DIY LED-լուսաչափ Arduino- ի հետ ֆիզիկայի կամ քիմիայի դասերի համար. 5 քայլ (նկարներով)

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:48

Բարեւ Ձեզ!

Հեղուկները կամ այլ առարկաները գունավոր են թվում, քանի որ դրանք արտացոլում կամ փոխանցում են որոշակի գույներ, իսկ իրենց հերթին կուլ են տալիս (կլանում) մյուսները: Այսպես կոչված ֆոտոմետրով կարելի է որոշել այդ գույները (ալիքի երկարությունները), որոնք ներծծվում են հեղուկների կողմից: Հիմնական սկզբունքը պարզ է. Որոշակի գույնի LED- ով առաջինը փայլում ես ջրով կամ այլ լուծիչով լցված կուվետի միջով: Ֆոտոդիոդը չափում է մուտքի լույսի ինտենսիվությունը և այն փոխակերպում U0 համաչափ լարման: Այս արժեքը նշվում է: Հետո, հետազոտվող հեղուկով կուվետը տեղադրվում է ճառագայթների ուղու վրա և կրկին չափում է լույսի ուժգնությունը կամ լարումը U. Փոխանցման գործակիցը տոկոսներով այնուհետև պարզապես հաշվարկվում է T = U / U0 * 100-ով: A պարզապես պետք է հաշվարկել A = 100 հանած T- ն:

Այս չափումը կրկնվում է տարբեր գույնի LED- ներով և յուրաքանչյուր դեպքում որոշում է T կամ A- ն ՝ որպես ալիքի երկարության (գույնի) ֆունկցիա: Եթե դա անում եք բավականաչափ լուսադիոդներով, ապա ստանում եք ներծծման կոր:

Քայլ 1: Մասեր

Լուսաչափի համար ձեզ հարկավոր են հետևյալ մասերը.

* Սև պատյան ՝ 160 x 100 x 70 մմ չափսերով կամ համանման ՝ պատյան

* An Arduino Nano: ebay arduino nano

* Գործող ուժեղացուցիչ LF356. Ebay LF356

* 3μF հզորությամբ 3 կոնդենսատոր ՝ ebay կոնդենսատորներ

* 2 կոնդենսատոր C = 100nF- ով և 1nF- ով ՝ ebay կոնդենսատորներով

* Մեկ լարման ինվերտոր ICL7660. Ebay ICL7660

* Մեկ ֆոտոդիոդ BPW34. Ebay BPW34 ֆոտոդիոդ

* 6 դիմադրություն `100, 1k, 10k, 100k, 1M և 10M ohms: ebay ռեզիստորներ

* I²C 16x2 էկրան. ebay 16x2 էկրան

* 2x6 պտտվող անջատիչ. պտտվող անջատիչ

* 9 Վ մարտկոցի և 9 Վ մարտկոցի մարտկոց ՝ մարտկոցի կրիչ

* անջատիչ. անջատիչ

* Ապակե կվետետներ. Ebay cuvettes

* Տարբեր գույնի LED- ներ. F.e. ebay LED- ներ

* LED- ները սնուցելու համար 0-15V պարզ սնուցման աղբյուր

* փայտ կուվետի համար

Քայլ 2. Շղթան և Arduino- կոդը

Ֆոտոմետրերի միացումը շատ պարզ է: Այն բաղկացած է ֆոտոդիոդից, գործառնական ուժեղացուցիչից, լարման ինվերտորից և որոշ այլ մասերից (ռեզիստորներ, անջատիչներ, կոնդենսատորներ): Այս տեսակի միացման սկզբունքն է (ցածր) հոսանքը ֆոտոդիոդից վերածել ավելի բարձր լարման, որը կարող է կարդալ arduino nano- ով: Բազմապատկման գործոնը որոշվում է OPA- ի հետադարձ կապի դիմադրության արժեքով: Ավելի ճկուն լինելու համար ես վերցրեցի 6 տարբեր ռեզիստորներ, որոնք կարող են ընտրվել պտտվող անջատիչով: Ամենացածր «խոշորացումը» 100 -ն է, ամենաբարձրը ՝ 10 000 000 -ը: Ամեն ինչ սնուցվում է մեկ 9V մարտկոցից:

Քայլ 3. Առաջին փորձ. Քլորոֆիլի կլանման կորը

Չափման ընթացակարգի համար. Կուվետը լցված է ջրով կամ այլ թափանցիկ լուծիչով: Այնուհետև այն տեղադրվում է ֆոտոմետրում: Կուվետը ծածկված է թեթև ամուր կափարիչով: Այժմ սահմանեք LED- ի էներգիայի մատակարարումը այնպես, որ LED- ի միջով հոսում է մոտ 10-20mA հոսանք: Դրանից հետո, օգտագործելով պտտվող անջատիչը, ընտրեք այն դիրքը, որի դեպքում ֆոտոդիոդի ելքային լարումը մոտ 3-4 Վ է: Ելքային լարման նուրբ կարգավորումը դեռ կարող է կատարվել կարգավորվող էներգիայի մատակարարման միջոցով: Այս U0 լարումը նշվում է: Հետո վերցրեք հետազոտվող հեղուկը պարունակող կուվետը և տեղադրեք այն լուսաչափի մեջ: Այս պահին էլեկտրասնուցման լարումը և պտտվող անջատիչի դիրքը պետք է մնան անփոփոխ: Այնուհետև կրկին ծածկեք կիևետը կափարիչով և չափեք U. լարումը: Տ -ի փոխանցման համար տոկոսը արժեքը T = U / U0 * 100 է: A- ի կլանման գործակիցը ստանալու համար պարզապես պետք է հաշվարկել A = 100 - T:

Ես գնել եմ տարբեր գույնի LED- ներ Roithner Lasertechnik- ից, որը գտնվում է Ավստրիայում, իմ հայրենի երկրում: Սրանց համար համապատասխան ալիքի երկարությունը տրվում է նանոմետրերով: Իսկապես վստահ լինելու համար կարելի է ստուգել գերիշխող ալիքի երկարությունը սպեկտրոսկոպով և Theremino ծրագրակազմով (տերմինո սպեկտրոմետր): Իմ դեպքում, nm- ի տվյալները չափումների հետ համաձայն էին բավականին լավ: LED- ները ընտրելիս պետք է հասնել ալիքի երկարության հավասարաչափ ծածկույթի ՝ 395 նմ -ից մինչև 850 նմ:

Ֆոտոմետրով առաջին փորձի համար ես ընտրեցի քլորոֆիլ: Բայց դրա համար դուք պետք է մարգագետինից խոտ պոկեք ՝ հույս ունենալով, որ ձեզ ոչ ոք չի հետևում…

Այս խոտը այնուհետ կտրվում է փոքր կտորների և պրոպանոլի կամ էթանոլի հետ միասին դրվում կաթսայի մեջ: Այժմ տերևները մանրացնում եք հավանգով կամ պատառաքաղով: Մի քանի րոպե անց քլորոֆիլը լավ լուծվել է պրոպանոլի մեջ: Այս լուծումը դեռ չափազանց ամուր է: Այն պետք է նոսրացվի բավարար պրոպանոլով: Եվ ցանկացած կասեցումից խուսափելու համար լուծումը պետք է զտվի: Ես վերցրեցի սովորական սուրճի ֆիլտր:

Արդյունքը պետք է լինի այնպես, ինչպես պատկերված է նկարում: Շատ կիսաթափանցիկ կանաչ-դեղնավուն լուծույթ: Այնուհետեւ կրկնում եք չափումը (U0, U) յուրաքանչյուր LED- ով: Ինչպես երևում է ստացված կլանման կորից, տեսությունն ու չափումը բավականին լավ համընկնում են: Քլորոֆիլ a + b- ն շատ ուժեղ է ներծծվում կապույտ և կարմիր սպեկտրալ տիրույթում, իսկ կանաչ-դեղին և ինֆրակարմիր լույսը կարող է գրեթե անարգել ներթափանցել լուծույթ: Ինֆրակարմիր տիրույթում կլանումը նույնիսկ մոտ է զրոյի:

Քայլ 4. Երկրորդ փորձ. Անհետացման կախվածությունը կալիումի պերմանգանատի կոնցենտրացիայից

Որպես հետագա փորձ, անհետացման որոշումը `կախված լուծված նյութի կոնցենտրացիայից: Որպես լուծված նյութ, ես օգտագործում եմ կալիումի պերմանգանատ: Լույսի ներթափանցումից հետո լույսի ուժգնությունը հետևում է Լամբերտ-Գարեջրի օրենքին. Այն կարդում է I = I0 * 10 ^ (- E): I0- ն ինտենսիվությունն է առանց լուծվող նյութի, ես ինտենսիվությունը լուծված նյութի հետ և E- ն այսպես կոչված անհետացումը: Այս մարում E- ն (գծային կերպով) կախված է կուվետի x հաստությունից և լուծված նյութի c կոնցենտրացիայից: Այսպիսով, E = k * c * x k- ով `որպես մոլային կլանման գործակից: E- ի անհետացումը որոշելու համար ձեզ հարկավոր են I և I0, քանի որ E = lg (I0 / I): Երբ ինտենսիվությունը նվազում է, օրինակ, 10%-ի, մարում E = 1 (10 ^ -1): Միայն 1%-ով թուլանալով ՝ E = 2 (10 ^ -2):

Եթե մեկը կիրառի E- ն որպես գ կենտրոնացման ֆունկցիա, մենք ակնկալում ենք, որ զրոյական կետի միջոցով կստանանք աճող ուղիղ գիծ:

Ինչպես տեսնում եք իմ անհետացման կորից, այն գծային չէ: Ավելի բարձր կոնցենտրացիաների դեպքում այն հարթվում է, մասնավորապես 0.25 -ից ավելի կոնցենտրացիաներից: Սա նշանակում է, որ անհետացումը ավելի ցածր է, քան սպասվում էր Լամբերտ-Գարեջրի օրենքի համաձայն: Այնուամենայնիվ, հաշվի առնելով միայն ավելի ցածր կոնցենտրացիաները, օրինակ `0 -ից 0.25 -ի սահմաններում, հանգեցնում է գ -ի և մարման E- ի միջև շատ լավ գծային փոխհարաբերությունների: Այս տիրույթում անհայտ գ -ի կոնցենտրացիան կարող է որոշվել չափված մարումից:, կոնցենտրացիան ունի միայն կամայական միավորներ, քանի որ ես չեմ որոշել լուծարված կալիումի պերմանգանատի սկզբնական քանակը (դա եղել է ընդամենը միլգրամ, որը իմ դեպքում չի կարող չափվել իմ խոհանոցի մասշտաբով ՝ սկզբում լուծված 4 մլ ջրում լուծում):

Քայլ 5: Եզրակացություններ

Այս լուսաչափը հատկապես հարմար է ֆիզիկայի և քիմիայի դասերին: Ընդհանուր արժեքը կազմում է ընդամենը 60 եվրո = 70 ԱՄՆ դոլար: Տարբեր գույնի LED- ները ամենաթանկ մասն են: Ebay- ում կամ aliexpress- ում դուք, անշուշտ, կգտնեք ավելի էժան լուսադիոդային լուսադիոդներ, բայց սովորաբար չգիտեք, թե LED- ների որ ալիքի երկարություններն ունեն: Այս տեսանկյունից խորհուրդ է տրվում գնումներ կատարել մասնագիտացված մանրածախ առևտրից:

Այս դասում դուք ինչ-որ բան եք սովորում հեղուկների գույնի և դրանց կլանման-վարքի միջև կապի, կարևոր քլորոֆիլի, Լամբերտ-Գարեջրի օրենքի, ցուցիչների, փոխանցման և կլանման, տոկոսների և տեսանելի գույների ալիքների երկարությունների միջև: Կարծում եմ, որ սա բավականին շատ է…

Այնպես որ, զվարճացեք նաև այս նախագիծը դարձնելով ձեր դասին և Eureka- ին:

Վերջին, բայց ամենակարևորը, ես շատ ուրախ կլինեի, եթե կարողանայիք քվեարկել իմ օգտին դասարան-գիտություն մրցույթում: Շնորհակալություն դրա համար…

Եվ եթե ձեզ հետաքրքրում են ֆիզիկայի հետագա փորձերը, ահա իմ youtube- ալիքը.

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

ֆիզիկայի ավելի շատ նախագծեր ՝