Una costante quantica: misura della costante di Planck con Micro:bit (o anche Arduino, Raspberry )
alfonsodambrosio@yahoo.it
Il titolo suona pomposo lo so, ma un articolo da Nerd ogni tanto ci sta, non per fissare dei paletti o creare dei muri, ma perchè la Scuola è fatta anche di metodologie e visioni che vanno oltre le cose semplici e perchè le cose difficili sanno incuriosirmi come pochi.
In effetti quella che voglio raccontarvi è esattamente la magia dei microcontrollori (nello specifico micro:bit ma è facilmente riproducibile anche con Arduino, Raspberry etc.) utilizzati come un sistema a basso costo e auto consistente.
Nello specifico utilizzeremo micro:bit come amperometro e voltmetro (senza avere un tester), come generatore di impulsi e impareremo non solo a programmare ma a decodificare in codice Morse.
Si badi bene: NESSUN VOLTMETRO ESTERNO VIENE UTILIZZATO. MICRO:bit farà tutto da solo e da solo ci darà la misura della tensione e della corrente che passa attraverso un led!!!!!!!!!!!!!
Alla fine misureremo la costante di Planck con un diodo….grandezza fondamentale nella fisica ed in particolare nella Fisica Moderna
Seguitemi e se in qualche punto vi sembra oscuro saltate direttamente i passaggi ed andare in basso dove si parla della misura.
Per prima cosa iniziamo con il dire che microbit ha una matrice 5x5 integrata, quindi 25 Led.
E’ possibile realizzare con tale matrice un contatore fino a 99999!
Come ? utilizzando il codice Morse, dove per noi i puntini sono i led accesi.
Una colonna (a partire dall’alto) che ha 3 led accesi e 2 spenti, corrisponderà a - - - . . ovvero nel codice morse al numero 8.
Vediamo come rappresentare il numero 24567.
Ecco il codice
Vediamo cosa fa il programmatore
I led sono graficati su x ed y. Il led in alto a sinistra ha coordinate 0,0 e quello in basso a destra coordinate 4,4.
Il nostro programma ha un ciclo esterno ed uno interno. Le cifre sono separate dal ciclo esterno (1 da 0 a 4). La divisione per 10 o la moltiplicazione per 10 sposta la posizione decimale.
Il ciclo interno crea la colonna, quindi determina l’accensione o lo spegnimento dei led.
d=z : 24567
I=0
d=d/10: 2456
d=d*10: 24560
d=n-d: 7
n=n/10: 2456
x=4-i: 4
d=9-d: 2
j=0
Y=d-j: 2
….
I=4
Y=d-j: -2
Ovvero la cifra 7 avrà – 2 led spenti a partire dalla prima colonna di destra e contando dal basso verso l’alto.
Su questa logica possiamo anche costruire un contatore che al premere del pulsante A o B aumento o diminuisca di uno il valore del numero a schermo (sempre in codice Morse).
Ogni porta di micro:bit permette di erogare un voltaggio massimo di 3300mV con una uscita digitale che va da 0 a 1023.
Potremmo allora realizzare un voltmetro a partire dal valore erogato sul pin e utilizzando il contatore Morse spiegato poco fa.
Ecco il codice a blocchi:
A schermo appariranno tre led accesi sulla seconda e terza colonna a partire da sinistra verso destra , ovvero 3300 mV appunto.
Bello no?
In sostanza possiamo costruire un tester utilizzando lo stesso micro:bit
Facile fare il voltmetro, e per l’amperometro? Qui si richiedono un po’ di conoscenze di elettronica e rimandiamo alla prossima lezione.
Micro:bit si rivela un interessante laboratorio, senza alcuna spesa ulteriore se non una bredboard , condensatori e qualche resistenza , possiamo ottenere misure di tensioni e correnti.
MISURA DELLA COSTANTE DI PLANCK CON UN LED E MICRO:BIT
Qui interviene la Fisica!
Vogliamo misurare la caratteristica volt-amperometrica di un diodo.
Per saperne di più vi rimando a questa scheda di
laboratorio: http://www.claudiocancelli.it/elettronica/Scheda_11_A.pdf
http://www.itisravenna.gov.it/corso/elettronica/materiale_didattico/lezioniweb/elettronica_2006-07/lezioni_di_elettronica/cap6_i_diodi_a_giunzione/caratteristica_voltamperometrica.htm
Un led (diodo) non inizia a condurre se la tensione ai suoi capi supera un certo valore detto di soglia.
Si fa passare una corrente ai capi del diodo, gli elettroni ricombinandosi con le lacune in vicinanza producono energia emessa sotto forma di fotoni (hγ).
L’energia emessa è fornita dal campo elettrico alla giunzione secondo la relazione:
(hγ = eVdiodo + cost)
Dove γ è la frequenza della radiazione emessa (che dipende dal colore, nel mio caso ho usato rosso e giallo), Vdiodo è la tensione di soglia.
La tensione di soglia può essere calcolata dalla caratteristica curva tensione corrente del nostro led, a partire dalla sua curva caratteristica e nel tratto lineare
Per ulteriori informazioni andare al seguente link:
http://www.fisica.uniud.it/URDF/secif/mec_q/esp/plank_2.htm
Come misurare la caratteristica volt-amperometrica usando micro:bit?
Procuratevi una resistenza da 1kOhm (io ho usato un trimmer), un condensatore da 10 microFarad e un led, poi dei coccodrilli o una bredboard.
Realizziamo il seguente circuito:
Nella nostra misura all’uscita PWM abbiamo aggiunto un filtro passa basso, così il voltaggio è connesso simultaneamente a quello dell’oggetto misurato all’uscita AD.
Se una corrente fluisce attraverso l’oggetto, il led, significa che una caduta di tensione aggiuntiva è presente sulla resistenza del filtro passa basso.
Per esempio se un voltaggio di 1,7 viene settato (premendo B per aumentare di 10mV o A per diminuire di 10mV), ma solo 0,9 viene misurato sull’input analogico allora la caduta di tensione sulla resistenza è di 0,8 e pertanto la corrente misurata è 0,8V/1Kohm=0,8 mA.
Passiamo alle misure, così ci divertiamo!
Ecco la caratteristica voltamperometrica del diodo rosso.
voltaggio corrente
0,15 0
0,45 0
1,27 0
1,55 0
1,8 0,1
1,83 0,2
1,86 0,4
1,88 0,6
1,9 0,8
1,92 1,0
1,94 1,3
Ho utilizzato una lunghezza d’onda per il rosso di 575 nanometri.
La costante di Planck ci viene 6,5*10^-34 J*s, con un errore di circa 0,2. Assolutamente compatabili con il valore presente in letteratura. Misure simili sono state fatte anche con led di altri colori
Sorprendente vero!
Ecco la magia di micro:bit.
E con Arduino?
Cambia poco, provate voi…in rete non ho trovato nulla del genere
Seguono alcune misure dell’esperimento (con led rosso e giallo).
Alla prossima sperando di non avervi annoiato troppo, ma di aver ispirato chi ha voglia di essere ispirato….
ecco il codice
per chi avesse bisogno dei sorgenti mi scriva pure
