წვრილმანი LED- ფოტომეტრი Arduino– ს ფიზიკისა და ქიმიის გაკვეთილებით: 5 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:18

გამარჯობა!

სითხეები ან სხვა საგნები ფერადია, რადგან ისინი ასახავს ან გადასცემს გარკვეულ ფერებს და, თავის მხრივ, ყლაპავს (შთანთქავს) სხვას. ეგრეთ წოდებული ფოტომეტრის საშუალებით შესაძლებელია განისაზღვროს ის ფერები (ტალღის სიგრძე), რომლებიც შეიწოვება სითხეებით. ძირითადი პრინციპი მარტივია: გარკვეული ფერის LED- ით თქვენ პირველად ანათებთ წყლით ან სხვა გამხსნელით სავსე კუვეტის მეშვეობით. ფოტოდიოდი ზომავს შემომავალი სინათლის ინტენსივობას და გარდაქმნის მას პროპორციულ ძაბვად U0. ეს მნიშვნელობა აღინიშნება. ამის შემდეგ, შესამოწმებელი სითხის მქონე კუვეტი მოთავსებულია სხივის გზაზე და კვლავ ზომავს სინათლის ინტენსივობას ან ძაბვას U. გადაცემის ფაქტორი პროცენტში მაშინ უბრალოდ გამოითვლება T = U / U0 * 100. შთანთქმის ფაქტორის მისაღებად A თქვენ უბრალოდ უნდა გამოთვალოთ A = 100 გამოკლებული T.

ეს გაზომვა მეორდება სხვადასხვა ფერის LED- ებით და თითოეულ შემთხვევაში განსაზღვრავს T ან A ტალღის სიგრძის (ფერის) ფუნქციას. თუ ამას აკეთებთ საკმარისი LED- ებით, მიიღებთ შთანთქმის მრუდს.

ნაბიჯი 1: ნაწილები

ფოტომეტრისთვის გჭირდებათ შემდეგი ნაწილები:

* შავი ქეისი ზომებით 160 x 100 x 70 მმ ან მსგავსი: კორპუსი

* არდუინო ნანო: ebay arduino nano

* ოპერატიული გამაძლიერებელი LF356: ebay LF356

* 3 კონდენსატორი 10μF სიმძლავრით: ebay კონდენსატორები

* 2 კონდენსატორი C = 100nF და კონდენსატორი 1nF– ით: ebay კონდენსატორები

* ერთი ძაბვის ინვერტორი ICL7660: ebay ICL7660

* ერთი ფოტოდიოდი BPW34: ebay BPW34 ფოტოდიოდი

* 6 რეზისტორი 100, 1k, 10k, 100k, 1M და 10M ohms: ebay რეზისტორები

* I²C 16x2 დისპლეი: ebay 16x2 ჩვენება

* 2x6 მბრუნავი გადამრთველი: მბრუნავი გადამრთველი

* 9 ვ ბატარეის დამჭერი და 9 ვ ბატარეა: ბატარეის დამჭერი

* გადამრთველი: გადართვა

* მინის კუვეტები: ebay cuvettes

* LED- ები სხვადასხვა ფერის: f.e. ebay LED- ები

* მარტივი 0-15V დენის წყაროს LED- ების გასააქტიურებლად

* ხე კუვეტის მფლობელისთვის

ნაბიჯი 2: წრე და არდუინოს კოდი

ფოტომეტრის სქემა ძალიან მარტივია. იგი შედგება ფოტოდიოდის, საოპერაციო გამაძლიერებლის, ძაბვის ინვერტორისა და სხვა ნაწილებისგან (რეზისტორები, კონცენტრატორები, კონდენსატორები). ამ ტიპის მიკროსქემის პრინციპია ფოტოდიოდიდან (დაბალი) დენის გარდაქმნა უფრო მაღალ ძაბვად, რომლის წაკითხვაც შესაძლებელია არდუინო ნანოს მიერ. გამრავლების ფაქტორი განისაზღვრება რეზისტორის მნიშვნელობით OPA- ს უკუკავშირში. უფრო მოქნილი რომ ვიყო, ავიღე 6 განსხვავებული რეზისტორი, რომელთა არჩევა შესაძლებელია მბრუნავი გადამრთველით. ყველაზე დაბალი "გადიდება" არის 100, უმაღლესი 10 000 000. ყველაფერი იკვებება ერთი 9 ვ ბატარეით.

ნაბიჯი 3: პირველი ექსპერიმენტი: ქლოროფილის შთანთქმის მრუდი

გაზომვის პროცედურისთვის: კუვეტი ივსება წყლით ან გამჭვირვალე გამხსნელით. შემდეგ ის მოთავსებულია ფოტომეტრში. კუვეტი დაფარულია მსუბუქად მჭიდრო სახურავით. ახლა დააყენეთ ელექტროენერგიის მიწოდება LED- ზე ისე, რომ დაახლოებით 10-20mA დენი გადის LED- ში. ამის შემდეგ, გამოიყენეთ მბრუნავი გადამრთველი იმ პოზიციის შესარჩევად, რომლის დროსაც ფოტოდიოდის გამომავალი ძაბვაა დაახლოებით 3-4V. გამომავალი ძაბვის სრულყოფილი რეგულირება მაინც შეიძლება მოხდეს რეგულირებადი კვების წყლით. ეს ძაბვა U0 აღინიშნება. შემდეგ აიღეთ შესამოწმებელი სითხის შემცველი კუვეტი და განათავსეთ იგი ფოტომეტრში. ამ დროს დენის წყაროს ძაბვა და მბრუნავი გადამრთველის პოზიცია უცვლელი უნდა დარჩეს! შემდეგ კვლავ დაფარეთ კუვეტი სახურავით და გაზომეთ ძაბვა U. გადაცემისათვის T პროცენტში მნიშვნელობა არის T = U / U0 * 100. შთანთქმის კოეფიციენტის მისაღებად თქვენ უბრალოდ უნდა გამოთვალოთ A = 100 - T.

მე შევიძინე სხვადასხვა ფერის LED- ები Roithner Lasertechnik– ისგან, რომელიც მდებარეობს ავსტრიაში, ჩემს სამშობლოში. მათთვის, შესაბამისი ტალღის სიგრძე მოცემულია ნანომეტრებში. მართლაც რომ დარწმუნებული ხართ, შეგიძლიათ შეამოწმოთ დომინანტური ტალღის სიგრძე სპექტროსკოპით და Theremino პროგრამული უზრუნველყოფით (ტერმინო სპექტრომეტრი). ჩემს შემთხვევაში, მონაცემები ნმ -ში საკმაოდ კარგად შეესაბამება გაზომვებს. LED- ების არჩევისას თქვენ უნდა მიაღწიოთ ტალღის სიგრძის თანაბარ დაფარვას 395 ნმ -დან 850 ნმ -მდე.

ფოტომეტრის პირველი ექსპერიმენტისთვის ავირჩიე ქლოროფილი. მაგრამ ამისათვის თქვენ მოგიწევთ ბალახის ამოღება მდელოდან იმ იმედით, რომ არავინ გიყურებთ …

შემდეგ ეს ბალახი იჭრება პატარა ნაჭრებად და პროპანოლთან ან ეთანოლთან ერთად ქვაბში. ახლა თქვენ დააქუცმაცეთ ფოთლები ნაღმტყორცნით ან ჩანგლით. რამდენიმე წუთის შემდეგ ქლოროფილი მშვენივრად დაიშალა პროპანოლში. ეს გამოსავალი ჯერ კიდევ ძალიან ძლიერია. საჭიროა განზავდეს საკმარისი პროპანოლით. და თავიდან ასაცილებლად ნებისმიერი შეჩერებული გადაწყვეტა უნდა იყოს გაფილტრული. ავიღე ჩვეულებრივი ყავის ფილტრი.

შედეგი უნდა გამოიყურებოდეს ისე, როგორც სურათზეა ნაჩვენები. ძალიან გამჭვირვალე მწვანე-მოყვითალო ხსნარი. შემდეგ გაიმეორეთ გაზომვა (U0, U) თითოეული LED- ით. როგორც ჩანს შეწოვის მრუდიდან, თეორია და გაზომვა საკმაოდ კარგად ემთხვევა. ქლოროფილი a + b ძალიან ძლიერად შთანთქავს ლურჯ და წითელ სპექტრულ დიაპაზონში, ხოლო მწვანე-ყვითელ და ინფრაწითელ შუქს შეუძლია შეუფერხებლად შეაღწიოს ხსნარში. ინფრაწითელ დიაპაზონში, შეწოვა ნულთან ახლოს არის.

ნაბიჯი 4: მეორე ექსპერიმენტი: გადაშენების დამოკიდებულება კალიუმის პერმანგანატის კონცენტრაციაზე

როგორც შემდგომი ექსპერიმენტი, გადაშენების განსაზღვრა დამოკიდებულია ხსნარის კონცენტრაციაზე. როგორც გამხსნელი, ვიყენებ კალიუმის პერმანგანატს. ხსნარში შეღწევის შემდეგ სინათლის ინტენსივობა ემყარება ლამბერტ-ლუდის კანონს: ის იკითხება I = I0 * 10 ^ (- E). I0 არის ინტენსივობა ხსნარის გარეშე, მე ინტენსივობა ხსნარით და E ეგრეთ წოდებული გადაშენება. ეს გადაშენება E დამოკიდებულია (წრფივად) კუვეტის x სისქეზე და ხსნარის კონცენტრაციაზე c. ამრიგად, E = k * c * x ერთად k როგორც მოლური შთანთქმის კოეფიციენტი. გადაშენების E დასადგენად საჭიროა მხოლოდ მე და I0, რადგან E = lg (I0 / I). როდესაც ინტენსივობა მცირდება, მაგალითად, 10%-მდე, გადაშენება E = 1 (10 ^ -1). მხოლოდ 1%-მდე შესუსტებით, E = 2 (10 ^ -2).

თუკი ვიყენებთ E- ს, როგორც c კონცენტრაციის ფუნქციას, ჩვენ ველოდებით ნულოვანი წერტილის გავლით მზარდი სწორი ხაზის მიღებას.

როგორც ხედავთ ჩემი გადაშენების მრუდიდან, ის არ არის წრფივი. უფრო მაღალი კონცენტრაციით, იგი ბრტყელდება, კერძოდ 0,25 -ზე მეტი კონცენტრაციიდან. ეს ნიშნავს, რომ გადაშენება უფრო დაბალია, ვიდრე მოსალოდნელი იყო ლამბერტ-ლუდის კანონის თანახმად. თუმცა, მხოლოდ უფრო დაბალი კონცენტრაციების გათვალისწინებით, მაგალითად 0 -დან 0.25 -მდე, ძალიან კარგი წრფივი ურთიერთობაა კონცენტრაციას c და გადაშენება E. ამ დიაპაზონში, უცნობი კონცენტრაცია c შეიძლება განისაზღვროს გაზომილი გადაშენებიდან E. ჩემს შემთხვევაში, კონცენტრაციას აქვს მხოლოდ თვითნებური ერთეულები, ვინაიდან მე არ დავადგინე გახსნილი კალიუმის პერმანგანატის საწყისი რაოდენობა (ეს იყო მხოლოდ მილიგრამი, რომელიც არ შეიძლება შეფასდეს ჩემი სამზარეულოს მასშტაბით ჩემს შემთხვევაში, დასაშვებია 4 მლ წყალში ხსნარი).

ნაბიჯი 5: დასკვნები

ეს ფოტომეტრი განსაკუთრებით შესაფერისია ფიზიკისა და ქიმიის გაკვეთილებისთვის. საერთო ღირებულება მხოლოდ 60 ევრო = 70 აშშ დოლარია. სხვადასხვა ფერის LED- ები არის ყველაზე ძვირადღირებული ნაწილი. Ebay– ზე ან aliexpress– ზე თქვენ აუცილებლად ნახავთ უფრო იაფ LED- ებს, მაგრამ ჩვეულებრივ თქვენ არ იცით რომელი ტალღის სიგრძე აქვს LED– ებს. ამ თვალსაზრისით, რეკომენდებულია სპეციალისტის საცალო ვაჭრობისგან შეძენა.

ამ გაკვეთილზე თქვენ ისწავლით რაღაცას სითხეების ფერს და მათ შთანთქმის ქცევას შორის, მნიშვნელოვან ქლოროფილს, ლამბერტ-ლუდის კანონს, ექსპონენციალურობას, გადაცემასა და შეწოვას, პროცენტების გამოთვლას და ხილული ფერების ტალღის სიგრძეს. მე ვფიქრობ, რომ ეს საკმაოდ ბევრია…

ასე რომ გაერთეთ ასევე გააკეთეთ ეს პროექტი თქვენს გაკვეთილზე და ევრეკაზე!

ბოლოს და ბოლოს, მე ძალიან გამიხარდება, თუ თქვენ მომცემთ ხმას საკლასო-სამეცნიერო კონკურსზე. Მადლობა ამისთვის…

და თუ თქვენ დაინტერესებული ხართ ფიზიკის შემდგომი ექსპერიმენტებით, აქ არის ჩემი youtube არხი:

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

მეტი ფიზიკის პროექტი: