مقياس ضوئي LED DIY مع Arduino لدروس الفيزياء أو الكيمياء: 5 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

أهلا!

تظهر السوائل أو الأشياء الأخرى ملونة لأنها تعكس أو تنقل ألوانًا معينة وبالتالي تبتلع (تمتص) الألوان الأخرى. باستخدام ما يسمى بمقياس الضوء ، يمكن تحديد تلك الألوان (الأطوال الموجية) التي تمتصها السوائل. المبدأ الأساسي بسيط: باستخدام مصباح LED بلون معين ، فإنك تتألق أولاً من خلال كفيت مملوء بالماء أو مذيب آخر. يقيس الثنائي الضوئي شدة الضوء الوارد ويحولها إلى جهد متناسب U0. لوحظت هذه القيمة. بعد ذلك ، يتم وضع الكوفيت مع السائل المراد فحصه في مسار الشعاع ويقيس مرة أخرى شدة الضوء أو الجهد U ثم يتم حساب عامل النقل بالنسبة المئوية ببساطة عن طريق T = U / U0 * 100. للحصول على عامل الامتصاص A عليك فقط حساب A = 100 ناقص T.

يتكرر هذا القياس مع مصابيح LED ذات ألوان مختلفة ويحدد في كل حالة T أو A كدالة لطول الموجة (اللون). إذا قمت بذلك باستخدام عدد كافٍ من مصابيح LED ، فستحصل على منحنى امتصاص.

الخطوة 1: الأجزاء

بالنسبة لمقياس الضوء ، تحتاج إلى الأجزاء التالية:

* علبة سوداء بأبعاد 160 × 100 × 70 مم أو ما شابه: الغلاف

* نانو اردوينو: ايباي اردوينو نانو

* مضخم تشغيلي LF356: ebay LF356

* 3 مكثفات بسعة 10μF: مكثفات ebay

* 2 مكثفات مع C = 100nF ومكثف مع 1nF: مكثفات ebay

* محول جهد واحد ICL7660: ebay ICL7660

* ثنائي ضوئي واحد BPW34: الثنائي الضوئي ebay BPW34

* 6 مقاومات 100 ، 1 كيلو ، 10 كيلو ، 100 كيلو ، 1 متر و 10 ميجا أوم: مقاومات إيباي

* شاشة I²C 16x2: شاشة ebay 16x2

* مفتاح دوار 2x6: مفتاح دوار

* حامل بطارية 9 فولت وبطارية 9 فولت: حامل بطارية

* مفتاح: مفتاح

* كوفيتات الزجاج: ايباي كوفيتيس

* المصابيح بألوان مختلفة: f.e. المصابيح إيباي

* مصدر طاقة بسيط 0-15 فولت لتشغيل المصابيح

* خشب لحامل الكوفيت

الخطوة 2: الدائرة وكود Arduino

دائرة مقياس الضوء بسيطة للغاية. وهو يتألف من ثنائي ضوئي ومضخم تشغيلي وعاكس للجهد وبعض الأجزاء الأخرى (مقاومات ومفاتيح ومكثفات). مبدأ هذا النوع من الدوائر هو تحويل التيار (المنخفض) من الثنائي الضوئي إلى جهد أعلى يمكن قراءته بواسطة اردوينو نانو. يتم تحديد عامل الضرب بقيمة المقاوم في ملاحظات OPA. لكي تكون أكثر مرونة ، أخذت 6 مقاومات مختلفة ، والتي يمكن اختيارها باستخدام المفتاح الدوار. أقل "تكبير" هو 100 ، وأعلى 10000000. كل شيء يتم تشغيله بواسطة بطارية واحدة 9V.

الخطوة الثالثة: التجربة الأولى: منحنى امتصاص الكلوروفيل

لإجراء القياس: يتم تعبئة الكوفيت بالماء أو بمذيب آخر شفاف. ثم يتم وضعها في مقياس الضوء. يتم تغطية الكوفيت بغطاء محكم الغلق. الآن قم بتعيين مصدر الطاقة لمصباح LED بحيث يتدفق تيار من حوالي 10-20 مللي أمبير عبر مؤشر LED. بعد ذلك ، استخدم المفتاح الدوار لتحديد الموضع الذي يكون فيه جهد خرج الثنائي الضوئي حوالي 3-4 فولت. لا يزال من الممكن إجراء الضبط الدقيق لجهد الخرج باستخدام مصدر الطاقة القابل للتعديل. لوحظ هذا الجهد U0. ثم خذ الكوفيت الذي يحتوي على السائل لفحصه وضعه في مقياس الضوء. في هذه المرحلة ، يجب أن يظل جهد مصدر الطاقة وموضع المفتاح الدوار دون تغيير! ثم قم بتغطية الكوفيت مرة أخرى بالغطاء وقياس الجهد U. بالنسبة للإرسال T بالنسبة المئوية ، تكون القيمة T = U / U0 * 100. للحصول على معامل الامتصاص A ، عليك فقط حساب A = 100 - T.

لقد اشتريت مصابيح LED ملونة مختلفة من Roithner Lasertechnik التي تقع في النمسا ، موطني. بالنسبة لهذه ، يتم إعطاء الطول الموجي الخاص بها بالنانومتر. للتأكد حقًا من إمكانية التحقق من الطول الموجي السائد باستخدام مطياف وبرنامج Theremino (مطياف ثيرمينو). في حالتي ، اتفقت البيانات في نانومتر مع القياسات جيدة جدًا. عند اختيار مصابيح LED ، يجب أن تحقق تغطية متساوية لطول الموجة من 395 نانومتر إلى 850 نانومتر.

للتجربة الأولى مع مقياس الضوء اخترت الكلوروفيل. لكن لهذا عليك أن تقطف العشب من مرج على أمل ألا يراقبك أحد …

ثم يتم تقطيع هذا العشب إلى قطع صغيرة ووضعه مع البروبانول أو الإيثانول في وعاء. الآن تقوم بسحق الأوراق بمدافع الهاون أو الشوكة. بعد بضع دقائق ، يذوب الكلوروفيل بشكل جيد في البروبانول. هذا الحل لا يزال قويا جدا. يجب تخفيفه بما يكفي من البروبانول. ولتجنب أي تعليق ، يجب تصفية المحلول. أخذت مرشح قهوة مشترك.

يجب أن تبدو النتيجة كما هو موضح في الصورة. محلول أخضر مائل إلى الصفرة شفاف للغاية. ثم تكرر القياس (U0 ، U) مع كل مؤشر LED. كما يتضح من منحنى الامتصاص الذي تم الحصول عليه ، تتفق النظرية والقياس بشكل جيد. يمتص الكلوروفيل أ + ب بقوة شديدة في النطاق الطيفي الأزرق والأحمر ، في حين أن الضوء الأخضر والأصفر والأشعة تحت الحمراء يمكن أن يخترق المحلول دون عوائق تقريبًا. في نطاق الأشعة تحت الحمراء ، يكون الامتصاص قريبًا من الصفر.

الخطوة الرابعة: التجربة الثانية: اعتماد الانقراض على تركيز برمنجنات البوتاسيوم

كتجربة أخرى ، يتم تحديد الانقراض اعتمادًا على تركيز عروض الذائبة. كمذاب ، أستخدم برمنجنات البوتاسيوم. شدة الضوء بعد اختراق المحلول تتبع قانون لامبرت بير: يقرأ I = I0 * 10 ^ (- E). I0 هي الكثافة بدون المذاب ، والشدة مع المذاب و E ما يسمى الانقراض. يعتمد هذا الانقراض E (خطيًا) على سمك x للحاوية وعلى تركيز c للمذاب. وهكذا ، E = k * c * x مع k كمعامل امتصاص مولاري. لتحديد الانقراض E ، تحتاج فقط إلى I و I0 ، لأن E = lg (I0 / I). عندما يتم تقليل الشدة إلى ، على سبيل المثال ، 10٪ ، فإن الانقراض E = 1 (10 ^ -1). مع ضعف إلى 1٪ فقط ، E = 2 (10 ^ -2).

إذا طبقنا E كدالة للتركيز c ، فإننا نتوقع الحصول على خط مستقيم صاعد عبر نقطة الصفر.

كما ترون من منحنى الانقراض ، فهو ليس خطيًا. في التركيزات الأعلى ، يتم تسطيحها ، خاصةً من التركيزات التي تزيد عن 0.25. هذا يعني أن الانقراض أقل مما هو متوقع وفقًا لقانون لامبرت بير. ومع ذلك ، بالنظر إلى التركيزات المنخفضة فقط ، على سبيل المثال بين 0 و 0.25 ، ينتج عنه علاقة خطية لطيفة جدًا بين التركيز c والانقراض E. في هذا النطاق ، يمكن تحديد التركيز غير المعروف c من الانقراض المقاس E. في حالتي ، يحتوي التركيز على وحدات عشوائية فقط ، لأنني لم أحدد الكمية الأولية من برمنجنات البوتاسيوم المذاب (لقد كانت مليجرامات فقط ، والتي لا يمكن قياسها بمقياس مطبخي في حالتي ، مذابة في 4 مل ماء للبدء المحلول).

الخطوة 5: الاستنتاجات

يعتبر مقياس الضوء هذا مناسبًا بشكل خاص لدروس الفيزياء والكيمياء ، حيث تبلغ التكلفة الإجمالية حوالي 60 يورو = 70 دولارًا أمريكيًا. المصابيح الملونة المختلفة هي أغلى جزء. على موقع ebay أو aliexpress ، ستجد بالتأكيد مصابيح LED أرخص ولكن عادةً لا تعرف الأطوال الموجية للمصابيح. من هذا المنطلق ، يوصى بالشراء من بائع تجزئة متخصص.

ستتعلم في هذا الدرس شيئًا عن العلاقة بين لون السوائل وسلوكها الامتصاصي ، وعن الكلوروفيل المهم ، وقانون لامبرت-بير ، والأسي ، والانتقال والامتصاص ، وحساب النسب المئوية وأطوال موجات الألوان المرئية. أعتقد أن هذا كثير جدًا …

لذا استمتع أيضًا بعمل هذا المشروع في درسك و Eureka!

أخيرًا وليس آخرًا ، سأكون سعيدًا جدًا إذا كان بإمكانك التصويت لي في مسابقة الفصل العلمي. شكرا على ذلك…

وإذا كنت مهتمًا بمزيد من تجارب الفيزياء ، فإليك قناتي على youtube:

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

المزيد من مشاريع الفيزياء: