Физика немесе химия сабақтарына арналған Arduino көмегімен DIY жарықдиодты фотометр: 5 қадам (суреттермен)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2025-01-23 14:51

Сәлеметсіз бе!

Сұйықтар немесе басқа заттар түсті болып көрінеді, себебі олар белгілі бір түстерді көрсетеді немесе жібереді, ал басқаларын жұтады (сіңіреді). Фотометр деп аталатын құралдың көмегімен сұйықтықтар сіңіретін түстерді (толқын ұзындығын) анықтауға болады. Негізгі принцип қарапайым: белгілі бір түстің жарық диодымен сіз алдымен суға немесе басқа еріткішке толтырылған кюветадан жарқырайсыз. Фотодиод кіретін жарық қарқындылығын өлшейді және U0 пропорционалды кернеуге түрлендіреді. Бұл мән ескеріледі. Содан кейін зерттелетін сұйықтығы бар кювета сәуленің жолына қойылады және U қайтадан жарықтың интенсивтілігін немесе кернеуін өлшейді. Жіберу коэффициенті пайызбен есептеледі, содан кейін T = U / U0 * 100 арқылы есептеледі. Сіңіру коэффициентін алу үшін. A сіз тек A = 100 минус T есептеуіңіз керек.

Бұл өлшеу әр түрлі түсті жарықдиодты шамдармен қайталанады және әр жағдайда T немесе A толқын ұзындығының (түсінің) функциясы ретінде анықталады. Егер сіз мұны жеткілікті жарық диодтарымен жасасаңыз, сіз абсорбция қисығын аласыз.

1 -қадам: Бөлшектер

Фотометр үшін сізге келесі бөліктер қажет:

* Өлшемдері 160 x 100 x 70 мм немесе ұқсас қара қап: корпус

* Arduino нано: ebay arduino нано

* LF356 жұмыс күшейткіші: ebay LF356

* 10 мкФ сыйымдылығы бар 3 конденсатор: ebay конденсаторлары

* C = 100nF бар 2 конденсатор және 1nF конденсатор: ebay конденсаторлары

* Бір кернеу инверторы ICL7660: ebay ICL7660

* Бір фотодиод BPW34: ebay BPW34 фотодиод

* 100, 1к, 10к, 100к, 1М және 10М омы бар 6 резистор: ebay резисторлары

* I²C 16x2 дисплейі: ebay 16x2 дисплейі

* 2х6 айналмалы қосқыш: айналмалы қосқыш

* 9В батарея ұстағыш және 9В батарея: батарея ұстағыш

* қосқыш: қосқыш

* Шыны кюветтер: ebay кюветтері

* Түрлі түсті светодиодтар: f.e. ebay светодиодтары

* жарықдиодты қосу үшін қарапайым 0-15В қуат көзі

* кювета ұстаушыға арналған ағаш

2-қадам: Circuit және Arduino коды

Фотометрдің схемасы өте қарапайым. Ол фотодиодтан, жұмыс күшейткішінен, кернеу-түрлендіргіштен және басқа да кейбір бөліктерден (резисторлар, ажыратқыштар, конденсаторлар) тұрады. Бұл схеманың принципі - фотодиодтан (төмен) токты arduino нано оқуға болатын жоғары кернеуге айналдыру. Көбейту коэффициенті OPA кері байланысындағы резистордың мәнімен анықталады. Мен икемді болу үшін айналмалы қосқышпен таңдауға болатын 6 түрлі резистор алдым. Ең төменгі «үлкейту» - 100, ең жоғары 10 000 000. Барлығы бір 9В батареямен жұмыс істейді.

3-қадам: Бірінші тәжірибе: Хлорофиллдің абсорбциялық қисығы

Өлшеу процедурасы үшін: кювета сумен немесе басқа мөлдір еріткішпен толтырылады. Содан кейін ол фотометрге қойылады. Кюветаны жарық өткізбейтін қақпақпен жабады. Енді жарықдиодты қуат көзін светодиод арқылы шамамен 10-20мА ток өтетін етіп орнатыңыз. Осыдан кейін, фотодиодтың шығыс кернеуі 3-4В шамасында болатын орынды таңдау үшін айналмалы қосқышты қолданыңыз. Шығу кернеуін дәл реттеу әлі де реттелетін қуат көзімен жасалуы мүмкін. Бұл U0 кернеуі байқалады. Содан кейін зерттелетін сұйықтығы бар кюветті алыңыз да, оны фотометрге салыңыз. Бұл кезде қуат көзінің кернеуі мен айналмалы қосқыштың орны өзгеріссіз қалуы керек! Содан кейін кюветаны қайтадан қақпақпен жауып, U кернеуін өлшеңіз. Т беріліс үшін пайыздық мәні T = U / U0 * 100. А жұтылу коэффициентін алу үшін A = 100 - T есептеу керек.

Мен өз елім Австрияда орналасқан Ройтнер Ласертехниктен түрлі түсті жарықдиодты сатып алдым. Бұл үшін сәйкес толқын ұзындығы нанометрлерде берілген. Толық ұзындығын спектроскоппен және Theremino бағдарламалық жасақтамасымен (теремино спектрометр) тексеруге болатынына сенімді болу үшін. Менің жағдайда, nm -дегі деректер өлшеулермен өте жақсы келісілген. Светодиодты таңдағанда, толқын ұзындығы 395 нм -ден 850 нм -ге дейінгі диапазонды біркелкі жабуға қол жеткізу керек.

Фотометрмен бірінші тәжірибе үшін мен хлорофиллді таңдадым. Бірақ бұл үшін сені ешкім бақыламайды деп, шалғыннан шөп жұлуың керек …

Содан кейін бұл шөп кішкене кесектерге кесіліп, пропанол немесе этанолмен бірге кастрюльге қойылады. Енді сіз жапырақтарды ерітіндімен немесе шанышқымен ұсақтайсыз. Бірнеше минуттан кейін хлорофилл пропанолда жақсы ериді. Бұл шешім әлі де күшті. Оны жеткілікті пропанолмен сұйылту қажет. Ал тоқтап қалмау үшін ерітіндіні сүзу керек. Мен қарапайым кофе сүзгісін алдым.

Нәтиже суретте көрсетілгендей болуы керек. Өте мөлдір жасыл-сарғыш ерітінді. Содан кейін әр жарық диодымен өлшеуді қайталаңыз (U0, U). Алынған сіңіру қисығынан көрініп тұрғандай, теория мен өлшеу бір -бірімен жақсы сәйкес келеді. Хлорофилл а + в көк және қызыл спектр диапазонында өте күшті сіңеді, ал жасыл-сары және инфрақызыл сәуле ерітіндіге кедергісіз ене алады. Инфрақызыл диапазонда абсорбция тіпті нөлге жақын.

4 -қадам: Екінші эксперимент: жойылудың калий перманганатының концентрациясына тәуелділігі

Басқа эксперимент ретінде, еріген заттың концентрациясына байланысты жойылуды анықтау. Ерітінді ретінде мен калий перманганатын қолданамын. Ерітіндіге енгеннен кейін жарық қарқындылығы Ламберт-Бир заңына бағынады: Онда I = I0 * 10 ^ (- E) жазылады. I0-еріген затсыз интенсивтілік, I еріген заттағы интенсивтілік және Е-жойылу деп аталады. Бұл E сөнуі кюветаның қалыңдығына x және еріген заттың концентрациясына байланысты (сызықтық). Осылайша, молярлық сіңіру коэффициенті ретінде k бар E = k * c * x. E өшуін анықтау үшін сізге тек I және I0 қажет, себебі E = lg (I0 / I). Егер интенсивтілік, мысалы, 10%-ға дейін азайса, жойылу E = 1 (10 ^ -1). 1%-ға дейін әлсірегенде E = 2 (10 ^ -2).

Егер Е концентрациясының функциясы ретінде Е қолданылса, біз нөлдік нүкте арқылы көтерілетін түзуді аламыз деп күтеміз.

Менің жоғалу қисығынан көріп тұрғаныңыздай, бұл сызықтық емес. Жоғары концентрацияда ол тегістеледі, әсіресе 0,25 -тен жоғары концентрациядан. Бұл дегеніміз, жойылу Ламберт-Бир заңы бойынша күтілгеннен төмен. Алайда, тек төмен концентрацияларды ескере отырып, мысалы 0 мен 0.25 аралығында, с концентрациясы мен сөну Э арасындағы өте жақсы сызықтық байланыс пайда болады. Бұл диапазонда белгісіз c концентрациясын өлшенген жойылудан анықтауға болады E. Менің жағдайда, концентрация тек ерікті бірліктерге ие, өйткені мен еріген калий перманганатының бастапқы мөлшерін анықтаған жоқпын (бұл менің миллиметр ғана болды, оны менің ас үйімнің таразысымен өлшеуге болмады, 4 мл суда еріту үшін. шешім).

5 -қадам: Қорытынды

Бұл фотометр әсіресе физика мен химия сабақтарына сәйкес келеді, жалпы құны шамамен 60 евро = 70 доллар. Әр түрлі түсті светодиодтар - ең қымбат бөлігі. Ebay немесе aliexpress -те сіз, әрине, арзан жарықдиодты табасыз, бірақ әдетте жарық диодтардың қандай толқын ұзындығы бар екенін білмейсіз. Осылайша, мамандандырылған сатушылардан сатып алу ұсынылады.

Бұл сабақта сіз сұйықтықтардың түсі мен олардың жұтылу-жүріс-тұрысы арасындағы байланыс туралы, маңызды хлорофилл, Ламберт-Бир заңы, экспоненциалдар, берілу мен сіңіру, пайыздар мен көрінетін түстердің толқын ұзындықтары туралы білесіз. Менің ойымша, бұл өте көп…

Бұл жобаны сіздің сабағыңызда және Эврика жасауда көңілді болыңыз!

Ақырында, егер сіз маған сыныптағы ғылыми байқауда дауыс берсеңіз, мен өте қуанышты болар едім. Сол үшін рахмет…

Егер сізді физиканың басқа эксперименттері қызықтырса, міне менің youtube-каналым:

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

басқа физика жобалары: