DIY LED-Photometer mit Arduino für den Physik- oder Chemieunterricht - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Hallo!

Flüssigkeiten oder andere Gegenstände erscheinen farbig, weil sie bestimmte Farben reflektieren oder durchlassen und wiederum andere verschlucken (absorbieren). Mit einem sogenannten Photometer können diejenigen Farben (Wellenlängen) bestimmt werden, die von Flüssigkeiten aufgenommen werden. Das Grundprinzip ist einfach: Mit einer LED einer bestimmten Farbe leuchten Sie zunächst durch eine mit Wasser oder einem anderen Lösungsmittel gefüllte Küvette. Eine Photodiode misst die einfallende Lichtintensität und wandelt sie in eine proportionale Spannung U0 um. Dieser Wert wird notiert. Danach wird eine Küvette mit der zu untersuchenden Flüssigkeit in den Strahlengang gestellt und misst erneut die Lichtintensität bzw. Spannung U. Der Transmissionsfaktor in Prozent errechnet sich dann einfach zu T = U / U0 * 100. Um den Absorptionsfaktor zu erhalten A musst du nur A = 100 minus T berechnen.

Diese Messung wird mit verschiedenfarbigen LEDs wiederholt und jeweils T bzw. A als Funktion der Wellenlänge (Farbe) bestimmt. Wenn Sie dies mit genügend LEDs tun, erhalten Sie eine Absorptionskurve.

Schritt 1: Die Teile

Für das Photometer benötigen Sie folgende Teile:

* Ein schwarzes Gehäuse mit den Maßen 160 x 100 x 70 mm oder ähnlich: Gehäuse

* Ein Arduino Nano: eBay Arduino Nano

* Ein Operationsverstärker LF356: ebay LF356

* 3 Kondensatoren mit einer Kapazität von 10μF: ebay-Kondensatoren

* 2 Kondensatoren mit C = 100nF und ein Kondensator mit 1nF: ebay-Kondensatoren

* Ein Spannungswandler ICL7660: ebay ICL7660

* Eine Fotodiode BPW34: ebay BPW34 Fotodiode

* 6 Widerstände mit 100, 1k, 10k, 100k, 1M und 10M Ohm: ebay Widerstände

* ein I²C 16x2 Display: ebay 16x2 Display

* ein 2x6 Drehschalter: Drehschalter

* ein 9V Batteriehalter und eine 9V Batterie: Batteriehalter

* ein Schalter: Schalter

* Glasküvetten: ebay-Küvetten

* LEDs mit anderer Farbe: z. B. eBay-LEDs

* ein einfaches 0-15V Netzteil zur Stromversorgung der LEDs

* Holz für den Küvettenhalter

Schritt 2: Die Schaltung und der Arduino-Code

Die Schaltung für das Photometer ist sehr einfach. Es besteht aus einer Fotodiode, einem Operationsverstärker, einem Spannungs-Inverter und einigen anderen Teilen (Widerstände, Schalter, Kondensatoren). Das Prinzip dieser Art von Schaltung besteht darin, den (niedrigen) Strom von der Fotodiode in eine höhere Spannung umzuwandeln, die vom Arduino Nano gelesen werden kann. Der Multiplikationsfaktor wird durch den Wert des Widerstands in der Rückkopplung des OPA bestimmt. Um flexibler zu sein, habe ich 6 verschiedene Widerstände genommen, die mit dem Drehschalter ausgewählt werden können. Die niedrigste "Vergrößerung" beträgt 100, die höchste 10 000 000. Alles wird von einer einzigen 9V-Batterie gespeist.

Schritt 3: Erstes Experiment: die Absorptionskurve von Chlorophyll

Zum Messvorgang: Eine Küvette wird mit Wasser oder einem anderen transparenten Lösungsmittel gefüllt. Diese wird dann in das Photometer gelegt. Die Küvette wird mit einem lichtdichten Deckel abgedeckt. Stellen Sie nun die Stromversorgung für die LED so ein, dass ein Strom von ca. 10-20mA durch die LED fließt. Danach wählen Sie mit dem Drehschalter die Position, bei der die Ausgangsspannung der Fotodiode etwa 3-4V beträgt. Die Feinabstimmung der Ausgangsspannung kann weiterhin mit dem einstellbaren Netzteil erfolgen. Diese Spannung U0 wird notiert. Nehmen Sie dann die Küvette mit der zu untersuchenden Flüssigkeit und stellen Sie diese in das Photometer. An dieser Stelle müssen die Spannung des Netzteils und die Stellung des Drehschalters unverändert bleiben! Dann die Küvette wieder mit dem Deckel abdecken und die Spannung U messen. Für die Transmission T in Prozent ist der Wert T = U / U0 * 100. Um den Absorptionskoeffizienten A zu erhalten, muss man nur A = 100 - T berechnen.

Die verschiedenfarbigen LEDs habe ich bei Roithner Lasertechnik mit Sitz in Österreich, meinem Heimatland, gekauft. Für diese wird die jeweilige Wellenlänge in Nanometern angegeben. Um ganz sicher zu gehen, kann man die dominante Wellenlänge mit einem Spektroskop und der Theremino-Software (Theremino-Spektrometer) überprüfen. In meinem Fall stimmten die Angaben in nm mit den Messungen recht gut überein. Bei der Auswahl der LEDs sollten Sie eine möglichst gleichmäßige Abdeckung des Wellenlängenbereichs von 395nm bis 850nm erreichen.

