Fotometer LED DIY Dengan Arduino untuk Pelajaran Fizik atau Kimia: 5 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Helo!

Cecair atau objek lain kelihatan berwarna kerana merefleksikan atau menghantar warna tertentu dan seterusnya menelan (menyerap) yang lain. Dengan apa yang disebut fotometer, warna tersebut (panjang gelombang) dapat ditentukan, yang diserap oleh cecair. Prinsip asasnya mudah: dengan LED warna tertentu pertama kali anda bersinar melalui cuvette yang diisi dengan air atau pelarut lain. Suatu fotodiod mengukur intensiti cahaya yang masuk dan mengubahnya menjadi voltan berkadar U0. Nilai ini diperhatikan. Selepas itu, cuvette dengan cecair yang akan diperiksa diletakkan di jalur rasuk dan sekali lagi mengukur intensiti cahaya atau voltan U. Faktor penghantaran dalam peratus kemudian hanya dikira dengan T = U / U0 * 100. Untuk mendapatkan faktor penyerapan A anda hanya perlu mengira A = 100 tolak T.

Pengukuran ini diulang dengan LED berwarna berbeza dan menentukan dalam setiap kes T atau A sebagai fungsi panjang gelombang (warna). Sekiranya anda melakukan ini dengan LED yang mencukupi, anda akan mendapat keluk penyerapan.

Langkah 1: Bahagian

Untuk fotometer anda memerlukan bahagian berikut:

* Kotak hitam dengan dimensi 160 x 100 x 70 mm atau serupa: perumahan

* An Arduino Nano: ebay arduino nano

* Penguat operasi LF356: ebay LF356

* 3 kapasitor dengan kapasiti 10μF: kapasitor ebay

* 2 kapasitor dengan C = 100nF dan kapasitor dengan 1nF: kapasitor ebay

* Satu voltan penyongsang ICL7660: ebay ICL7660

* Satu fotodiod BPW34: fotodioda ebay BPW34

* 6 perintang dengan ohm 100, 1k, 10k, 100k, 1M dan 10M: perintang ebay

* paparan I²C 16x2: paparan ebay 16x2

* suis putar 2x6: suis putar

* pemegang bateri 9V dan bateri 9V: pemegang bateri

* suis: suis

* Cuvettes kaca: cuvettes ebay

* LED dengan warna yang berbeza: mis. LED ebay

* bekalan kuasa 0-15V sederhana untuk menghidupkan LED

* kayu untuk pemegang cuvette

Langkah 2: Litar dan kod Arduino

Litar untuk fotometer sangat mudah. Ia terdiri daripada fotodioda, penguat operasi, penyongsang voltan dan beberapa bahagian lain (perintang, suis, kapasitor). Prinsip litar jenis ini adalah menukar arus (rendah) dari fotodiod menjadi voltan yang lebih tinggi, yang dapat dibaca oleh arduino nano. Faktor pendaraban ditentukan oleh nilai perintang dalam maklum balas OPA. Untuk lebih fleksibel, saya mengambil 6 perintang yang berbeza, yang boleh dipilih dengan suis putar. "Pembesaran" terendah adalah 100, tertinggi 10 000 000. Semuanya dikuasakan oleh bateri 9V tunggal.

Langkah 3: Eksperimen Pertama: keluk Penyerapan Klorofil

Untuk prosedur pengukuran: Cuvet diisi dengan air atau pelarut telus yang lain. Ini kemudian diletakkan di dalam fotometer. Cuvette ditutup dengan penutup yang ringan. Sekarang tetapkan bekalan kuasa untuk LED sehingga arus sekitar 10-20mA mengalir melalui LED. Selepas itu, gunakan suis putar untuk memilih kedudukan di mana voltan keluaran fotodiod sekitar 3-4V. Penalaan voltan keluaran tetap dapat dilakukan dengan bekalan kuasa yang boleh disesuaikan. Voltan U0 ini diperhatikan. Kemudian ambil cuvette yang berisi cecair untuk diperiksa dan letakkan di dalam fotometer. Pada ketika ini voltan bekalan kuasa dan kedudukan suis putar mesti tidak berubah! Kemudian tutup kembali cuvette dengan penutup dan ukur voltan U. Untuk transmisi T dalam peratus nilainya adalah T = U / U0 * 100. Untuk mendapatkan pekali penyerapan A, anda hanya perlu mengira A = 100 - T.

Saya membeli LED berwarna berbeza dari Roithner Lasertechnik yang terletak di austria, negara asal saya. Untuk ini, panjang gelombang masing-masing diberikan dalam nanometer. Untuk benar-benar yakin seseorang dapat memeriksa panjang gelombang yang dominan dengan spektroskop dan perisian Theremino (theremino spectrometer). Dalam kes saya, data dalam nm bersetuju dengan pengukuran yang cukup baik. Semasa memilih LED, anda harus mencapai jangkauan sama panjang gelombang antara 395nm hingga 850nm.

Untuk percubaan pertama dengan fotometer, saya memilih klorofil. Tetapi untuk ini, anda perlu memetik rumput dari padang rumput dengan harapan tidak ada yang memerhatikan anda …

Rumput ini kemudian dipotong kecil dan disatukan dengan propanol atau etanol dalam periuk. Sekarang anda menghancurkan daun dengan mortar atau garpu. Selepas beberapa minit, klorofil larut dalam propanol dengan baik. Penyelesaian ini masih terlalu kuat. Ia perlu dicairkan dengan propanol yang mencukupi. Dan untuk mengelakkan penangguhan, penyelesaian mesti disaring. Saya mengambil penapis kopi biasa.

Hasilnya harus seperti yang ditunjukkan dalam gambar. Penyelesaian kekuningan hijau yang sangat lut sinar. Kemudian anda mengulangi pengukuran (U0, U) dengan setiap LED. Seperti yang dapat dilihat dari keluk penyerapan yang diperoleh, teori dan pengukuran sepakat. Klorofil a + b menyerap sangat kuat dalam julat spektrum biru dan merah, sementara cahaya hijau-kuning dan inframerah dapat menembusi larutan hampir tanpa halangan. Dalam julat inframerah, penyerapan hampir mendekati sifar.

Langkah 4: Eksperimen Kedua: Ketergantungan Kepupusan pada Kepekatan Kalium Permanganat

Sebagai eksperimen selanjutnya, penentuan kepupusan bergantung pada kepekatan penawaran zat terlarut. Sebagai zat terlarut, saya menggunakan kalium permanganat. Keamatan cahaya setelah menembusi larutan mengikuti undang-undang Lambert-Beer: Ia berbunyi I = I0 * 10 ^ (- E). I0 adalah intensiti tanpa zat terlarut, I intensiti dengan zat terlarut dan E yang disebut kepupusan. Kepupusan E ini bergantung (secara linear) pada ketebalan x cuvette dan pada kepekatan c zat terlarut. Oleh itu, E = k * c * x dengan k sebagai pekali penyerapan molar. Untuk menentukan kepupusan E anda hanya memerlukan I dan I0, kerana E = lg (I0 / I). Apabila intensiti dikurangkan menjadi, misalnya, 10%, kepupusan E = 1 (10 ^ -1). Dengan kelemahan hanya 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Sekiranya seseorang menggunakan E sebagai fungsi kepekatan c, kita mengharapkan memperoleh garis lurus yang meningkat melalui titik sifar.

Seperti yang anda lihat dari keluk kepupusan saya, ia tidak linear. Pada kepekatan yang lebih tinggi, ia merata, khususnya dari kepekatan yang lebih besar daripada 0.25. Ini bermaksud kepunahan lebih rendah dari yang diharapkan menurut hukum Lambert-Beer. Walau bagaimanapun, dengan mempertimbangkan kepekatan yang lebih rendah sahaja, misalnya antara 0 dan 0,25, menghasilkan hubungan linear yang sangat baik antara kepekatan c dan kepupusan E. Dalam julat ini, kepekatan c yang tidak diketahui dapat ditentukan dari kepupusan yang diukur E. Dalam kes saya, kepekatannya hanya mempunyai unit sewenang-wenang, kerana saya belum menentukan jumlah awal permanganat kalium terlarut (hanya miligram, yang tidak dapat diukur dengan skala dapur saya dalam kes saya, dilarutkan dalam 4 ml air untuk permulaan penyelesaian).

Langkah 5: Kesimpulan

Fotometer ini sangat sesuai untuk pelajaran fizik dan kimia. Kos keseluruhannya hanya sekitar 60 Euro = 70 USD. LED berwarna berbeza adalah bahagian yang paling mahal. Di ebay atau aliexpress anda pasti akan menemui LED yang lebih murah tetapi biasanya anda tidak tahu panjang gelombang LED mana yang dimiliki. Sebaiknya, pembelian dari peruncit pakar adalah disyorkan.

Dalam pelajaran ini anda mempelajari sesuatu tentang hubungan antara warna cecair dan tingkah laku penyerapannya, mengenai Klorofil penting, undang-undang Lambert-Beer, eksponen, penghantaran dan penyerapan, pengiraan peratus dan panjang gelombang warna yang dapat dilihat. Saya rasa ini cukup banyak …

Oleh itu, bersenang-senang juga membuat projek ini dalam pelajaran anda dan Eureka!

Akhir sekali saya akan sangat gembira sekiranya anda dapat memilih saya dalam pertandingan sains-kelas. Terima kasih untuk itu…

Dan jika anda berminat dengan eksperimen fizik selanjutnya, inilah saluran youtube saya:

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

lebih banyak projek fizik: