Fotòmetre LED de bricolatge amb Arduino per a lliçons de física o química: 5 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Hola!

Els líquids o altres objectes apareixen acolorits perquè reflecteixen o transmeten certs colors i, al seu torn, empassen (absorbeixen) altres. Amb l’anomenat fotòmetre es poden determinar aquells colors (longituds d’ona) que són absorbits pels líquids. El principi bàsic és senzill: amb un LED d’un color determinat, primer brillareu a través d’una cubeta plena d’aigua o d’un altre dissolvent. Un fotodiode mesura la intensitat de la llum entrant i la converteix en una tensió proporcional U0. Aquest valor s’anota. Després, es col·loca una cubeta amb el líquid a examinar al recorregut del feix i mesura de nou la intensitat de la llum o la tensió U. El factor de transmissió en percentatge es calcula simplement amb T = U / U0 * 100. Per obtenir el factor d’absorció A només cal calcular A = 100 menys T.

Aquesta mesura es repeteix amb LEDs de colors diferents i determina en cada cas T o A en funció de la longitud d’ona (color). Si ho feu amb prou LEDs, obtindreu una corba d’absorció.

Pas 1: les parts

Per al fotòmetre necessiteu les següents parts:

* Un estoig negre de dimensions 160 x 100 x 70 mm o similar: carcassa

* Un Arduino Nano: ebay arduino nano

* Un amplificador operatiu LF356: ebay LF356

* 3 condensadors amb una capacitat de 10μF: condensadors ebay

* 2 condensadors amb C = 100nF i un condensador amb condensadors 1nF: ebay

* Un inversor de voltatge ICL7660: ebay ICL7660

* Un fotodiode BPW34: fotodiode ebay BPW34

* 6 resistències amb 100, 1k, 10k, 100k, 1M i 10M ohms: resistències ebay

* una pantalla I²C 16x2: pantalla ebay 16x2

* un interruptor rotatiu 2x6: interruptor rotatiu

* un suport de bateria de 9V i una bateria de 9V: suport de bateria

* un interruptor: interruptor

* Cubetes de vidre: cubetes ebay

* LEDs de diferents colors: f.e. LEDs ebay

* una senzilla font d'alimentació de 0-15 V per alimentar els LED

* fusta per al porta-cubetes

Pas 2: el circuit i el codi Arduino

El circuit del fotòmetre és molt senzill. Consisteix en un fotodiode, un amplificador operacional, un inversor de tensió i algunes altres parts (resistències, commutadors, condensadors). El principi d’aquest tipus de circuits és convertir el corrent (baix) del fotodiode en un voltatge més alt, que pot llegir el nano arduino. El factor de multiplicació està determinat pel valor de la resistència en la retroalimentació de l'OPA. Per ser més flexible, he pres 6 resistències diferents, que es poden triar amb l’interruptor rotatiu. El "augment" més baix és de 100, el màxim de 10.000.000. Tot funciona amb una sola bateria de 9V.

Pas 3: primer experiment: la corba d'absorció de la clorofil·la

Per al procediment de mesura: una cubeta s’omple d’aigua o d’un altre dissolvent transparent. Després es col·loca al fotòmetre. Es cobreix la cubeta amb una tapa hermètica. Ara configureu la font d'alimentació del LED de manera que flueixi un corrent d'uns 10-20 mA pel LED. Després, utilitzeu el commutador rotatiu per seleccionar la posició en què la tensió de sortida del fotodiode és al voltant de 3-4V. La posada a punt del voltatge de sortida encara es pot fer amb la font d'alimentació ajustable. Es nota aquest voltatge U0. A continuació, agafeu la cubeta que conté el líquid a examinar i col·loqueu-la al fotòmetre. En aquest moment, la tensió de la font d'alimentació i la posició del commutador rotatiu han de romandre inalterades. Després torneu a tapar la cubeta amb la tapa i mesureu la tensió U. Per a la transmissió T en percentatge el valor és T = U / U0 * 100. Per obtenir el coeficient d’absorció A només heu de calcular A = 100 - T.