Für das erste Experiment mit dem Photometer habe ich Chlorophyll gewählt. Aber dafür musst du Gras von einer Wiese pflücken, in der Hoffnung, dass dich niemand beobachtet …

Dieses Gras wird dann in kleine Stücke geschnitten und zusammen mit Propanol oder Ethanol in einen Topf gegeben. Nun zerdrückst du die Blätter mit einem Mörser oder einer Gabel. Nach einigen Minuten hat sich das Chlorophyll gut im Propanol gelöst. Diese Lösung ist noch zu stark. Es muss mit ausreichend Propanol verdünnt werden. Und um jegliches Schweben zu vermeiden, muss die Lösung filtriert werden. Ich habe einen gewöhnlichen Kaffeefilter genommen.

Das Ergebnis sollte wie im Bild gezeigt aussehen. Eine sehr durchscheinende grün-gelbliche Lösung. Anschließend wiederholen Sie die Messung (U0, U) mit jeder LED. Wie aus der erhaltenen Absorptionskurve ersichtlich ist, stimmen Theorie und Messung recht gut überein. Chlorophyll a + b absorbiert im blauen und roten Spektralbereich sehr stark, während grün-gelbes und infrarotes Licht die Lösung nahezu ungehindert durchdringen kann. Im Infrarotbereich ist die Absorption sogar nahe Null.

Schritt 4: Zweites Experiment: die Abhängigkeit des Aussterbens von der Konzentration von Kaliumpermanganat

Als weiteres Experiment bietet sich die Bestimmung der Extinktion in Abhängigkeit von der Konzentration des gelösten Stoffes an. Als gelösten Stoff verwende ich Kaliumpermanganat. Die Lichtintensität nach dem Durchdringen der Lösung folgt dem Lambert-Beerschen Gesetz: Es lautet I = I0 * 10 ^ (-E). I0 ist die Intensität ohne gelösten Stoff, I die Intensität mit gelöstem Stoff und E die sogenannte Extinktion. Diese Extinktion E hängt (linear) von der Dicke x der Küvette und von der Konzentration c des gelösten Stoffes ab. Somit ist E = k * c * x mit k als molarem Absorptionskoeffizienten. Um die Extinktion E zu bestimmen, braucht man nur I und I0, denn E = lg (I0 / I). Wenn die Intensität beispielsweise auf 10 % reduziert wird, ist die Extinktion E = 1 (10 ^ -1). Bei einer Abschwächung auf nur 1% ist E = 2 (10 ^ -2).

Legt man E als Funktion der Konzentration c an, würde man erwarten, dass man eine ansteigende Gerade durch den Nullpunkt erhält.

Wie Sie an meiner Extinktionskurve sehen können, ist sie nicht linear. Bei höheren Konzentrationen flacht es ab, insbesondere ab Konzentrationen von mehr als 0,25. Das bedeutet, dass die Extinktion geringer ist, als nach dem Lambert-Beer-Gesetz zu erwarten wäre. Berücksichtigt man jedoch nur niedrigere Konzentrationen, beispielsweise zwischen 0 und 0,25, ergibt sich ein sehr schöner linearer Zusammenhang zwischen der Konzentration c und der Extinktion E. In diesem Bereich kann die unbekannte Konzentration c aus der gemessenen Extinktion E bestimmt werden. In meinem Fall, die Konzentration hat nur willkürliche Einheiten, da ich die Ausgangsmenge an gelöstem Kaliumpermanganat nicht bestimmt habe (es waren nur Milligramm, die in meinem Fall mit meiner Küchenwaage nicht gemessen werden konnten, gelöst in 4 ml Wasser für den Anfang Lösung).

Schritt 5: Schlussfolgerungen

Dieses Photometer eignet sich besonders für den Physik- und Chemieunterricht. Die Gesamtkosten betragen nur ca. 60 Euro = 70 USD. Die verschiedenfarbigen LEDs sind der teuerste Teil. Bei ebay oder aliexpress findet man sicherlich günstigere LEDs aber meist weiß man nicht welche Wellenlängen die LEDs haben. So gesehen empfiehlt sich der Kauf im Fachhandel.

In dieser Lektion lernen Sie etwas über den Zusammenhang zwischen der Farbe von Flüssigkeiten und ihrem Absorptionsverhalten, über das wichtige Chlorophyll, das Lambert-Beer-Gesetz, Exponentialfunktionen, Transmission und Absorption, Prozentrechnung und die Wellenlängen der sichtbaren Farben. Ich denke, das ist ziemlich viel…

Also viel Spaß beim Erstellen dieses Projekts in Ihrem Unterricht und Eureka!

Zu guter Letzt würde ich mich sehr freuen, wenn ihr mich beim Classroom-Science-Contest wählen könntet. Dank dafür…

Und wenn Sie an weiteren Physikexperimenten interessiert sind, hier ist mein Youtube-Kanal:

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

weitere Physikprojekte: