Photomètre LED DIY avec Arduino pour les cours de physique ou de chimie : 5 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

Salut!

Les liquides ou autres objets apparaissent colorés parce qu'ils reflètent ou transmettent certaines couleurs et à leur tour en avalent (absorbent) d'autres. Avec un photomètre, il est possible de déterminer les couleurs (longueurs d'onde) qui sont absorbées par les liquides. Le principe de base est simple: avec une LED d'une certaine couleur, vous faites d'abord briller une cuvette remplie d'eau ou d'un autre solvant. Une photodiode mesure l'intensité lumineuse entrante et la convertit en une tension proportionnelle U0. Cette valeur est notée. Ensuite, une cuvette contenant le liquide à examiner est placée dans le trajet du faisceau et mesure à nouveau l'intensité lumineuse ou la tension U. Le facteur de transmission en pourcentage est alors simplement calculé par T = U / U0 * 100. Pour obtenir le facteur d'absorption A il suffit de calculer A = 100 moins T.

Cette mesure est répétée avec des LED de couleurs différentes et détermine dans chaque cas T ou A en fonction de la longueur d'onde (couleur). Si vous faites cela avec suffisamment de LED, vous obtenez une courbe d'absorption.

Étape 1: les pièces

Pour le photomètre, vous avez besoin des pièces suivantes:

* Un boîtier noir aux dimensions 160 x 100 x 70 mm ou similaire: boîtier

* Un Arduino Nano: ebay arduino nano

* Un amplificateur opérationnel LF356: ebay LF356

* 3 condensateurs d'une capacité de 10µF: condensateurs ebay

* 2 condensateurs avec C = 100nF et un condensateur avec 1nF: condensateurs ebay

* Un onduleur de tension ICL7660: ebay ICL7660

* Une photodiode BPW34: photodiode ebay BPW34

* 6 résistances de 100, 1k, 10k, 100k, 1M et 10M ohms: résistances ebay

* un écran I²C 16x2: écran ebay 16x2

* un commutateur rotatif 2x6: commutateur rotatif

* un support pile 9V et une pile 9V: support pile

* un interrupteur: interrupteur

* Cuves en verre: cuvettes ebay

* LED de couleur différente: p.e. LED ebay

* une simple alimentation 0-15V pour alimenter les leds

* bois pour le porte-cuve

Étape 2: Le circuit et le code Arduino

Le circuit du photomètre est très simple. Il se compose d'une photodiode, d'un amplificateur opérationnel, d'un onduleur et de quelques autres pièces (résistances, interrupteurs, condensateurs). Le principe de ce type de circuit est de convertir le (faible) courant de la photodiode en une tension plus élevée, lisible par l'arduino nano. Le facteur de multiplication est déterminé par la valeur de la résistance dans le retour de l'OPA. Pour être plus flexible j'ai pris 6 résistances différentes, qui peuvent être choisies avec le commutateur rotatif. Le "grossissement" le plus faible est de 100, le plus élevé de 10 000 000. Le tout est alimenté par une seule pile 9V.

Étape 3: Première expérience: la courbe d'absorption de la chlorophylle

Pour la procédure de mesure: Une cuvette est remplie d'eau ou d'un autre solvant transparent. Celui-ci est ensuite placé dans le photomètre. La cuvette est recouverte d'un couvercle étanche à la lumière. Réglez maintenant l'alimentation de la LED de manière à ce qu'un courant d'environ 10 à 20 mA traverse la LED. Après cela, utilisez le commutateur rotatif pour sélectionner la position à laquelle la tension de sortie de la photodiode est d'environ 3-4V. Le réglage fin de la tension de sortie peut toujours être effectué avec l'alimentation réglable. Cette tension U0 est notée. Prenez ensuite la cuvette contenant le liquide à examiner et placez-la dans le photomètre. A ce stade, la tension de l'alimentation et la position du commutateur rotatif doivent rester inchangées ! Recouvrez ensuite la cuvette avec le couvercle et mesurez la tension U. Pour la transmission T en pourcentage la valeur est T = U / U0 * 100. Pour obtenir le coefficient d'absorption A il suffit de calculer A = 100 - T.

J'ai acheté les LED de différentes couleurs chez Roithner Lasertechnik qui est situé en Autriche, mon pays d'origine. Pour ceux-ci, la longueur d'onde respective est donnée en nanomètres. Pour être vraiment sûr, on peut vérifier la longueur d'onde dominante avec un spectroscope et le logiciel Theremino (spectromètre theremino). Dans mon cas, les données en nm concordaient assez bien avec les mesures. Lors de la sélection des LED, vous devez obtenir une couverture uniforme de la plage de longueurs d'onde de 395 nm à 850 nm.

Pour la première expérience avec le photomètre j'ai choisi la chlorophylle. Mais pour cela il va falloir cueillir de l'herbe dans un pré en espérant que personne ne vous regarde…

Cette herbe est ensuite coupée en petits morceaux et assemblée avec du propanol ou de l'éthanol dans un pot. Maintenant, vous écrasez les feuilles avec un mortier ou une fourchette. Après quelques minutes, la chlorophylle s'est bien dissoute dans le propanol. Cette solution est encore trop forte. Il doit être dilué avec suffisamment de propanol. Et pour éviter toute suspension la solution doit être filtrée. J'ai pris un filtre à café ordinaire.

Le résultat devrait ressembler à celui indiqué sur l'image. Une solution vert-jaunâtre très translucide. Ensuite, vous répétez la mesure (U0, U) avec chaque LED. Comme le montre la courbe d'absorption obtenue, la théorie et la mesure s'accordent assez bien. La chlorophylle a + b absorbe très fortement dans le domaine spectral bleu et rouge, tandis que la lumière vert-jaune et infrarouge peut pénétrer dans la solution presque sans entrave. Dans le domaine infrarouge, l'absorption est même proche de zéro.

Étape 4: Deuxième expérience: la dépendance de l'extinction à la concentration de permanganate de potassium

Comme autre expérience, la détermination de l'extinction en fonction de la concentration du soluté offre. Comme soluté, j'utilise du permanganate de potassium. L'intensité lumineuse après avoir pénétré la solution suit la loi de Lambert-Beer: elle se lit I = I0 * 10 ^ (- E). I0 est l'intensité sans soluté, I l'intensité avec soluté et E la soi-disant extinction. Cette extinction E dépend (linéairement) de l'épaisseur x de la cuvette et de la concentration c du soluté. Ainsi, E = k * c * x avec k comme coefficient d'absorption molaire. Pour déterminer l'extinction E vous avez juste besoin de I et I0, car E = lg (I0 / I). Lorsque l'intensité est réduite à, par exemple, 10 %, l'extinction E = 1 (10 ^ -1). Avec un affaiblissement à seulement 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Si l'on applique E en fonction de la concentration c, on s'attendrait à obtenir une droite montante passant par le point zéro.

Comme vous pouvez le voir sur ma courbe d'extinction, elle n'est pas linéaire. À des concentrations plus élevées, il s'aplatit, en particulier à partir de concentrations supérieures à 0,25. Cela signifie que l'extinction est inférieure à ce qui serait attendu selon la loi de Lambert-Beer. Cependant, en ne considérant que des concentrations plus faibles, par exemple entre 0 et 0,25, on obtient une très belle relation linéaire entre la concentration c et l'extinction E. Dans cette plage, la concentration inconnue c peut être déterminée à partir de l'extinction mesurée E. Dans mon cas, la concentration n'a que des unités arbitraires, puisque je n'ai pas déterminé la quantité initiale de permanganate de potassium dissous (ce n'était que des milligrammes, ce qui n'a pas pu être mesuré avec ma balance de cuisine dans mon cas, dissous dans 4 ml d'eau pour le départ Solution).

Étape 5: Conclusions

Ce photomètre est particulièrement adapté aux cours de physique et de chimie. Le coût total n'est que d'environ 60 Euro = 70 USD. Les LED de différentes couleurs sont la partie la plus chère. Sur ebay ou aliexpress vous trouverez certainement des LED moins chères mais généralement vous ne savez pas quelles longueurs d'onde ont les LED. Vu sous cet angle, l'achat chez un détaillant spécialisé est recommandé.

Dans cette leçon, vous apprenez quelque chose sur la relation entre la couleur des liquides et leur comportement d'absorption, sur l'importante Chlorophylle, la loi de Lambert-Beer, les exponentielles, la transmission et l'absorption, le calcul des pourcentages et les longueurs d'onde des couleurs visibles. Je pense que c'est beaucoup…

Alors amusez-vous aussi à réaliser ce projet dans votre leçon et Eureka !

Enfin, je serais très heureux si vous pouviez voter pour moi au concours classe-science. Merci pour ça…

Et si vous êtes intéressé par d'autres expériences de physique, voici ma chaîne youtube:

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

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