Fotometer LED DIY Dengan Arduino untuk Pelajaran Fisika atau Kimia: 5 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Halo!

Cairan atau benda lain tampak berwarna karena memantulkan atau memancarkan warna tertentu dan pada gilirannya menelan (menyerap) warna lain. Dengan apa yang disebut fotometer, warna-warna tersebut (panjang gelombang) dapat ditentukan, yang diserap oleh cairan. Prinsip dasarnya sederhana: dengan LED warna tertentu, pertama-tama Anda menyinari kuvet yang diisi dengan air atau pelarut lain. Sebuah fotodioda mengukur intensitas cahaya yang masuk dan mengubahnya menjadi tegangan proporsional U0. Nilai ini dicatat. Setelah itu, kuvet berisi cairan yang akan diperiksa ditempatkan di jalur berkas dan diukur kembali intensitas cahaya atau tegangan U. Faktor transmisi dalam persen kemudian cukup dihitung dengan T = U / U0 * 100. Untuk mendapatkan faktor penyerapan A Anda hanya perlu menghitung A = 100 dikurangi T.

Pengukuran ini diulang dengan LED berwarna berbeda dan menentukan dalam setiap kasus T atau A sebagai fungsi dari panjang gelombang (warna). Jika Anda melakukan ini dengan cukup LED, Anda mendapatkan kurva penyerapan.

Langkah 1: Bagian

Untuk fotometer Anda memerlukan bagian-bagian berikut:

* Casing hitam dengan dimensi 160 x 100 x 70 mm atau serupa: housing

* Arduino Nano: ebay arduino nano

* Penguat operasional LF356: ebay LF356

* 3 kapasitor dengan kapasitas 10μF: kapasitor ebay

* 2 kapasitor dengan C = 100nF dan kapasitor dengan 1nF: kapasitor ebay

* Satu tegangan inverter ICL7660: ebay ICL7660

* Satu fotodioda BPW34: fotodioda BPW34 ebay

* 6 resistor dengan 100, 1k, 10k, 100k, 1M dan 10M ohm: resistor ebay

* layar I²C 16x2: layar ebay 16x2

* sakelar putar 2x6: sakelar putar

* dudukan baterai 9V dan baterai 9V: dudukan baterai

* sakelar: sakelar

* Kuvet kaca: kuvet ebay

* LED dengan warna berbeda: f.e. LED ebay

* catu daya 0-15V sederhana untuk menyalakan LED

* kayu untuk tempat kuvet

Langkah 2: Sirkuit dan kode Arduino

Rangkaian untuk fotometer sangat sederhana. Ini terdiri dari fotodioda, penguat operasional, inverter tegangan dan beberapa bagian lain (resistor, sakelar, kapasitor). Prinsip dari rangkaian jenis ini adalah mengubah arus (rendah) dari fotodioda menjadi tegangan yang lebih tinggi, yang dapat dibaca oleh arduino nano. Faktor perkalian ditentukan oleh nilai resistor dalam umpan balik OPA. Agar lebih fleksibel saya mengambil 6 resistor berbeda, yang dapat dipilih dengan sakelar putar. "Pembesaran" terendah adalah 100, tertinggi 10 000 000. Semuanya ditenagai oleh baterai 9V tunggal.

Langkah 3: Percobaan Pertama: Kurva Penyerapan Klorofil

Untuk prosedur pengukuran: Kuvet diisi dengan air atau pelarut transparan lainnya. Ini kemudian ditempatkan di fotometer. Kuvet ditutup dengan penutup yang kedap cahaya. Sekarang atur catu daya untuk LED sehingga arus sekitar 10-20mA mengalir melalui LED. Setelah itu, gunakan sakelar putar untuk memilih posisi di mana tegangan keluaran fotodioda sekitar 3-4V. Penyetelan halus tegangan keluaran masih dapat dilakukan dengan catu daya yang dapat disesuaikan. Tegangan U0 ini dicatat. Kemudian ambil kuvet berisi cairan yang akan diperiksa dan letakkan di fotometer. Pada titik ini tegangan catu daya dan posisi sakelar putar harus tetap tidak berubah! Kemudian tutup kembali kuvet dengan tutupnya dan ukur tegangan U. Untuk transmisi T dalam persen nilainya adalah T = U / U0 * 100. Untuk mendapatkan koefisien absorpsi A cukup dengan menghitung A = 100 - T.

Saya membeli LED berwarna berbeda dari Roithner Lasertechnik yang berlokasi di austria, negara asal saya. Untuk ini, panjang gelombang masing-masing diberikan dalam nanometer. Untuk benar-benar yakin seseorang dapat memeriksa panjang gelombang dominan dengan spektroskop dan perangkat lunak Theremino (spektrometer theremino). Dalam kasus saya, data dalam nm setuju dengan pengukuran yang cukup baik. Saat memilih LED, Anda harus mencapai cakupan rentang panjang gelombang yang merata dari 395nm hingga 850nm.

Untuk percobaan pertama dengan fotometer saya memilih klorofil. Tetapi untuk ini Anda harus memetik rumput dari padang rumput dengan harapan tidak ada yang mengawasi Anda …

Rumput ini kemudian dipotong kecil-kecil dan disatukan dengan propanol atau etanol dalam pot. Sekarang Anda menghancurkan daun dengan lesung atau garpu. Setelah beberapa menit, klorofil telah larut dengan baik dalam propanol. Solusi ini masih terlalu kuat. Itu perlu diencerkan dengan propanol yang cukup. Dan untuk menghindari penangguhan larutan harus disaring. Saya mengambil penyaring kopi biasa.

Hasilnya akan terlihat seperti yang ditunjukkan pada gambar. Solusi hijau-kekuningan yang sangat transparan. Kemudian Anda ulangi pengukuran (U0, U) dengan masing-masing LED. Terlihat dari kurva absorpsi yang diperoleh, teori dan pengukuran cukup sesuai. Klorofil a + b menyerap sangat kuat dalam rentang spektral biru dan merah, sedangkan cahaya hijau-kuning dan inframerah dapat menembus larutan hampir tanpa hambatan. Dalam rentang inframerah, penyerapannya bahkan mendekati nol.

Langkah 4: Percobaan Kedua: Ketergantungan Kepunahan pada Konsentrasi Kalium Permanganat

Sebagai percobaan selanjutnya, penentuan kepunahan tergantung pada konsentrasi zat terlarut yang ditawarkan. Sebagai zat terlarut, saya menggunakan kalium permanganat. Intensitas cahaya setelah menembus larutan mengikuti hukum Lambert-Beer: Dibaca I = I0 * 10 ^ (- E). I0 adalah intensitas tanpa zat terlarut, I intensitas dengan zat terlarut dan E disebut pemadaman. Kepunahan E ini tergantung (linier) pada ketebalan x kuvet dan konsentrasi c zat terlarut. Jadi, E = k * c * x dengan k sebagai koefisien penyerapan molar. Untuk menentukan kepunahan E Anda hanya perlu I dan I0, karena E = lg (I0/I). Ketika intensitas dikurangi menjadi, misalnya, 10%, kepunahan E = 1 (10 ^ -1). Dengan melemahnya hanya 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Jika seseorang menerapkan E sebagai fungsi dari konsentrasi c, kita akan mengharapkan untuk memperoleh garis lurus naik melalui titik nol.

Seperti yang Anda lihat dari kurva kepunahan saya, itu tidak linier. Pada konsentrasi yang lebih tinggi, itu mendatar, khususnya dari konsentrasi yang lebih besar dari 0,25. Ini berarti bahwa kepunahan lebih rendah dari yang diharapkan menurut hukum Lambert-Beer. Namun, mengingat hanya konsentrasi yang lebih rendah, misalnya antara 0 dan 0,25, menghasilkan hubungan linier yang sangat bagus antara konsentrasi c dan kepunahan E. Dalam kisaran ini, konsentrasi c yang tidak diketahui dapat ditentukan dari kepunahan terukur E. Dalam kasus saya, konsentrasi hanya memiliki satuan sewenang-wenang, karena saya belum menentukan jumlah awal kalium permanganat terlarut (hanya miligram, yang tidak dapat diukur dengan skala dapur saya dalam kasus saya, dilarutkan dalam 4 ml air untuk permulaan larutan).

Langkah 5: Kesimpulan

Fotometer ini sangat cocok untuk pelajaran fisika dan kimia. Biaya totalnya hanya sekitar 60 Euro = 70 USD. LED berwarna yang berbeda adalah bagian yang paling mahal. Di ebay atau aliexpress Anda pasti akan menemukan LED yang lebih murah tetapi biasanya Anda tidak tahu panjang gelombang mana yang dimiliki LED. Dilihat dengan cara ini, pembelian dari pengecer spesialis dianjurkan.

Dalam pelajaran ini Anda mempelajari sesuatu tentang hubungan antara warna cairan dan perilaku penyerapannya, tentang Klorofil yang penting, hukum Lambert-Beer, eksponensial, transmisi dan penyerapan, perhitungan persen dan panjang gelombang dari warna yang terlihat. Saya rasa ini cukup banyak…

Jadi bersenang-senang juga membuat proyek ini dalam pelajaran Anda dan Eureka!

Last but not least, saya akan sangat senang jika Anda dapat memilih saya di kontes kelas-sains. Terima kasih untuk itu…

Dan jika Anda tertarik dengan eksperimen fisika lebih lanjut, inilah saluran youtube saya:

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

lebih banyak proyek fisika: