Interactieve Uitleg Van Het Foto-elektrisch Effect Met 2 Koperen Platen En Een Bewegende Auto

Wil je het foto-elektrisch effect aantonen doormiddel van een interactieve opstelling? Dan is deze instructable perfect voor jou! In deze handleiding zal je stap voor stap geleid worden om een eigen zonne-energie gedreven auto te bouwen met behulp van een opstelling die gebruikmaakt van het foto-elektrisch effect.

De kern van deze opstelling bevindt zich in de cel die twee koperen platen bevat. Eén van de platen heeft een laag koperoxide, dat werkt als halfgeleider. Deze bak is gevuld met zoutwater, dat fungeert als elektrolyt. Wanneer er UV-straling op de koperen platen schijnt, treedt het foto-elektrisch effect op, waardoor elektronen vrijkomen en er een stroom gaat lopen.

Deze opgewekte stroom wordt vervolgens gebruikt om een klein autootje aan te drijven. Het autootje is uitgerust met een batterij en is zo ontworpen dat het begint te rijden zodra een bepaalde drempel spanning wordt bereikt. Het resultaat is een auto die wordt aangedreven door de zon.

In de volgende stappen zal uitgelegd worden hoe de opstelling gebouwd kan worden en welke materialen er nodig zijn.

Materialen:

• Koperen plaat (2)
• 5v motor (2)
• SBC-MotoDriver2 (1)
• Krokodillen klemmen (2)
• Powerbank of batterij (1)
• Slipring (1)
• kogel 6mm (10)
• houten plaat (1 of 2)

Gereedschappen:

• Lasersnijder (of zaag)
• 3D-printer
• schroevendraaier
• Lijm

Pak de twee koperen platen en was deze met zeep en water. Zet vervolgens één van de platen op een gaskookplaat en zet deze op de hoge stand. De plaat zal nu langzamerhand een zwart laagje krijgen door de vorming van koperoxide. Als de plaat eenmaal volledig zwart is geworden laat je deze nog 30 minuten op de kookplaat koken. Laat hierna de koperen plaat afkoelen voordat je het er af haalt.

Na het afkoelen zal de zwarte laag krimpen en gedeeltelijk van de plaat afkomen, waardoor vlokken ontstaan. Veeg deze vlokken voorzichtig weg, hieronder vind je de rode laag koper oxide.

Om de cel te bouwen is er een ronde doorzichtige plastic bak nodig. Hiervoor kan gebruikt worden gemaakt van een Echte Enkhuizer Jodekoek Bus. Vul de bak met 0.5 L lauw water, voeg hier 2 eetlepels zout aan toe en roer goed door.

Buig vervolgens beide platen zodat ze passen in de bak. De platen zouden tegen de zijkant van de bak moeten kunnen steunen. Leg ze tegenover elkaar in de bak zodat ze elkaar niet aanraken.

Om deze cel elektrisch aan het autootje te kunnen verbinden zijn er krokodillen klemmen nodig en een sleepring. De sleepring zorgt ervoor dat de draden niet in de knoop raken wanneer het autootje begint te rijden in rondjes. Om de sleepring in het midden van de cel te krijgen, wordt er een steuntje gesneden (zie bijlage Laser snijden steuntje). Dit steuntje bestaat uit 2 onderdelen, een klem die op de cel past en een 'plank' waarin de ring past. Lijm het uiteinde van de plank op de klem. Let op dat de klem dus niet in het midden hoort maar iets er boven zodat het gat in het midden van de cel valt, zie de foto's hierboven.

Nu kunnen de draden aan het ene uiteinde vastgemaakt worden aan een plaat en het andere aan de sleepring. De draden die aan de bovenkant er uitkomen worden gebruiken om de cel te verbinden met het autootje, zie stap 2, 3 en 4.

De cel blijft stationair in het midden, het autootje gaat hier omheen rijden. Hiervoor hebben is een lager nodig, die maak je als volgt. Maak een 3D print ontwerp, deze moet het volgende bevatten.

• De onderkant, hierin moeten knikkers passen en deze blijft stationair.
• De bovenkant, deze roteert met de auto mee.

Zorg ervoor dat de onderkant en bovenkant een diameter hebben die even groot zijn als die van de plastic bak. Hou er rekening mee dat er tussen de bovenkant en onderkant knikkers moeten passen. Meet de knikkers dus eerst en pas je ontwerp hier op aan. Onderstaand 3D print ontwerp kan ook gebruikt worden, deze heeft een diameter van 10 cm en gebruikt knikkers met een diameter van 0.8 cm.

Als het goed is werkt de foto-elektrische cel, maar om leuk aan te kunnen tonen dat het werkt is er nog een laatste bouwstap nodig. Het autootje. Dit autootje wordt gelasersneden omdat je zo makkelijk de stukken in elkaar kan passen voor een makkelijke (de)montatie.

De auto zit vast met een verbindings brug aan de lager. Dit is zodat de auto gemakkelijk om de cel heen kan draaien met een langere omwentelingsweg voor een dramatischer effect.

Het autootje moet de volgende dingen bevatten:

• Moter(en) aan 1 zijkant zodat de auto kan rijden.
• Een arduino om het voltage van de cel af te lezen
• Een motor driver om de motoren aan te sturen
• Een powerbank of batterijen om het autootje te laten rijden

Als je de componenten wil hergebruiken moet het autootje ook een paar houders erop hebben om deze makkelijk vast te kunnen zetten daarna ook weer los te maken. Deze aparte doosjes moeten groot genoeg zijn voor respectievelijk de arduino, de motoren aan de zijkant, de motor-drive en de batterij. Als je de componenten niet per se wil hergebruiken en een makkelijker ontwerp wilt kunt u ook altijd kiezen om deze vast te lijmen op de vloer van het autootje.

Uit ervaring is gebleken dat een vloerbord van het autootje rond de 10 bij 20 centimeter groot is. Het verbindingstuk tussen de auto en onze lager is 15 cm lang en 3 cm breed maar dit kan in principe zo lang zijn als je wenst.

Hieronder zijn twee lasersnijd documenten toegevoed. In het eerste bestand staat onze oorspronkelijke print. In het extra delen bestand staan extra onderdelen die aangepast zijn omdat de eerste keer meten niet goed was gegaan. !!Meet dus altijd goed uw componenten voordat je snijdt (ook uitstekende delen)!!

Het doel van de elektronica is om de spanning van de cel te lezen, en gebaseerd op deze waarde de snelheid van de auto ontworpen in stap 2 te bepalen. De cel zal een spanning tussen de 0 en 25 mV leveren, met een verwachtte stroomsterkte van 50 mA. De auto kan niet op de cel alleen rijden, dus we gebruiken een arduino om het signaal te versterken.

Een arduino kan spanningen tussen 0 en 5v meten in 1024 intervallen. Het kan echter nauwkeuriger door gebruik te maken van een interne referentie voor de analogRead functie;

analogReference(INTERNAL); // use AREF for reference voltage

Dit zorgt ervoor dat de arduino waardes tussen 0 en 1.1V in 1024 intervallen kan meten, handig voor kleine spanningen!

De arduino zal deze gemeten waarde gebruiken om een motor driver module (SBC-MotoDriver2 module met de L298N driver) aan te sturen, die vervolgens de motoren zelf aanstuurt. Dit is schematisch weergeven in de elektronische tekening bijgevoegd. Let op: de cel staat niet in de tekening weergeven. Een uitgang van de cel wordt op GND aangesloten en de tweede uitgang wordt op A5 aangesloten.

De software bevat buiten de analogReference geen gevorderde begrippen. Er wordt een analoge waarde gelezen op pin 5 en er worden 4 analoge signalen (de snelheden van de motoren) 'uitgezonden' door pin 6 - 9 (zie foto). Omdat de cel niet genoeg vermogen leverd om de auto zelf te laten rijden wordt de batterij gebuikt. De auto kan een dynamische snelheid krijgen door de map() functie van de arduino te gebruiken.

map(value_cel, lower_value_cel, upper_value_cel, lower_value_speed, upper_value_speed) 

Deze functie zorgt ervoor dat de snelheid van de auto lineair gerelateerd wordt aan de spanning over de zonnecel, zodat de auto harder gaat rijden wanneer er een hogere spanning over de cel staat!

Een voorbeeld code die werkt:

//Motor 1
const int motorPin1 = 9;
const int motorPin2 = 8;
//Motor 2
const int motorPin3 = 7;
const int motorPin4 = 6;


const int cel = A5; 


int value; 
int UPPER_LIMIT = 30;
int s = 150;


void setup(){
  Serial.begin(9600);
  //INITIALISE PINS
  pinMode(motorPin1, OUTPUT);
  pinMode(motorPin2, OUTPUT);
  pinMode(motorPin3, OUTPUT);
  pinMode(motorPin4, OUTPUT);
  analogReference(INTERNAL);
  pinMode(cel, INPUT);
}


void loop(){
  //READ DATA
  value = analogRead(cel);
  //SET MOTORS
  if(value > 5   ){
    s = map(value,5, UPPER_LIMIT,   120, 255);
    Serial.print("speed: ");
    Serial.println(s);
    analogWrite(motorPin1, s);
    analogWrite(motorPin3, s);
  } else {
    analogWrite(motorPin1, 0);
    analogWrite(motorPin3, 0);
  }


  //OUTPUT INFORMATION
  Serial.print("waarde cel: ");
  Serial.println(analogRead(cel));
  delay(500);
}

Je hebt het gehaald! gefeliciteerd! Nu is het tijd om je prachtige creatie aan anderen te laten zien. En nog een kleine disclaimer: het is je eigen project, JIJ bent de baas. Als iets er vreemd uitziet, doe het dan anders... DO it YOUR way. Dan is het het leukst en leer je het meest. Veel plezier! groetjes, Groepje 49