Fotômetro LED DIY com Arduino para aulas de física ou química: 5 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Olá!

Líquidos ou outros objetos aparecem coloridos porque refletem ou transmitem certas cores e, por sua vez, engolem (absorvem) outras. Com o chamado fotômetro, é possível determinar aquelas cores (comprimentos de onda), que são absorvidas pelos líquidos. O princípio básico é simples: com um LED de uma determinada cor, você primeiro brilha através de uma cubeta cheia de água ou outro solvente. Um fotodiodo mede a intensidade da luz de entrada e a converte em uma voltagem proporcional U0. Este valor é anotado. Depois disso, uma cubeta com o líquido a ser examinado é colocada no caminho do feixe e mede novamente a intensidade da luz ou voltagem U. O fator de transmissão em porcentagem é então simplesmente calculado por T = U / U0 * 100. Para obter o fator de absorção A, você só precisa calcular A = 100 menos T.

Esta medição é repetida com LEDs de cores diferentes e determina em cada caso T ou A em função do comprimento de onda (cor). Se você fizer isso com LEDs suficientes, obterá uma curva de absorção.

Etapa 1: as peças

Para o fotômetro, você precisa das seguintes peças:

* Uma caixa preta com as dimensões 160 x 100 x 70 mm ou semelhante: caixa

* Um Arduino Nano: ebay arduino nano

* Um amplificador operacional LF356: ebay LF356

* 3 capacitores com capacidade de 10μF: capacitores ebay

* 2 capacitores com C = 100nF e um capacitor com 1nF: capacitores ebay

* Um inversor de tensão ICL7660: ebay ICL7660

* Um fotodiodo BPW34: fotodiodo ebay BPW34

* 6 resistores com 100, 1k, 10k, 100k, 1M e 10M ohms: resistores ebay

* uma tela I²C 16x2: tela ebay 16x2

* uma chave rotativa 2x6: chave rotativa

* um suporte de bateria de 9 V e uma bateria de 9 V: suporte de bateria

* um switch: switch

* Cuvetes de vidro: cuvetes ebay

* LEDs com cores diferentes: por exemplo LEDs ebay

* uma fonte de alimentação simples de 0-15V para alimentar os LEDs

* madeira para o porta-cuvetes

Etapa 2: o circuito e o código do Arduino

O circuito do fotômetro é muito simples. É composto por um fotodiodo, um amplificador operacional, um inversor de tensão e algumas outras partes (resistores, interruptores, capacitores). O princípio desse tipo de circuito é converter a corrente (baixa) do fotodiodo em uma tensão mais alta, que pode ser lida pelo arduino nano. O fator de multiplicação é determinado pelo valor do resistor no feedback do OPA. Para ser mais flexível, usei 6 resistores diferentes, que podem ser escolhidos com a chave rotativa. A "ampliação" mais baixa é 100, a mais alta, 10.000.000. Tudo é alimentado por uma única bateria de 9V.

Etapa 3: Primeiro experimento: a curva de absorção de clorofila

Para o procedimento de medição: Uma cubeta é preenchida com água ou outro solvente transparente. Este é então colocado no fotômetro. A cubeta está sendo coberta com uma tampa à prova de luz. Agora defina a fonte de alimentação para o LED de forma que uma corrente de cerca de 10-20 mA flua através do LED. Depois disso, use a chave rotativa para selecionar a posição na qual a tensão de saída do fotodiodo está em torno de 3-4V. O ajuste fino da tensão de saída ainda pode ser feito com a fonte de alimentação ajustável. Esta tensão U0 é anotada. Em seguida, pegue a cubeta contendo o líquido a ser examinado e coloque-a no fotômetro. Neste ponto, a tensão da fonte de alimentação e a posição da chave rotativa devem permanecer inalteradas! Em seguida, cubra a cubeta novamente com a tampa e meça a tensão U. Para a transmissão T em porcentagem, o valor é T = U / U0 * 100. Para obter o coeficiente de absorção A, basta calcular A = 100 - T.

Comprei os LEDs de cores diferentes da Roithner Lasertechnik, que está localizada na Áustria, meu país de origem. Para estes, o respectivo comprimento de onda é dado em nanômetros. Para ter certeza, pode-se verificar o comprimento de onda dominante com um espectroscópio e o software Theremino (espectrômetro theremino). No meu caso, os dados em nm concordaram muito bem com as medições. Ao selecionar os LEDs, você deve obter uma cobertura uniforme da faixa de comprimento de onda de 395 nm a 850 nm.

Para o primeiro experimento com o fotômetro, escolhi clorofila. Mas, para isso, você terá que arrancar grama de uma campina na esperança de que ninguém esteja olhando para você …

Essa grama é então cortada em pequenos pedaços e colocada junto com propanol ou etanol em uma panela. Agora você esmaga as folhas com um pilão ou garfo. Depois de alguns minutos, a clorofila se dissolveu bem no propanol. Esta solução ainda é muito forte. Precisa ser diluído com propanol suficiente. E para evitar qualquer suspensão, a solução deve ser filtrada. Peguei um filtro de café comum.

O resultado deve ser semelhante ao mostrado na imagem. Uma solução verde-amarelada muito translúcida. Em seguida, você repete a medição (U0, U) com cada LED. Como pode ser visto na curva de absorção obtida, a teoria e a medição concordam bastante. A clorofila a + b é absorvida muito fortemente na faixa espectral azul e vermelha, enquanto a luz verde-amarela e infravermelha pode penetrar na solução quase sem obstáculos. Na faixa do infravermelho, a absorção é até próxima de zero.

Etapa 4: Segundo experimento: a dependência da extinção da concentração de permanganato de potássio

Como um experimento adicional, a determinação da extinção em função da concentração do soluto oferece. Como soluto, uso permanganato de potássio. A intensidade da luz após penetrar na solução segue a lei de Lambert-Beer: Ela lê I = I0 * 10 ^ (- E). I0 é a intensidade sem soluto, I a intensidade com soluto e E a chamada extinção. Esta extinção E depende (linearmente) da espessura x da cubeta e da concentração c do soluto. Assim, E = k * c * x com k como o coeficiente de absorção molar. Para determinar a extinção E você só precisa de I e I0, porque E = lg (I0 / I). Quando a intensidade é reduzida para, por exemplo, 10%, a extinção E = 1 (10 ^ -1). Com um enfraquecimento de apenas 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Se alguém aplicar E como uma função da concentração c, esperaríamos obter uma linha reta ascendente através do ponto zero.

Como você pode ver pela minha curva de extinção, não é linear. Em concentrações mais altas, ele se achata, especificamente em concentrações maiores que 0,25. Isso significa que a extinção é menor do que seria esperado de acordo com a lei de Lambert-Beer. No entanto, considerando apenas concentrações mais baixas, por exemplo entre 0 e 0,25, resulta em uma relação linear muito boa entre a concentração ce a extinção E. Nesta faixa, a concentração desconhecida c pode ser determinada a partir da extinção medida E. No meu caso, a concentração tem apenas unidades arbitrárias, uma vez que não determinei a quantidade inicial de permanganato de potássio dissolvido (foram apenas miligramas, que não puderam ser medidos com minha balança de cozinha no meu caso, dissolvidos em 4 ml de água para começar solução).

Etapa 5: Conclusões

Este fotômetro é particularmente adequado para aulas de física e química. O custo total é de apenas 60 euros = 70 USD. Os LEDs de cores diferentes são a parte mais cara. No ebay ou no aliexpress você certamente encontrará LEDs mais baratos, mas geralmente você não sabe quais comprimentos de onda os LEDs possuem. Visto desta forma, é recomendável comprar de um revendedor especializado.

Nesta lição você aprende algo sobre a relação entre a cor dos líquidos e seu comportamento de absorção, sobre a importante clorofila, a lei de Lambert-Beer, exponenciais, transmissão e absorção, cálculo de porcentagens e os comprimentos de onda das cores visíveis. Eu acho que isso é bastante …

Então divirta-se também fazendo esse projeto em sua aula e Eureka!

Por último, mas não menos importante, ficaria muito feliz se você pudesse votar em mim no concurso de ciências em sala de aula. Obrigado por isso …

E se você estiver interessado em mais experimentos de física, aqui está o meu canal do youtube:

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

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