भौतिकी या रसायन विज्ञान के पाठों के लिए Arduino के साथ DIY LED-photometer: 5 चरण (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:21

नमस्कार!

तरल पदार्थ या अन्य वस्तुएं रंगीन दिखाई देती हैं क्योंकि वे कुछ रंगों को प्रतिबिंबित या संचारित करती हैं और बदले में दूसरों को निगलती (अवशोषित) करती हैं। एक तथाकथित फोटोमीटर के साथ, उन रंगों (तरंग दैर्ध्य) को निर्धारित किया जा सकता है, जो तरल पदार्थ द्वारा अवशोषित होते हैं। मूल सिद्धांत सरल है: एक निश्चित रंग के एलईडी के साथ आप पहले पानी या किसी अन्य विलायक से भरे क्युवेट के माध्यम से चमकते हैं। एक फोटोडायोड आने वाली प्रकाश की तीव्रता को मापता है और इसे आनुपातिक वोल्टेज U0 में परिवर्तित करता है। यह मान नोट किया जाता है। इसके बाद, जांच के लिए तरल के साथ एक क्यूवेट को बीम पथ में रखा जाता है और फिर से प्रकाश की तीव्रता या वोल्टेज यू को मापता है। प्रतिशत में संचरण कारक की गणना केवल टी = यू / यू 0 * 100 द्वारा की जाती है। अवशोषण-कारक प्राप्त करने के लिए ए आपको बस ए = 100 माइनस टी की गणना करनी है।

यह माप अलग-अलग रंगीन एल ई डी के साथ दोहराया जाता है और प्रत्येक मामले में टी या ए तरंग दैर्ध्य (रंग) के एक समारोह के रूप में निर्धारित करता है। यदि आप पर्याप्त एल ई डी के साथ ऐसा करते हैं, तो आपको अवशोषण वक्र मिलता है।

चरण 1: भागों

फोटोमीटर के लिए आपको निम्नलिखित भागों की आवश्यकता है:

* 160 x 100 x 70 मिमी या समान आयामों वाला एक काला मामला: आवास

* एक Arduino नैनो: eBay arduino nano

* एक परिचालन एम्पलीफायर LF356: eBay LF356

* 10μF की क्षमता वाले 3 कैपेसिटर: eBay कैपेसिटर

* C = 100nF के साथ 2 कैपेसिटर और 1nF के साथ एक कैपेसिटर: eBay कैपेसिटर

* एक वोल्टेज इन्वर्टर ICL7660: eBay ICL7660

* एक फोटोडायोड BPW34: eBay BPW34 फोटोडायोड

* 100, 1k, 10k, 100k, 1M और 10M ओम के साथ 6 प्रतिरोधक: eBay प्रतिरोधक

* एक आई²सी 16x2 डिस्प्ले: ईबे 16x2 डिस्प्ले

* एक 2x6 रोटरी स्विच: रोटरी स्विच

* एक 9वी बैटरी धारक और एक 9वी बैटरी: बैटरी धारक

* एक स्विच: स्विच

* ग्लास क्यूवेट्स: ईबे क्युवेट्स

* अलग अलग रंग के साथ एलईडी: f.e. ईबे एलईडी

* एल ई डी को बिजली देने के लिए एक साधारण 0-15V बिजली की आपूर्ति

* क्युवेट-धारक के लिए लकड़ी

चरण 2: सर्किट और Arduino- कोड

फोटोमीटर के लिए सर्किट बहुत सरल है। इसमें एक फोटोडायोड, एक ऑपरेशनल एम्पलीफायर, एक वोल्टेज-इन्वर्टर और कुछ अन्य भाग (प्रतिरोधक, स्विच, कैपेसिटर) होते हैं। इस प्रकार के सर्किट का सिद्धांत फोटोडायोड से (कम) करंट को एक उच्च वोल्टेज में बदलना है, जिसे आर्डिनो नैनो द्वारा पढ़ा जा सकता है। गुणन-कारक OPA की प्रतिक्रिया में रोकनेवाला के मूल्य से निर्धारित होता है। अधिक लचीला होने के लिए मैंने 6 अलग-अलग प्रतिरोधक लिए, जिन्हें रोटरी स्विच के साथ चुना जा सकता है। सबसे कम "आवर्धन" १०० है, उच्चतम १० ००० ०००। सब कुछ एक एकल ९वी बैटरी द्वारा संचालित है।

चरण 3: पहला प्रयोग: क्लोरोफिल का अवशोषण-वक्र

मापने की प्रक्रिया के लिए: एक क्युवेट पानी या किसी अन्य पारदर्शी विलायक से भरा होता है। इसके बाद इसे फोटोमीटर में लगाया जाता है। क्युवेट को हल्के टाइट ढक्कन से ढका जा रहा है। अब एलईडी के लिए बिजली की आपूर्ति सेट करें ताकि एलईडी के माध्यम से लगभग 10-20mA की धारा प्रवाहित हो। उसके बाद, उस स्थिति का चयन करने के लिए रोटरी स्विच का उपयोग करें जिस पर फोटोडायोड का आउटपुट वोल्टेज लगभग 3-4V है। आउटपुट वोल्टेज की ठीक ट्यूनिंग अभी भी समायोज्य बिजली की आपूर्ति के साथ की जा सकती है। यह वोल्टेज U0 नोट किया जाता है। फिर जांच के लिए तरल युक्त क्युवेट लें और इसे फोटोमीटर में रखें। इस बिंदु पर बिजली की आपूर्ति का वोल्टेज और रोटरी स्विच की स्थिति अपरिवर्तित रहनी चाहिए! फिर क्यूवेट को फिर से ढक्कन से ढक दें और वोल्टेज यू को मापें। ट्रांसमिशन टी के लिए प्रतिशत में मान टी = यू / यू 0 * 100 है। अवशोषण गुणांक ए प्राप्त करने के लिए आपको बस ए = 100 - टी की गणना करनी होगी।

मैंने रोथनर लेसरटेक्निक से अलग-अलग रंग की एलईडी खरीदीं, जो मेरे गृह देश ऑस्ट्रिया में स्थित है। इनके लिए संबंधित तरंगदैर्घ्य नैनोमीटर में दिया गया है। वास्तव में यह सुनिश्चित करने के लिए कि कोई स्पेक्ट्रोस्कोप और थेरेमिनो सॉफ्टवेयर (थेरेमिनो स्पेक्ट्रोमीटर) के साथ प्रमुख तरंग दैर्ध्य की जांच कर सकता है। मेरे मामले में, एनएम में डेटा माप के साथ काफी अच्छा है। एल ई डी का चयन करते समय, आपको ३९५ एनएम से ८५० एनएम तक तरंग दैर्ध्य रेंज के समान कवरेज प्राप्त करना चाहिए।

फोटोमीटर के साथ पहले प्रयोग के लिए मैंने क्लोरोफिल को चुना। लेकिन इसके लिए आपको एक घास के मैदान से घास तोड़नी होगी, इस उम्मीद में कि कोई आपको देख नहीं रहा है …

फिर इस घास को छोटे-छोटे टुकड़ों में काट कर एक बर्तन में प्रोपेनॉल या एथेनॉल के साथ डाल दिया जाता है। अब आप पत्तों को मोर्टार या कांटे से कुचल दें। कुछ मिनटों के बाद, क्लोरोफिल प्रोपेनॉल में अच्छी तरह से घुल गया है। यह समाधान अभी भी बहुत मजबूत है। इसे पर्याप्त प्रोपेनॉल के साथ पतला करने की आवश्यकता है। और किसी भी निलंबित से बचने के लिए समाधान को फ़िल्टर करना होगा। मैंने एक सामान्य कॉफी-फिल्टर लिया।

परिणाम चित्र में दिखाए अनुसार दिखना चाहिए। एक बहुत ही पारभासी हरा-पीला घोल। फिर आप प्रत्येक एलईडी के साथ माप (U0, U) दोहराते हैं। जैसा कि प्राप्त अवशोषण वक्र से देखा जा सकता है, सिद्धांत और माप काफी अच्छी तरह से सहमत हैं। क्लोरोफिल ए + बी नीले और लाल वर्णक्रमीय रेंज में बहुत दृढ़ता से अवशोषित करता है, जबकि हरा-पीला और अवरक्त प्रकाश लगभग बिना किसी बाधा के समाधान में प्रवेश कर सकता है। इन्फ्रारेड रेंज में, अवशोषण शून्य के करीब भी होता है।

चरण 4: दूसरा प्रयोग: पोटेशियम परमैंगनेट की एकाग्रता पर विलुप्त होने की निर्भरता

एक और प्रयोग के रूप में, विलेय प्रस्तावों की सांद्रता के आधार पर विलुप्त होने का निर्धारण। एक विलेय के रूप में, मैं पोटेशियम परमैंगनेट का उपयोग करता हूं। घोल में प्रवेश करने के बाद प्रकाश की तीव्रता लैम्बर्ट-बीयर नियम का पालन करती है: यह I = I0 * 10 ^ (- E) पढ़ता है। I0 विलेय के बिना तीव्रता है, I विलेय के साथ तीव्रता और E तथाकथित विलुप्ति है। यह विलुप्त होने ई क्युवेट की मोटाई x और विलेय की सांद्रता c पर (रैखिक रूप से) निर्भर करता है। इस प्रकार, ई = के * सी * एक्स के साथ दाढ़ अवशोषण गुणांक के रूप में। विलुप्त होने ई को निर्धारित करने के लिए आपको केवल I और I0 की आवश्यकता है, क्योंकि E = lg (I0 / I)। जब तीव्रता कम हो जाती है, उदाहरण के लिए, 10%, विलुप्त होने ई = 1 (10 ^ -1)। केवल 1% तक कमजोर होने पर, E = 2 (10 ^ -2)।

यदि कोई E को सांद्रता c के एक फलन के रूप में लागू करता है, तो हम शून्य बिंदु से एक बढ़ती हुई सीधी रेखा प्राप्त करने की अपेक्षा करेंगे।

जैसा कि आप मेरे विलुप्त होने की अवस्था से देख सकते हैं, यह रैखिक नहीं है। उच्च सांद्रता पर, यह चपटा हो जाता है, विशेष रूप से 0.25 से अधिक सांद्रता से। इसका मतलब है कि विलुप्त होने की अपेक्षा लैम्बर्ट-बीयर कानून के अनुसार कम है। हालांकि, केवल कम सांद्रता पर विचार करते हुए, उदाहरण के लिए 0 और 0.25 के बीच, एकाग्रता सी और विलुप्त होने ई के बीच एक बहुत अच्छा रैखिक संबंध होता है। इस सीमा में, अज्ञात एकाग्रता सी को मापा विलुप्त होने ई से निर्धारित किया जा सकता है। मेरे मामले में, एकाग्रता में केवल मनमानी इकाइयाँ हैं, क्योंकि मैंने भंग पोटेशियम परमैंगनेट की प्रारंभिक मात्रा निर्धारित नहीं की है (यह केवल मिलीग्राम है, जिसे मेरे मामले में मेरे रसोई-पैमाने से नहीं मापा जा सकता है, शुरुआत के लिए 4 मिलीलीटर पानी में भंग कर दिया गया है) समाधान)।

चरण 5: निष्कर्ष

यह फोटोमीटर विशेष रूप से भौतिकी और रसायन विज्ञान के पाठों के लिए उपयुक्त है। कुल लागत केवल ६० यूरो = ७० अमरीकी डालर के आसपास है। अलग-अलग रंग की एलईडी सबसे महंगा हिस्सा हैं। ईबे या एलीएक्सप्रेस पर आपको निश्चित रूप से सस्ते एलईडी मिलेंगे लेकिन आमतौर पर आप नहीं जानते कि एलईडी में कौन सी तरंग दैर्ध्य है। इस तरह से देखा जाए तो किसी विशेषज्ञ रिटेलर से खरीदारी करने की सलाह दी जाती है।

इस पाठ में आप द्रवों के रंग और उनके अवशोषण-व्यवहार के बीच संबंध, महत्वपूर्ण क्लोरोफिल, लैम्बर्ट-बीयर नियम, घातांक, संचरण और अवशोषण, प्रतिशत की गणना और दृश्यमान रंगों की तरंग दैर्ध्य के बारे में कुछ सीखेंगे। मुझे लगता है कि यह काफी…

तो इस प्रोजेक्ट को अपने पाठ और यूरेका में बनाने का मज़ा लें!

अंतिम लेकिन कम से कम मुझे बहुत खुशी होगी यदि आप मुझे कक्षा-विज्ञान-प्रतियोगिता में वोट कर सकें। उसके लिए धन्यवाद…

और यदि आप आगे भौतिकी प्रयोगों में रुचि रखते हैं, तो यह मेरा youtube-चैनल है:

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

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