Vaig comprar els diferents colors LED de Roithner Lasertechnik, que es troba a Àustria, el meu país d'origen. Per a això, la longitud d'ona respectiva es dóna en nanòmetres. Per estar segur que es pot comprovar la longitud d’ona dominant amb un espectroscopi i el programari Theremino (espectròmetre Theremino). En el meu cas, les dades en nm van coincidir amb les mesures força bones. Quan seleccioneu els LEDs, hauríeu d’obtenir una cobertura uniforme del rang de longitud d’ona de 395 nm a 850 nm.

Per al primer experiment amb el fotòmetre vaig triar la clorofil·la. Però, per a això, haureu d’arrencar herba d’un prat amb l’esperança que ningú us observi …

A continuació, aquesta herba es talla a trossets i es posa junta amb propanol o etanol en una olla. Ara aixafeu les fulles amb un morter o una forquilla. Al cap d’uns minuts, la clorofil·la s’ha dissolt bé al propanol. Aquesta solució encara és massa forta. Cal diluir-lo amb propanol suficient. I per evitar suspensions, cal filtrar la solució. Vaig prendre un filtre de cafè comú.

El resultat hauria de ser com es mostra a la imatge. Una solució verd-groguenca molt translúcida. Després repetiu la mesura (U0, U) amb cada LED. Com es pot veure a partir de la corba d’absorció obtinguda, la teoria i la mesura coincideixen força bé. La clorofil·la a + b s’absorbeix molt fortament en l’interval espectral blau i vermell, mentre que la llum verd-groga i infraroja pot penetrar la solució gairebé sense obstacles. En el rang d’infrarojos, l’absorció és fins i tot propera a zero.

Pas 4: segon experiment: la dependència de l'extinció de la concentració de permanganat de potassi

Com a experiment més, s’ofereix la determinació de l’extinció en funció de la concentració del solut. Com a solut, faig servir permanganat de potassi. La intensitat de la llum després de penetrar en la solució segueix la llei de Lambert-Beer: es llegeix I = I0 * 10 ^ (- E). I0 és la intensitat sense solut, I la intensitat amb solut i E l’anomenada extinció. Aquesta extinció E depèn (linealment) del gruix x de la cubeta i de la concentració c del solut. Per tant, E = k * c * x amb k com a coeficient d’absorció molar. Per determinar l'extinció E només necessiteu I i I0, perquè E = lg (I0 / I). Quan la intensitat es redueix, per exemple, al 10%, l’extinció E = 1 (10 ^ -1). Amb un debilitament a només l’1%, E = 2 (10 ^ -2).

Si s’aplica E en funció de la concentració c, esperaríem obtenir una recta ascendent a través del punt zero.

Com podeu veure a la meva corba d’extinció, no és lineal. A concentracions més altes, s’aplana, concretament a partir de concentracions superiors a 0,25. Això significa que l'extinció és inferior al que s'esperava segons la llei Lambert-Beer. No obstant això, tenint en compte només concentracions més baixes, per exemple entre 0 i 0,25, resulta una relació lineal molt agradable entre la concentració c i l'extinció E. En aquest rang, la concentració desconeguda c es pot determinar a partir de l'extinció mesurada E. En el meu cas, la concentració només té unitats arbitràries, ja que no he determinat la quantitat inicial de permanganat de potassi dissolt (només han estat mil·ligrams, que no es va poder mesurar amb la meva escala de cuina, dissolt en 4 ml d’aigua per a l’inici solució).

Pas 5: Conclusions

Aquest fotòmetre és especialment adequat per a classes de física i química. El cost total és d’uns 60 euros = 70 USD. Els diferents LED de colors són la part més cara. A ebay o aliexpress segur que trobareu LEDs més econòmics, però normalment no sabeu quines longituds d’ona tenen els LED. Vist així, es recomana comprar a un minorista especialitzat.

En aquesta lliçó aprendràs alguna cosa sobre la relació entre el color dels líquids i el seu comportament d’absorció, sobre la important clorofil·la, la llei de Lambert-Beer, les exponencials, la transmissió i l’absorció, el càlcul dels percentatges i les longituds d’ona dels colors visibles. Crec que això és molt …

Així que divertiu-vos fent aquest projecte a la vostra lliçó i a Eureka.

Per últim, però no menys important, estaria molt content si em poguéssiu votar al concurs de ciències-aula. Gracies per aixo…

I si esteu interessats en més experiments de física, aquí teniu el meu canal de youtube:

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

més projectes de física: