Физик эсвэл химийн хичээлд зориулсан Arduino-той DIY LED гэрэл хэмжигч: 5 алхам (зурагтай)

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:03

Сайн уу?

Шингэн эсвэл бусад зүйл нь тодорхой өнгө тусгаж, дамжуулж, улмаар бусдыг залгидаг (шингээдэг) тул өнгөөр харагддаг. Фотометр гэж нэрлэгддэг эдгээр шингэнийг шингээдэг өнгийг (долгионы уртыг) тодорхойлох боломжтой. Үндсэн зарчим нь энгийн: тодорхой өнгийн LED -ийн тусламжтайгаар та эхлээд ус эсвэл өөр уусгагчаар дүүргэсэн кюветээр гэрэлтдэг. Фотодиод нь ирж буй гэрлийн эрч хүчийг хэмжиж U0 пропорциональ хүчдэл болгон хувиргадаг. Энэ утгыг тэмдэглэв. Үүний дараа судалж буй шингэнтэй кюветийг цацрагийн зам дээр байрлуулж, гэрлийн эрч хүч буюу U хүчдэлийг дахин хэмжинэ. Дамжуулах коэффициентийг хувиар нь T = U / U0 * 100-аар тооцоолно. A та зүгээр л A = 100 хасах Т -ийг тооцоолох хэрэгтэй.

Энэ хэмжилтийг өөр өөр өнгийн LED -ээр давтаж, долгионы уртын (өнгө) функцээр T эсвэл A тохиолдол бүрт тодорхойлно. Хэрэв та үүнийг хангалттай LED -ээр хийвэл шингээлтийн муруй гарч ирнэ.

Алхам 1: эд ангиуд

Фотометрийн хувьд танд дараах хэсгүүд хэрэгтэй болно.

* 160 x 100 x 70 мм хэмжээтэй хар хайрцаг: орон сууц

* Arduino Nano: ebay arduino нано

* Үйлдлийн өсгөгч LF356: ebay LF356

* 10μF багтаамжтай 3 конденсатор: ebay конденсатор

* C = 100nF бүхий 2 конденсатор ба 1nF конденсатор: ebay конденсатор

* Нэг хүчдэлийн инвертер ICL7660: ebay ICL7660

* Нэг фотодиод BPW34: ebay BPW34 фотодиод

* 100, 1k, 10k, 100k, 1M ба 10M ом бүхий 6 резистор: ebay резистор

* I²C 16x2 дэлгэц: ebay 16x2 дэлгэц

* 2х6 эргэлттэй унтраалга: эргэдэг унтраалга

* 9В батерей ба 9В зай: зай эзэмшигч

* шилжүүлэгч: шилжүүлэгч

* Шилэн кювет: ebay кювет

* Өөр өөр өнгөтэй LED: f.e. ebay LED

* LED-ийг тэжээх энгийн 0-15В цахилгаан хангамж

* кювет эзэмшигчийн мод

Алхам 2: Circuit ба Arduino код

Фотометрийн хэлхээ нь маш энгийн. Энэ нь фотодиод, үйл ажиллагааны өсгөгч, хүчдэл хувиргагч болон бусад зарим хэсгүүдээс (эсэргүүцэл, унтраалга, конденсатор) бүрдэнэ. Энэ төрлийн хэлхээний зарчим нь фотодиодоос (бага) гүйдлийг өндөр хүчдэл болгон хувиргах бөгөөд үүнийг arduino нано унших боломжтой. Үржүүлэх коэффициентийг OPA-ийн санал хүсэлтийн эсэргүүцлийн утгаар тодорхойлно. Илүү уян хатан байхын тулд эргүүлэх унтраалгаар сонгож болох 6 өөр резистор авсан. Хамгийн бага "томруулах" нь 100, хамгийн өндөр нь 10 000 000. Бүх зүйл 9В батерейгаар тэжээгддэг.

Алхам 3: Эхний туршилт: Хлорофилл шингээлтийн муруй

Хэмжих процедурын хувьд: Кюветийг ус эсвэл өөр тунгалаг уусгагчаар дүүргэнэ. Үүнийг дараа нь фотометрт байрлуулна. Кюветийг хөнгөн битүү тагаар хучиж байна. LED-ийн тэжээлийн эх үүсвэрийг LED-ээр 10-20мА орчим гүйдэл дамжуулахаар тохируулаарай. Үүний дараа эргүүлэх товчлуурыг ашиглан фотодиодын гаралтын хүчдэл 3-4В орчим байх байрлалыг сонгоно уу. Гаралтын хүчдэлийг нарийн тааруулах ажлыг тохируулагдсан тэжээлийн хангамжийн тусламжтайгаар хийх боломжтой хэвээр байна. Энэ U0 хүчдэлийг тэмдэглэв. Дараа нь судалж буй шингэн агуулсан кюветийг аваад фотометрт байрлуулна. Энэ үед цахилгаан тэжээлийн хүчдэл ба эргэлтийн унтраалгын байрлал өөрчлөгдөхгүй хэвээр байх ёстой! Дараа нь кюветийг дахин таглаад U хүчдэлийг хэмжинэ. T дамжуулалтын хувьд утга нь T = U / U0 * 100 байна. А шингээлтийн коэффициентийг авахын тулд A = 100 - T -ийг тооцоолоход хангалттай.

Би өөр өөр өнгийн LED гэрлийг Австри улсад байдаг Ройтнер Ласертехникээс худалдаж авсан. Үүний тулд долгионы уртыг нанометрээр өгдөг. Давамгайлах долгионы уртыг спектроскоп болон Theremino програм хангамж (теремино спектрометр) ашиглан шалгах боломжтой гэдэгт итгэлтэй байна. Миний хувьд nm дахь өгөгдөл нь хэмжилтүүдтэй маш сайн нийцдэг. LED -ийг сонгохдоо долгионы уртыг 395 нм -ээс 850 нм хүртэл жигд хамрах ёстой.

Фотометрийн анхны туршилтын хувьд би хлорофиллийг сонгосон. Гэхдээ үүний тулд та хэн ч чамайг харахгүй байна гэж найдан нугаас өвс түүж авах хэрэгтэй болно …

Дараа нь энэ өвсийг жижиг хэсгүүдэд хувааж, пропанол эсвэл этанолын хамт саванд хийнэ. Одоо та навчийг зуурмаг эсвэл сэрээгээр бутлана. Хэдэн минутын дараа хлорофилл пропанолд сайн ууссан байна. Энэ шийдэл нь хэтэрхий хүчтэй хэвээр байна. Үүнийг хангалттай хэмжээний пропанолоор шингэлэх шаардлагатай. Мөн түдгэлзүүлэхгүйн тулд уусмалыг шүүж байх ёстой. Би энгийн кофе шүүгч авлаа.

Үр дүн нь зураг дээр үзүүлсэн шиг харагдах ёстой. Маш тунгалаг ногоон шаргал өнгөтэй шийдэл. Дараа нь LED тус бүрээр хэмжилтийг (U0, U) давтана. Олсон шингээлтийн муруйгаас харахад онол, хэмжилт хоёр хоорондоо маш сайн нийцэж байна. Хлорофилл a + b нь хөх, улаан спектрийн мужид маш хүчтэй шингэдэг бол ногоон шар, хэт улаан туяа нь уусмалд бараг саадгүй нэвтэрдэг. Хэт улаан туяаны мужид шингээлт нь тэг хүртэл ойрхон байна.

Алхам 4: Хоёр дахь туршилт: Калийн перманганатын концентрацаас устаж үгүй болохоос хамааралтай байдал

Дараагийн туршилтын хувьд ууссан бодисын агууламжаас хамаарч устаж үгүй болохыг тодорхойлох. Уусмалын хувьд би калийн перманганатыг хэрэглэдэг. Уусмалыг нэвтэрсний дараа гэрлийн эрч хүч нь Ламберт-Бийрийн хуулийг дагаж мөрддөг: Энэ нь I = I0 * 10 ^ (- E) гэж уншдаг. I0 бол уусдаггүй эрчим, I ууссан бодисын эрчим ба Е гэж устах гэж нэрлэдэг. Энэхүү устаж үгүй болох E нь кюветаны зузаан x ба ууссан бодисын концентрацаас хамаарна (шугаман байдлаар). Ийнхүү молийн шингээлтийн коэффициент болох k -тэй E = k * c * x. Устаж буй E -ийг тодорхойлохын тулд танд I ба I0 хэрэгтэй, учир нь E = lg (I0 / I). Эрч хүчийг жишээлбэл 10%хүртэл бууруулахад устах E = 1 (10 ^ -1) болно. Зөвхөн 1%хүртэл суларсан тохиолдолд E = 2 (10 ^ -2).

Хэрэв Е -ийг c концентрацийн функц болгон хэрэглэвэл бид тэг цэгээр дамжин өсөн нэмэгдэж буй шулуун шугамыг авах болно.

Миний мөхлийн муруйгаас харахад шугаман биш юм. Илүү өндөр концентрацид, ялангуяа 0.25 -аас дээш концентрацаас хавтгайрдаг. Энэ нь Ламберт-Бийрийн хуулийн дагуу устаж үгүй болох магадлал багатай гэсэн үг юм. Гэсэн хэдий ч, зөвхөн бага концентрацийг харгалзан үзвэл, жишээлбэл 0 -ээс 0.25 хооронд, концентраци c ба устаж үгүй болох Э хоёрын хооронд маш сайхан шугаман хамаарал бий болно. Энэ хүрээнд хэмжигдэхүйц устгалаас c -ийн үл мэдэгдэх концентрацийг тодорхойлж болно. Миний тохиолдолд, Би ууссан калийн перманганатын анхны хэмжээг тогтоогоогүй тул концентраци нь зөвхөн дур зоргоороо нэгжтэй байдаг (энэ нь зөвхөн миллиграмм байсан бөгөөд үүнийг миний гал тогооны өрөөний хэмжүүрээр хэмжих боломжгүй байсан бөгөөд 4 мл усанд уусгахад зориулагдсан болно) шийдэл).

Алхам 5: Дүгнэлт

Энэхүү фотометр нь физик, химийн хичээлд илүү тохиромжтой бөгөөд нийт өртөг нь ердөө 60 евро = 70 доллар юм. Янз бүрийн өнгийн LED нь хамгийн үнэтэй хэсэг юм. Ebay эсвэл aliexpress дээр та илүү хямд LED олох болно, гэхдээ ихэвчлэн LED нь ямар долгионы урттай болохыг мэддэггүй. Ийм байдлаар мэргэшсэн жижиглэн худалдаачдаас худалдаж авахыг зөвлөж байна.

Энэ хичээлээр та шингэний өнгө ба тэдгээрийн шингээлт-зан үйлийн хоорондын хамаарал, чухал хлорофилл, Ламберт-Беерийн хууль, экспоненциал, дамжуулалт ба шингээлт, хувь тооцох, харагдах өнгөний долгионы уртын талаар ямар нэгэн зүйл сурах болно. Энэ бол маш их зүйл гэж би бодож байна …

Тиймээс энэхүү төслийг хичээл болон Эврика дээрээ хийж хөгжилтэй өнгөрүүлээрэй!

Эцэст нь хэлэхэд, хэрэв та анги-шинжлэх ухааны уралдаанд надад саналаа өгвөл би маш их баяртай байх болно. Нд баярлалаа…

Хэрэв та физикийн цаашдын туршилтуудыг сонирхож байвал миний youtube суваг энд байна.

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

физикийн бусад төслүүд: