Fotometro LED fai-da-te con Arduino per lezioni di fisica o chimica: 5 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Ciao!

I liquidi o altri oggetti appaiono colorati perché riflettono o trasmettono determinati colori e a loro volta ne ingoiano (assorbono) altri. Con un cosiddetto fotometro si possono determinare quei colori (lunghezze d'onda) che vengono assorbiti dai liquidi. Il principio di base è semplice: con un LED di un certo colore si fa brillare prima una cuvetta piena d'acqua o un altro solvente. Un fotodiodo misura l'intensità della luce in ingresso e la converte in una tensione proporzionale U0. Questo valore è annotato. Successivamente, una cuvetta con il liquido da esaminare viene posta nel percorso del raggio e misura nuovamente l'intensità della luce o la tensione U. Il fattore di trasmissione in percentuale viene quindi semplicemente calcolato da T = U / U0 * 100. Per ottenere il fattore di assorbimento A devi solo calcolare A = 100 meno T.

Questa misurazione viene ripetuta con LED di colore diverso e determina di volta in volta T o A in funzione della lunghezza d'onda (colore). Se lo fai con un numero sufficiente di LED, ottieni una curva di assorbimento.

Passaggio 1: le parti

Per il fotometro sono necessarie le seguenti parti:

* Una custodia nera con le dimensioni 160 x 100 x 70 mm o simile: custodia

* Un Arduino Nano: ebay arduino nano

* Un amplificatore operazionale LF356: ebay LF356

* 3 condensatori con una capacità di 10μF: condensatori ebay

* 2 condensatori con C = 100nF e un condensatore con 1nF: condensatori ebay

* Un inverter di tensione ICL7660: ebay ICL7660

* Un fotodiodo BPW34: fotodiodo ebay BPW34

* 6 resistori da 100, 1k, 10k, 100k, 1M e 10M ohm: resistori ebay

* un display I²C 16x2: display ebay 16x2

* un interruttore rotante 2x6: interruttore rotante

* un portabatteria da 9V e una batteria da 9V: portabatteria

* un interruttore: interruttore

* Cuvette in vetro: cuvette ebay

* LED di colore diverso: f.e. LED ebay

* un semplice alimentatore 0-15V per alimentare i LED

* legno per il portacuvette

Passaggio 2: il circuito e il codice Arduino

Il circuito per il fotometro è molto semplice. È costituito da un fotodiodo, un amplificatore operazionale, un invertitore di tensione e alcune altre parti (resistenze, interruttori, condensatori). Il principio di questo tipo di circuito è convertire la (bassa) corrente dal fotodiodo in una tensione più alta, che può essere letta dall'arduino nano. Il fattore di moltiplicazione è determinato dal valore del resistore nella retroazione dell'OPA. Per essere più flessibile ho preso 6 resistenze diverse, che possono essere scelte con il selettore rotativo. L'"ingrandimento" più basso è 100, il più alto 10 000 000. Tutto è alimentato da una singola batteria da 9V.

Fase 3: Primo esperimento: la curva di assorbimento della clorofilla

Per la procedura di misurazione: una cuvetta viene riempita con acqua o un altro solvente trasparente. Questo viene poi inserito nel fotometro. La cuvetta viene coperta con un coperchio a tenuta di luce. Ora imposta l'alimentazione per il LED in modo che una corrente di circa 10-20 mA scorra attraverso il LED. Successivamente, utilizzare il selettore rotativo per selezionare la posizione in cui la tensione di uscita del fotodiodo è di circa 3-4V. La regolazione fine della tensione di uscita può ancora essere eseguita con l'alimentatore regolabile. Questa tensione U0 è annotata. Quindi prendere la cuvetta contenente il liquido da esaminare e inserirla nel fotometro. A questo punto la tensione di alimentazione e la posizione del commutatore rotante devono rimanere invariate! Quindi coprire nuovamente la cuvetta con il coperchio e misurare la tensione U. Per la trasmissione T in percentuale il valore è T = U / U0 * 100. Per ottenere il coefficiente di assorbimento A è sufficiente calcolare A = 100 - T.

Ho acquistato i diversi LED colorati da Roithner Lasertechnik che si trova in Austria, il mio paese d'origine. Per questi, la rispettiva lunghezza d'onda è indicata in nanometri. Per essere veramente sicuri si può controllare la lunghezza d'onda dominante con uno spettroscopio e il software Theremino (spettrometro theremino). Nel mio caso, i dati in nm concordano abbastanza bene con le misurazioni. Quando si selezionano i LED, si dovrebbe ottenere una copertura uniforme della gamma di lunghezze d'onda da 395 nm a 850 nm.

Per il primo esperimento con il fotometro ho scelto la clorofilla. Ma per questo dovrai strappare l'erba da un prato sperando che nessuno ti guardi…

Questa erba viene quindi tagliata in piccoli pezzi e messa insieme con propanolo o etanolo in una pentola. Ora schiacciate le foglie con un mortaio o una forchetta. Dopo pochi minuti, la clorofilla si è dissolta bene nel propanolo. Questa soluzione è ancora troppo forte. Deve essere diluito con sufficiente propanolo. E per evitare qualsiasi sospensione la soluzione deve essere filtrata. Ho preso un comune filtro da caffè.

Il risultato dovrebbe essere come mostrato nell'immagine. Una soluzione verde-giallastra molto traslucida. Quindi ripeti la misurazione (U0, U) con ciascun LED. Come si può vedere dalla curva di assorbimento ottenuta, teoria e misurazione concordano abbastanza bene. La clorofilla a + b assorbe molto fortemente nella gamma spettrale del blu e del rosso, mentre la luce verde-gialla e infrarossa possono penetrare nella soluzione quasi senza ostacoli. Nel campo dell'infrarosso, l'assorbimento è addirittura vicino allo zero.

Fase 4: Secondo esperimento: la dipendenza dell'estinzione dalla concentrazione di permanganato di potassio

Come ulteriore esperimento, si offre la determinazione dell'estinzione in funzione della concentrazione del soluto. Come soluto, uso il permanganato di potassio. L'intensità della luce dopo aver penetrato la soluzione segue la legge di Lambert-Beer: Si legge I = I0 * 10 ^ (- E). I0 è l'intensità senza soluto, I l'intensità con soluto ed E la cosiddetta estinzione. Questa estinzione E dipende (linearmente) dallo spessore x della cuvetta e dalla concentrazione c del soluto. Quindi, E = k * c * x con k come coefficiente di assorbimento molare. Per determinare l'estinzione E bastano I e I0, perché E = lg (I0/I). Quando l'intensità è ridotta, ad esempio, al 10%, l'estinzione E = 1 (10 ^ -1). Con un indebolimento al solo 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Se si applica E in funzione della concentrazione c, ci si aspetterebbe di ottenere una retta ascendente passante per il punto zero.

Come puoi vedere dalla mia curva di estinzione, non è lineare. A concentrazioni più elevate, si appiattisce, in particolare da concentrazioni superiori a 0,25. Ciò significa che l'estinzione è inferiore a quanto ci si aspetterebbe secondo la legge Lambert-Beer. Tuttavia, considerando solo concentrazioni inferiori, ad esempio tra 0 e 0,25, si ottiene una relazione lineare molto bella tra la concentrazione c e l'estinzione E. In questo intervallo, la concentrazione sconosciuta c può essere determinata dall'estinzione misurata E. Nel mio caso, la concentrazione ha solo unità arbitrarie, dal momento che non ho determinato la quantità iniziale di permanganato di potassio disciolto (erano solo milligrammi, che nel mio caso non potevano essere misurati con la mia bilancia da cucina, sciolti in 4 ml di acqua per l'inizio soluzione).

Passaggio 5: Conclusioni

Questo fotometro è particolarmente adatto per lezioni di fisica e chimica. Il costo totale è di soli 60 Euro circa = 70 USD. I diversi LED colorati sono la parte più costosa. Su ebay o aliexpress troverai sicuramente LED più economici ma di solito non sai quali lunghezze d'onda hanno i LED. Visto in questo modo, si consiglia l'acquisto da un rivenditore specializzato.

In questa lezione imparerai qualcosa sulla relazione tra il colore dei liquidi e il loro comportamento di assorbimento, sull'importante Clorofilla, la legge di Lambert-Beer, gli esponenziali, la trasmissione e l'assorbimento, il calcolo delle percentuali e le lunghezze d'onda dei colori visibili. Penso che questo sia parecchio…

Quindi divertiti anche a realizzare questo progetto nella tua lezione ed Eureka!

Ultimo ma non meno importante, sarei molto felice se potessi votarmi nel concorso in aula-scienza. Grazie per questo…

E se sei interessato ad ulteriori esperimenti di fisica, ecco il mio canale youtube:

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

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