DIY LED-photometer พร้อม Arduino สำหรับบทเรียนฟิสิกส์หรือเคมี: 5 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

สวัสดี!

ของเหลวหรือวัตถุอื่น ๆ ปรากฏเป็นสีเพราะสะท้อนหรือส่งผ่านสีบางอย่างและกลืน (ดูดซับ) อื่น ๆ ด้วยโฟโตมิเตอร์ที่เรียกว่า จึงสามารถกำหนดสี (ความยาวคลื่น) เหล่านั้นได้ ซึ่งของเหลวดูดซับไว้ หลักการพื้นฐานนั้นเรียบง่าย: ด้วย LED ที่มีสีใดสีหนึ่ง คุณจะต้องส่องผ่านคิวเวตต์ที่เติมน้ำหรือตัวทำละลายอื่นก่อน โฟโตไดโอดวัดความเข้มของแสงที่เข้ามาและแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าตามสัดส่วน U0 ค่านี้จะถูกบันทึกไว้ หลังจากนั้น cuvette ที่มีของเหลวที่จะตรวจสอบจะถูกวางไว้ในเส้นทางของลำแสงและวัดความเข้มของแสงหรือแรงดันไฟฟ้า U อีกครั้ง จากนั้นจึงคำนวณแฟคเตอร์การส่งผ่านเป็นเปอร์เซ็นต์โดย T = U / U0 * 100 เพื่อให้ได้ตัวประกอบการดูดกลืน A คุณแค่ต้องคำนวณ A = 100 ลบ T

การวัดนี้ทำซ้ำด้วย LED ที่มีสีต่างกัน และกำหนดในแต่ละกรณี T หรือ A เป็นฟังก์ชันของความยาวคลื่น (สี) หากคุณทำเช่นนี้ด้วยไฟ LED ที่เพียงพอ คุณจะได้กราฟการดูดกลืนแสง

ขั้นตอนที่ 1: ชิ้นส่วน

สำหรับโฟโตมิเตอร์ คุณต้องมีชิ้นส่วนต่อไปนี้:

* ตัวเรือนสีดำขนาด 160 x 100 x 70 มม. หรือใกล้เคียง: ตัวเรือน

* Arduino Nano: อีเบย์ Arduino nano

* เครื่องขยายเสียงปฏิบัติการ LF356: อีเบย์ LF356

* 3 ตัวเก็บประจุที่มีความจุ10μF: ตัวเก็บประจุอีเบย์

* 2 ตัวเก็บประจุที่มี C = 100nF และตัวเก็บประจุที่มี 1nF: ตัวเก็บประจุอีเบย์

* หนึ่งอินเวอร์เตอร์แรงดันไฟฟ้า ICL7660: อีเบย์ ICL7660

* โฟโตไดโอดหนึ่งตัว BPW34: อีเบย์ โฟโตไดโอด BPW34

* ตัวต้านทาน 6 ตัวที่มี 100, 1k, 10k, 100k, 1M และ 10M โอห์ม: ตัวต้านทานอีเบย์

* จอแสดงผลI²C 16x2: ebay 16x2 display

* สวิตช์โรตารี่ 2x6: สวิตช์โรตารี่

* ที่ใส่แบตเตอรี่ 9V และแบตเตอรี่ 9V: ที่ใส่แบตเตอรี่

* สวิตช์: สวิตช์

* cuvettes แก้ว: cuvettes อีเบย์

* ไฟ LED ที่มีสีต่างกัน: ebay LEDs

* แหล่งจ่ายไฟ 0-15V แบบธรรมดาเพื่อจ่ายไฟให้กับ LEDs

* ไม้สำหรับใส่คิวเวตต์

ขั้นตอนที่ 2: วงจรและรหัส Arduino

วงจรสำหรับโฟโตมิเตอร์นั้นง่ายมาก ประกอบด้วยโฟโตไดโอด แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน อินเวอร์เตอร์แรงดันไฟ และส่วนประกอบอื่นๆ (ตัวต้านทาน สวิตช์ ตัวเก็บประจุ) หลักการของวงจรประเภทนี้คือการแปลงกระแสไฟ (ต่ำ) จากโฟโตไดโอดเป็นแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น ซึ่ง Arduino nano สามารถอ่านได้ ปัจจัยการคูณถูกกำหนดโดยค่าของตัวต้านทานในการป้อนกลับของ OPA เพื่อให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้น ฉันจึงใช้ตัวต้านทานที่แตกต่างกัน 6 ตัว ซึ่งสามารถเลือกได้ด้วยสวิตช์แบบหมุน "กำลังขยาย" ต่ำสุดคือ 100 ซึ่งสูงสุด 10 000 000 ทุกอย่างใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ 9V เพียงก้อนเดียว

ขั้นตอนที่ 3: การทดลองครั้งแรก: เส้นโค้งการดูดซึมของคลอโรฟิลล์

สำหรับขั้นตอนการวัด: เติม cuvette ด้วยน้ำหรือตัวทำละลายโปร่งใสอื่น นี้จะถูกวางไว้ในโฟโตมิเตอร์ คิวเวตต์ถูกปิดด้วยฝาปิดที่แน่นเบา ตอนนี้ตั้งค่าแหล่งจ่ายไฟสำหรับ LED เพื่อให้กระแสประมาณ 10-20mA ไหลผ่าน LED หลังจากนั้น ใช้สวิตช์หมุนเพื่อเลือกตำแหน่งที่แรงดันเอาต์พุตของโฟโตไดโอดอยู่ที่ประมาณ 3-4V การปรับแรงดันเอาต์พุตแบบละเอียดยังสามารถทำได้ด้วยแหล่งจ่ายไฟที่ปรับได้ แรงดันไฟฟ้า U0 นี้ถูกบันทึกไว้ จากนั้นนำคิวเวตต์ที่บรรจุของเหลวไปตรวจสอบและวางลงในโฟโตมิเตอร์ ณ จุดนี้แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟและตำแหน่งของสวิตช์แบบหมุนจะต้องไม่เปลี่ยนแปลง! จากนั้นปิด cuvette อีกครั้งด้วยฝาปิดและวัดแรงดันไฟฟ้า U สำหรับการส่ง T เป็นเปอร์เซ็นต์ ค่าคือ T = U / U0 * 100 เพื่อให้ได้ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืน A คุณเพียงแค่คำนวณ A = 100 - T

ฉันซื้อ LED สีต่างๆ จาก Roithner Lasertechnik ซึ่งตั้งอยู่ในออสเตรีย ประเทศบ้านเกิดของฉัน สำหรับสิ่งเหล่านี้ ความยาวคลื่นตามลำดับจะได้รับในหน่วยนาโนเมตร เพื่อให้แน่ใจว่าเราสามารถตรวจสอบความยาวคลื่นที่โดดเด่นได้ด้วยสเปกโตรสโคปและซอฟต์แวร์ Theremino (theremino spectrometer) ในกรณีของฉัน ข้อมูลในหน่วยนาโนเมตรเห็นด้วยกับการวัดที่ค่อนข้างดี เมื่อเลือก LED คุณควรบรรลุความครอบคลุมของช่วงความยาวคลื่นที่เท่ากันตั้งแต่ 395 นาโนเมตรถึง 850 นาโนเมตร

สำหรับการทดลองครั้งแรกกับโฟโตมิเตอร์ ฉันเลือกคลอโรฟิลล์ แต่สำหรับสิ่งนี้ คุณจะต้องถอนหญ้าออกจากทุ่งหญ้าโดยหวังว่าจะไม่มีใครเห็นคุณ …

หญ้านี้ถูกตัดเป็นชิ้นเล็ก ๆ แล้วใส่โพรพานอลหรือเอทานอลในหม้อ ตอนนี้คุณบดใบด้วยครกหรือส้อม หลังจากนั้นไม่กี่นาที คลอโรฟิลล์ก็ละลายได้ดีในโพรพานอล วิธีแก้ปัญหานี้ยังแรงเกินไป ต้องเจือจางด้วยโพรพานอลที่เพียงพอ และเพื่อหลีกเลี่ยงการระงับ จึงต้องกรองสารละลาย ฉันเอาตัวกรองกาแฟทั่วไป

ผลลัพธ์ควรมีลักษณะตามที่แสดงในภาพ สารละลายสีเขียวเหลืองโปร่งแสงมาก จากนั้นคุณทำการวัดซ้ำ (U0, U) ด้วย LED แต่ละตัว ดังที่เห็นได้จากกราฟการดูดกลืนที่ได้รับ ทฤษฎีและการวัดเห็นด้วยค่อนข้างดี คลอโรฟิลล์ a + b ดูดซับอย่างมากในช่วงสเปกตรัมสีน้ำเงินและสีแดง ในขณะที่แสงสีเขียว-เหลือง และอินฟราเรดสามารถทะลุผ่านสารละลายได้เกือบจะไม่มีสิ่งกีดขวาง ในช่วงอินฟราเรด การดูดกลืนแสงยังใกล้ศูนย์อีกด้วย

ขั้นตอนที่ 4: การทดลองครั้งที่สอง: การพึ่งพาการสูญพันธุ์ของความเข้มข้นของโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต

ในการทดลองต่อไป การกำหนดการสูญพันธุ์ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของตัวถูกละลาย ฉันใช้โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตเป็นตัวละลาย ความเข้มของแสงหลังจากแทรกซึมสารละลายเป็นไปตามกฎของแลมเบิร์ต-เบียร์: อ่านว่า I = I0 * 10 ^ (- E) I0 คือความเข้มที่ไม่มีตัวถูกละลาย I0 คือความเข้มที่มีตัวถูกละลายและ E ที่เรียกว่าการสูญพันธุ์ การสูญพันธุ์ E นี้ขึ้นอยู่กับความหนา x ของคิวเวตต์และความเข้มข้น c ของตัวถูกละลาย ดังนั้น E = k * c * x โดยที่ k เป็นค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนกราม ในการพิจารณาการสูญพันธุ์ E คุณแค่ต้องการ I และ I0 เพราะ E = lg (I0 / I) เมื่อความเข้มลดลงเหลือ 10% การสูญพันธุ์ E = 1 (10 ^ -1) โดยอ่อนตัวลงเหลือเพียง 1% E = 2 (10 ^ -2)

หากใช้ E เป็นฟังก์ชันของความเข้มข้น c เราคาดว่าจะได้เส้นตรงที่เพิ่มขึ้นผ่านจุดศูนย์

อย่างที่คุณเห็นจากเส้นโค้งการสูญพันธุ์ของฉัน มันไม่ใช่เชิงเส้น ที่ความเข้มข้นสูง จะทำให้แบน โดยเฉพาะจากความเข้มข้นที่มากกว่า 0.25 ซึ่งหมายความว่าการสูญพันธุ์ต่ำกว่าที่คาดไว้ตามกฎหมายแลมเบิร์ต-เบียร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาเฉพาะความเข้มข้นที่ต่ำกว่า เช่น ระหว่าง 0 ถึง 0.25 ส่งผลให้เกิดความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงที่ดีมากระหว่างความเข้มข้น c และการสูญพันธุ์ E ในช่วงนี้ ความเข้มข้นที่ไม่ทราบค่า c สามารถหาได้จากการสูญพันธุ์ที่วัดได้ E ในกรณีของฉัน ความเข้มข้นมีหน่วยตามอำเภอใจเท่านั้น เนื่องจากฉันยังไม่ได้กำหนดปริมาณโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตที่ละลายในเบื้องต้น (มีเพียงมิลลิกรัมเท่านั้น ซึ่งในกรณีของฉันไม่สามารถวัดได้ด้วยมาตราส่วนในครัวของฉัน ละลายในน้ำ 4 มล. สำหรับการเริ่มต้น สารละลาย).

ขั้นตอนที่ 5: บทสรุป

โฟโตมิเตอร์นี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับบทเรียนฟิสิกส์และเคมี ค่าใช้จ่ายทั้งหมดประมาณ 60 Euro = 70 USD เท่านั้น ไฟ LED สีต่างๆ เป็นส่วนที่แพงที่สุด บน ebay หรือ aliexpress คุณจะพบ LED ที่ถูกกว่าอย่างแน่นอน แต่โดยปกติคุณไม่ทราบว่า LED มีความยาวคลื่นเท่าใด เมื่อเห็นในลักษณะนี้ ขอแนะนำให้ซื้อจากผู้ค้าปลีกผู้เชี่ยวชาญ

ในบทเรียนนี้ คุณจะได้เรียนรู้บางอย่างเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างสีของของเหลวกับพฤติกรรมการดูดกลืนของพวกมัน เกี่ยวกับคลอโรฟิลล์ที่สำคัญ กฎของเบียร์แลมเบิร์ต-เบียร์ การเอ็กซ์โปเนนเชียล การส่งผ่านและการดูดกลืน การคำนวณเปอร์เซ็นต์และความยาวคลื่นของสีที่มองเห็นได้ ฉันคิดว่ามันค่อนข้างมาก …

ขอให้สนุกกับการทำโครงงานนี้ในบทเรียนและยูเรก้าของคุณ!

สุดท้ายแต่ไม่ท้ายสุด ฉันจะมีความสุขมากถ้าคุณสามารถลงคะแนนให้ฉันในชั้นเรียน-วิทยาศาสตร์-ประกวด ขอบคุณสำหรับการที่…

และหากคุณสนใจการทดลองฟิสิกส์เพิ่มเติม นี่คือช่อง youtube ของฉัน:

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

โครงการฟิสิกส์เพิ่มเติม: