Fotómetro LED de bricolaje con Arduino para lecciones de física o química: 5 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

¡Hola!

Los líquidos u otros objetos aparecen coloreados porque reflejan o transmiten ciertos colores y, a su vez, tragan (absorben) otros. Con un llamado fotómetro se pueden determinar los colores (longitudes de onda) que son absorbidos por los líquidos. El principio básico es simple: con un LED de cierto color, primero se ilumina a través de una cubeta llena de agua u otro solvente. Un fotodiodo mide la intensidad de la luz entrante y la convierte en un voltaje proporcional U0. Se anota este valor. A continuación, se coloca una cubeta con el líquido a examinar en la trayectoria del haz y se mide nuevamente la intensidad de la luz o el voltaje U. El factor de transmisión en porcentaje se calcula simplemente mediante T = U / U0 * 100. Para obtener el factor de absorción A solo tienes que calcular A = 100 menos T.

Esta medida se repite con LEDs de diferentes colores y determina en cada caso T o A en función de la longitud de onda (color). Si hace esto con suficientes LED, obtendrá una curva de absorción.

Paso 1: las piezas

Para el fotómetro necesita las siguientes piezas:

* Una caja negra con las dimensiones 160 x 100 x 70 mm o similar: carcasa

* Un Arduino Nano: ebay arduino nano

* Un amplificador operacional LF356: ebay LF356

* 3 condensadores con una capacidad de 10μF: condensadores de ebay

* 2 condensadores con C = 100nF y un condensador con 1nF: condensadores de ebay

* Un inversor de voltaje ICL7660: ebay ICL7660

* Un fotodiodo BPW34: fotodiodo ebay BPW34

* 6 resistencias con 100, 1k, 10k, 100k, 1M y 10M ohmios: resistencias de ebay

* una pantalla I²C 16x2: pantalla ebay 16x2

* un interruptor giratorio de 2x6: interruptor giratorio

* un portapilas de 9V y una batería de 9V: portapilas

* un interruptor: interruptor

* Cubetas de vidrio: cubetas ebay

* LED de diferente color: p. Ej. LED de eBay

* una fuente de alimentación simple de 0-15 V para alimentar los LED

* madera para portacubetas

Paso 2: el circuito y el código Arduino

El circuito del fotómetro es muy simple. Consiste en un fotodiodo, un amplificador operacional, un inversor de voltaje y algunas otras partes (resistencias, interruptores, condensadores). El principio de este tipo de circuito es convertir la corriente (baja) del fotodiodo en un voltaje más alto, que puede ser leído por el arduino nano. El factor de multiplicación está determinado por el valor de la resistencia en la retroalimentación del OPA. Para ser más flexible, tomé 6 resistencias diferentes, que se pueden elegir con el interruptor giratorio. El "aumento" más bajo es 100, el más alto 10 000 000. Todo funciona con una sola batería de 9V.

Paso 3: primer experimento: la curva de absorción de clorofila

Para el procedimiento de medición: Se llena una cubeta con agua u otro disolvente transparente. Luego se coloca en el fotómetro. La cubeta se cubre con una tapa hermética a la luz. Ahora configure la fuente de alimentación para el LED de modo que fluya una corriente de aproximadamente 10-20 mA a través del LED. Después de eso, use el interruptor giratorio para seleccionar la posición en la que el voltaje de salida del fotodiodo es de alrededor de 3-4V. El ajuste fino de la tensión de salida aún se puede realizar con la fuente de alimentación ajustable. Se anota este voltaje U0. Luego tome la cubeta que contiene el líquido a examinar y colóquela en el fotómetro. En este punto, el voltaje de la fuente de alimentación y la posición del interruptor giratorio deben permanecer sin cambios. Luego cubra nuevamente la cubeta con la tapa y mida el voltaje U. Para la transmisión T en porcentaje el valor es T = U / U0 * 100. Para obtener el coeficiente de absorción A solo tiene que calcular A = 100 - T.

Compré los LED de diferentes colores de Roithner Lasertechnik, que se encuentra en Austria, mi país de origen. Para estos, la longitud de onda respectiva se da en nanómetros. Para estar realmente seguro, uno puede verificar la longitud de onda dominante con un espectroscopio y el software Theremino (espectrómetro theremino). En mi caso, los datos en nm coincidieron bastante bien con las mediciones. Al seleccionar los LED, debe lograr una cobertura uniforme del rango de longitud de onda de 395 nm a 850 nm.

Para el primer experimento con el fotómetro elegí clorofila. Pero para ello tendrás que arrancar hierba de un prado con la esperanza de que nadie te esté mirando …

Esta hierba luego se corta en trozos pequeños y se junta con propanol o etanol en una olla. Ahora tritura las hojas con un mortero o un tenedor. Después de unos minutos, la clorofila se ha disuelto bien en el propanol. Esta solución todavía es demasiado fuerte. Debe diluirse con suficiente propanol. Y para evitar cualquier suspensión, la solución debe filtrarse. Tomé un filtro de café común.

El resultado debería verse como se muestra en la imagen. Solución muy translúcida de color verde amarillento. Luego repite la medición (U0, U) con cada LED. Como puede verse en la curva de absorción obtenida, la teoría y la medición concuerdan bastante bien. La clorofila a + b se absorbe muy fuertemente en el rango espectral azul y rojo, mientras que la luz verde-amarilla y la infrarroja pueden penetrar la solución casi sin obstáculos. En el rango de infrarrojos, la absorción es incluso cercana a cero.

Paso 4: Segundo experimento: la dependencia de la extinción de la concentración de permanganato de potasio

Como experimento adicional, se ofrece la determinación de la extinción en función de la concentración del soluto. Como soluto, utilizo permanganato de potasio. La intensidad de la luz después de penetrar la solución sigue la ley de Lambert-Beer: dice I = I0 * 10 ^ (- E). I0 es la intensidad sin soluto, I la intensidad con soluto y E la llamada extinción. Esta extinción E depende (linealmente) del espesor x de la cubeta y de la concentración c del soluto. Por tanto, E = k * c * x con k como coeficiente de absorción molar. Para determinar la extinción E solo necesitas I e I0, porque E = lg (I0 / I). Cuando la intensidad se reduce, por ejemplo, al 10%, la extinción E = 1 (10 ^ -1). Con un debilitamiento a solo el 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Si se aplica E en función de la concentración c, esperaríamos obtener una línea recta ascendente a través del punto cero.

Como puede ver en mi curva de extinción, no es lineal. A concentraciones más altas, se aplana, específicamente a partir de concentraciones superiores a 0,25. Esto significa que la extinción es menor de lo esperado según la ley de Lambert-Beer. Sin embargo, considerando solo concentraciones más bajas, por ejemplo entre 0 y 0.25, da como resultado una relación lineal muy agradable entre la concentración cy la extinción E. En este rango, la concentración desconocida c se puede determinar a partir de la extinción medida E. En mi caso, la concentración tiene solo unidades arbitrarias, ya que no he determinado la cantidad inicial de permanganato de potasio disuelto (han sido solo miligramos, que no se pudieron medir con mi balanza de cocina en mi caso, disueltos en 4 ml de agua para el inicio solución).

Paso 5: Conclusiones

Este fotómetro es especialmente adecuado para lecciones de física y química. El costo total es de solo alrededor de 60 euros = 70 dólares. Los LED de diferentes colores son la parte más cara. En ebay o aliexpress seguramente encontrará LED más baratos, pero generalmente no sabe qué longitudes de onda tienen los LED. Visto de esta manera, se recomienda comprar en un minorista especializado.

En esta lección aprenderá algo sobre la relación entre el color de los líquidos y su comportamiento de absorción, sobre la importante Clorofila, la ley de Lambert-Beer, exponenciales, transmisión y absorción, cálculo de porcentajes y longitudes de onda de los colores visibles. Creo que esto es bastante …

¡Así que diviértete también haciendo este proyecto en tu lección y en Eureka!

Por último, pero no menos importante, me alegraría mucho que me votaran en el concurso de ciencias en el aula. Gracias por eso…

Y si está interesado en más experimentos de física, aquí está mi canal de youtube:

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

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