Fizika yoki kimyo darslari uchun Arduino bilan DIY LED-fotometr: 5 qadam (rasmlar bilan)

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:25

Salom!

Suyuqliklar yoki boshqa narsalar rangli bo'lib ko'rinadi, chunki ular ma'lum ranglarni aks ettiradi yoki uzatadi va o'z navbatida boshqalarni yutadi. Fotometr deb ataladigan suyuqlik yordamida so'riladigan ranglarni (to'lqin uzunligini) aniqlash mumkin. Asosiy printsip oddiy: ma'lum bir rangdagi LED bilan siz avval suv yoki boshqa erituvchi bilan to'ldirilgan kyuvetadan porlaysiz. Fotodiod kiruvchi yorug'lik qizg'inligini o'lchaydi va uni proportsional U0 kuchlanishiga aylantiradi. Bu qiymat qayd etilgan. Shundan so'ng, nurli yo'lda tekshiriladigan suyuqlik bo'lgan kyuvet joylashtiriladi va u yana yorug'lik intensivligini yoki U kuchlanishini o'lchaydi. Ulanish faktorini foizda T = U / U0 * 100 bilan hisoblash mumkin. A siz faqat A = 100 minus T ni hisoblashingiz kerak.

Bu o'lchov turli xil rangli LEDlar bilan takrorlanadi va har bir holatda T yoki A to'lqin uzunligi (rang) funktsiyasini aniqlaydi. Agar siz buni etarlicha LED bilan qilsangiz, siz yutilish egri chizig'ini olasiz.

1 -qadam: qismlar

Fotometr uchun sizga quyidagi qismlar kerak bo'ladi.

* O'lchamlari 160 x 100 x 70 mm yoki shunga o'xshash qora quti: korpus

* Arduino nano: edu arduino nano

* LF356 operatsion kuchaytirgichi: ebay LF356

* 10 mF sig'imga ega 3 ta kondansatör: ebay kondensatorlari

* C = 100nF bo'lgan 2 kondansatör va 1nF bo'lgan kondansatör: ebay kondensatorlari

* Bir kuchlanishli inverter ICL7660: ebay ICL7660

* Bitta fotodiod BPW34: ebay BPW34 fotodiod

* 100, 1k, 10k, 100k, 1M va 10M ohmli 6 ta qarshilik: ebay rezistorlari

* I²C 16x2 displey: ebay 16x2 displey

* 2x6 aylanadigan kalit: aylanadigan kalit

* 9V batareya ushlagichi va 9V batareya: batareya ushlagichi

* kalit: almashtirish

* Shisha kyuvetlar: ebay kyuvetlari

* Turli xil rangdagi LEDlar: f.e. ebay LEDlari

* LEDlarni quvvatlantirish uchun oddiy 0-15V quvvat manbai

* kyuvetka uchun yog'och

2-qadam: O'chirish va Arduino-kod

Fotometrning sxemasi juda oddiy. U fotodiod, operatsion kuchaytirgich, kuchlanish inverteri va boshqa ba'zi qismlardan (rezistorlar, kalitlar, kondansatkichlar) iborat. Ushbu turdagi sxemaning printsipi fotodioddan (past) tokni arduino nano o'qiy oladigan yuqori kuchlanishga aylantirishdir. Ko'paytirish koeffitsienti OPA ning teskari aloqaidagi qarshilik qiymati bilan belgilanadi. Moslashuvchan bo'lish uchun men 6 xil rezistorni oldim, ularni aylanadigan kalit bilan tanlash mumkin. Eng past "kattalashtirish" 100, eng yuqori 10 000 000. Hammasi bitta 9V batareya bilan ishlaydi.

3-qadam: Birinchi tajriba: Xlorofillning yutilish-egri chizig'i

O'lchov protsedurasi uchun: kyuvetaga suv yoki boshqa shaffof erituvchi solinadi. Keyin u fotometrga joylashtiriladi. Kyuvetka yorug'lik o'tkazmaydigan qopqoq bilan qoplangan. Endi LEDning quvvat manbaini LED orqali taxminan 10-20mA oqim oqadigan qilib o'rnating. Shundan so'ng, fotodiodning chiqish voltaji 3-4V atrofida bo'lgan joyni tanlash uchun aylanadigan kalitdan foydalaning. Chiqish kuchlanishining nozik sozlanishi sozlanishi quvvat manbai yordamida amalga oshirilishi mumkin. Bu kuchlanish U0 qayd etilgan. Keyin tekshirilishi kerak bo'lgan suyuqlik bo'lgan kyuvetani oling va uni fotometrga qo'ying. Bu vaqtda quvvat manbai kuchlanishi va aylanadigan kalitning holati o'zgarishsiz qolishi kerak! Keyin yana kyuvetani qopqoq bilan yoping va U kuchlanishni o'lchang. T uzatish uchun foiz T = U / U0 * 100. A yutilish koeffitsientini olish uchun A = 100 - T ni hisoblash kifoya.

Men o'z vatanim Avstriyada joylashgan Roithner Lasertechnik -dan turli xil rangli LEDlarni sotib oldim. Buning uchun tegishli to'lqin uzunligi nanometrlarda berilgan. Ishonch hosil qilish uchun dominant to'lqin uzunligini spektroskop va Theremino dasturi (termemino spektrometr) yordamida tekshirish mumkin. Menimcha, nm dagi ma'lumotlar o'lchovlar bilan juda yaxshi kelishilgan. LEDlarni tanlashda siz to'lqin uzunligi 395nm dan 850nm gacha bo'lgan diapazonni teng ravishda qamrab olishingiz kerak.

Fotometr bilan birinchi tajriba uchun men xlorofillni tanladim. Ammo buning uchun hech kim seni ko'rmasin deb o'tloqdan o't yig'ishing kerak bo'ladi …

Keyin bu o't mayda bo'laklarga bo'linadi va propanol yoki etanol bilan idishga solinadi. Endi siz barglarni ohak yoki vilka bilan ezib tashlaysiz. Bir necha daqiqadan so'ng xlorofill propanolda yaxshi eriydi. Bu yechim hali juda kuchli. Uni etarli miqdorda propanol bilan suyultirish kerak. Va to'xtatib qo'ymaslik uchun eritmani filtrlash kerak. Men oddiy qahva filtrini oldim.

Natija rasmda ko'rsatilgandek bo'lishi kerak. Juda shaffof yashil-sarg'ish eritma. Keyin har bir LED bilan o'lchovni (U0, U) takrorlang. Olingan yutilish egri chizig'idan ko'rinib turibdiki, nazariya va o'lchov bir -biriga juda mos keladi. Xlorofil a + b ko'k va qizil spektr diapazonida juda kuchli so'riladi, yashil-sariq va infraqizil nurlar eritmaga deyarli to'siqsiz kira oladi. Infraqizil diapazonda yutilish hatto nolga yaqin.

4 -qadam: Ikkinchi tajriba: yo'q bo'lishning kaliy permanganat kontsentratsiyasiga bog'liqligi

Keyingi tajriba sifatida, erigan takliflar kontsentratsiyasiga qarab yo'q bo'lishni aniqlash. Eritma sifatida men kaliy permanganatdan foydalanaman. Eritma kirgandan keyin yorug'lik intensivligi Lambert-Beer qonuniga amal qiladi: I = I0 * 10 ^ (- E) o'qiladi. I0-bu erimaydigan intensivlik, I-erigan modda bilan intensivlik va E-yo'qolib ketish. Bu yo'qolib ketish E (chiziqli) kyuvetaning x qalinligiga va erigan moddaning konsentratsiyasiga bog'liq. Shunday qilib, molyar yutilish koeffitsienti sifatida k bilan E = k * c * x. Yo'qolish E ni aniqlash uchun sizga faqat I va I0 kerak, chunki E = lg (I0 / I). Qachon intensivlik, masalan, 10%ga kamaytirilsa, yo'q bo'lib ketish E = 1 (10 ^ -1). Faqat 1%gacha zaiflashganda, E = 2 (10 ^ -2).

Agar $ E $ konsentratsiyasining funktsiyasi sifatida qo'llanilsa, biz nol nuqtasi orqali ko'tarilgan to'g'ri chiziqni olishini kutardik.

Mening yo'qolishim egri chizig'idan ko'rinib turibdiki, bu chiziqli emas. Yuqori konsentratsiyada u tekislanadi, ayniqsa 0,25 dan yuqori konsentratsiyalardan. Bu shuni anglatadiki, yo'q bo'lib ketish Lambert-Beer qonuniga ko'ra kutilganidan past. Biroq, faqat pastroq kontsentratsiyalarni hisobga olgan holda, masalan, 0 dan 0,25 gacha, c kontsentratsiyasi va yo'qolish E. o'rtasida juda yaxshi chiziqli bog'liqlikka olib keladi., kontsentratsiya faqat ixtiyoriy birliklarga ega, chunki men erigan kaliy permanganatning boshlang'ich miqdorini aniqlamaganman (bu mening milligramim edi, uni mening oshxona o'lchovim bilan o'lchab bo'lmadi, 4 ml suvda eritish uchun. yechim).

5 -qadam: Xulosa

Bu fotometr fizika va kimyo darslari uchun juda mos keladi, umumiy narxi atigi 60 evro = 70 dollar. Turli xil rangli LEDlar eng qimmat qismi hisoblanadi. Ebay yoki aliexpress -da siz, albatta, arzonroq LEDlarni topasiz, lekin odatda qaysi LED to'lqin uzunligini bilmayapsiz. Bunday holda, ixtisoslashgan sotuvchidan sotib olish tavsiya etiladi.

Bu darsda siz suyuqliklarning rangi va ularning yutilish-xatti-harakati o'rtasidagi bog'liqlik, muhim xlorofil, Lambert-Beer qonuni, eksponentlar, uzatish va yutilish, foizlarni hisoblash va ko'rinadigan ranglarning to'lqin uzunliklari haqida bilib olasiz. Menimcha, bu juda ko'p …

Shunday qilib, o'z darsingizda va Evrikada ushbu loyihani bajarishdan xursand bo'ling!

Oxir-oqibat, agar siz fan-fan tanlovida menga ovoz bersangiz, men juda xursand bo'lardim. Buning uchun rahmat…

Va agar siz fizikaning boshqa tajribalariga qiziqsangiz, bu mening youtube kanalim:

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

boshqa fizika loyihalari: