פרמנגנט אשלגן

כניסוי נוסף, קביעת ההכחדה בהתאם לריכוז המומסים מציעה. כמומס, אני משתמש באשלגן פרמנגנט. עוצמת האור לאחר חדירת הפתרון עוקבת אחר חוק למברט-באר: הוא כתוב I = I0 * 10 ^ (- E). I0 היא העוצמה ללא מומס, אני העוצמה עם מומס ו- E הכבידה המכונה. הכחדה E תלויה (לינארית) בעובי x של הקובט ובריכוז c של המומס. לפיכך, E = k * c * x כאשר k הוא מקדם הספיגה הטוחנת. כדי לקבוע את הכחדה E אתה רק צריך I ו- I0, כי E = lg (I0 / I). כאשר העוצמה מצטמצמת למשל 10%, הכחדה E = 1 (10 ^ -1). עם היחלשות ל -1%בלבד, E = 2 (10 ^ -2).

אם מיישמים את E כפונקציה של הריכוז c, היינו מצפים לקבל קו ישר עולה דרך נקודת האפס.

כפי שאתה יכול לראות מעקומת ההכחדה שלי, היא אינה לינארית. בריכוזים גבוהים הוא משתטח, במיוחד מריכוזים גבוהים מ -0.25. המשמעות היא שההכחדה נמוכה מהצפוי על פי חוק למברט-באר. עם זאת, בהתחשב בריכוזים נמוכים יותר, למשל בין 0 ל -0.25, מביא לקשר לינארי נחמד מאוד בין הריכוז c לבין ההכחדה E. בטווח זה ניתן לקבוע את הריכוז הלא ידוע c מהכחדה נמדדת E. במקרה שלי הריכוז מכיל יחידות שרירותיות בלבד, מאחר ולא קבעתי את הכמות ההתחלתית של פרמנגנט אשלגן מומס (זה היה מיליגרם בלבד, שלא ניתן היה למדוד אותו בעזרת סולם המטבח שלי במקרה, מומס ב -4 מ ל מים להתחלה פִּתָרוֹן).

שלב 5: מסקנות

פוטומטר זה מתאים במיוחד לשיעורי פיזיקה וכימיה. העלות הכוללת היא רק בסביבות 60 אירו = 70 דולר. נוריות הצבעים השונות הן החלק היקר ביותר. ב- eBay או ב- aliexpress בהחלט תמצאו נוריות זולות יותר אך בדרך כלל אינכם יודעים אילו אורכי גל יש לנורות. במראה כזה, מומלץ לרכוש משווק מומחה.

בשיעור זה אתה לומד משהו על הקשר בין צבע הנוזלים והתנהגות הספיגה שלהם, על הכלורופיל החשוב, חוק למברט-באר, מעריכים, שידור וספיגה, חישוב אחוזים ואורכי הגל של הצבעים הנראים. אני חושב שזה די הרבה…

אז תיהנו גם להכין את הפרויקט הזה בשיעור שלכם ובאוריקה!

אחרון חביב אשמח מאוד אם תוכל להצביע עבורי בתחרות המדעים בכיתה. תודה על זה…

ואם אתה מעוניין בניסויים נוספים בפיזיקה, הנה ערוץ היוטיוב שלי:

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

פרויקטים נוספים בפיזיקה: