Constante vanPlanckTOACongres_clean

Report
Ruud Herold
NVON TOA Congres
11 November 2010
Wageningen
De Workshop

Introductie (ca. 5 min.)
Ik vertel iets over mezelf

Het Experiment (ca. 25 min.)
Welk experiment, een beetje achtergrond,
welke stappen ik doorlopen heb en welke
resultaten ik behaald heb.

Zelf aan de slag (ca. 60 min.)
Schema + formule
Introductie
“CV”







Ruud Herold
52 jaar
Woonplaats: Hoofddorp
Getrouwd met 2 kinderen
Werkzaam bij de Shell in A’dam als technoloog
Ca. 18 jaar labervaring
Altijd gek geweest op chemie
Ik ben er ook zo eentje
die vroeger een
scheikundedoos had….
Ik sta al een
tijdje niet
meer op het
lab…..
Persoonlijkheid
Ik vind het werk dat ik doe ontzettend leuk
(R&D, troubleshooting, proces design)
 Ik vind het leuk om met technologie aan de
slag te gaan (computers, gadgets, chemie)

www.thuisexperimenteren.nl
Het Experiment
DE CONSTANTE VAN PLANCK
h = 6.2607554 x 10-34 J.s
Achtergrondinformatie





De constante van Planck is een fundamentele
natuurconstante.
Het is een van de belangrijkste fysische constanten, hij
vormt de basis van de kwantumfysica.
Je vind hem terug in vele vergelijkingen bv
Onzekerheidsrelatie van Heisenberg: DE = h.DT
Foton energie: E = h.n
De Schrödinger vergelijking……
In 1900 door Planck geïntroduceerd in een model dat
“black body radiaton” verklaart door de aanname te
maken dat elektromagnetische straling is gegroepeerd
in kleine discrete eenheden van energie (E = n.h.n)
Einstein legde vervolgens in 1915 het fundament onder
het model door zowel “black body radiation” als het foto
elektrische effect te verklaren
De publicatie
Feng Zhou, Todd Cloninger
Computer-Based Experiments for
Determining Planck's Constant
using LEDs
The Physics Teacher
46 October 2008
p. 413-415.
LED Theorie



Gaten p-type halfgeleider gevormd op valentieband  lager
energieniveau t.o.v. vrije elektronen in de geleidingsband
Vrij elektron uit geleidingsband valt in gat valentieband  val naar een
lager energieniveau  energieverlies dat vrijkomt in de vorm van een
foton  deze energie is gequantiseerd
Tijdens de recombinatie van elektronen en gaten wordt er energie
uitgezonden in de vorm van fotonen
http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
LED Theorie
Diode I-V diagram
Men kan 3 spannings gebieden onderscheiden:
breakdown, reverse-biased, forward-biased.
Vbr is de breakdown voltage
Vd is het voltage waarbij de diode stroom geleid (doorlaatrichting) = V0
http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
LED Praktijk
Als men met LED’s werkt wordt men geacht een
voorschakelweerstand te gebruiken
Doet men dit niet dan kan
men de diode opblazen en
vliegen de stukjes je om de
oren…..
(vooral als je de diode aansluit
op een spanningsbron waarop
je het Amperage kunt instellen
en aan de A knop draait …..)
LED en Planck

Een foton gegenereerd door een LED heeft een energie
van:

Hierin is V0 de doorlaatspanning van de diode
Die we kunnen bepalen uit de RC curve over de
condensator
Door de meetdata te fitten met de vergelijking:



Hierin is B de doorlaatspanning V0 die we willen
berekenen
Aan de slag ….
Op zoek naar onderdelen ….
De condensator die ik nodig had zat er dus niet bij……
De “1ste” Opstelling
De eerste condensator was er
een van 10000 mF, de enige
die ik in een elektronicawinkel
dichtbij kon krijgen
Later heb ik in een betere
elektronicawinkel in Haarlem de 0.1 F
en de 1 F kunnen vinden die ook nog
een stuk goedkoper waren.
Tip voor het zoeken bij Conrad
• Zoek bij Conrad (www.conrad.nl) niet op bv “0.1 F” of “1 F”,
dat levert je geen bruikbare resultaten op
• Bij Conrad moet je al weten wat je wilt hebben. Je zult op
“Gold Cap” moeten zoeken om dit soort condensatoren te
kunnen vinden
CONRAD
Gold Cap 0,1F 5,5V
Bestnr.: 473090 - 89
2,91 EUR
Uiteraard ontdekte ik dit pas nadat (!) ik alle
experimenten al uitgevoerd had
Data fitten
c2 methode en Excel solver
De resultaten van het
ste
1
exp.
Op dit moment slechts een
condensator van 10000 mF
tot mijn beschikking.
In Excel kan men de regressielijn dwingen door 0 te gaan. De hellingshoek berekent
men dan met de functie LINEST: LINEST(known_y's, [known_x's], [const], [stats])
Door op de plaats van [const] de waarde FALSE in te vullen wordt de hellingshoek
berekend voor een lijn die door 0 gaat.
Meer LED’s gebruiken
Kleur
UV blauw
Blauw
Groen
Geel
Oranje
Rood
IR
Golflengte
nm
405
430
560
590
630
660
880
Grootteorde condensator meer in lijn met
waarde gebruikt in artikel
Toegevoegd:
•
UV LED
•
Oranje LED
Resultaat suggereert een duidelijke
verbetering
Kan het ook met Coachlab?
Ja (natuurlijk!)
Extra voordeel:
Je kunt de interne
voeding en voltmeter van
Coachlab gebruiken.
Wat is echter geen goed idee?
Ik heb een 2de
voltmeter die ik zou
kunnen gebruiken om
het spanningsverloop
over een 2de
component te volgen
Dan krijg je gekke meetwaardes en als je over
de weerstand meet wordt deze erg warm……...
De oorzaak hiervan is dat de voltmeters binnen Coachlab een
gemeenschappelijke aarde hebben (op de zwarte connector).
Door deze tegelijkertijd te gebruiken creëert men kortsluiting.
Het probleem is oplosbaar door een differentiële voltmeter te gebruiken
WHEN ALL ELSE FAILS …..
READ THE INSTRUCTIONS
Resultaat met CoachLab
Ik heb de meting langer laten doorlopen in de hoop zo een
nauwkeuriger fit te krijgen.
Dat lijkt echter niet veel uit te maken, integendeel…..
Zou het variëren van de RC tijd een beter resultaat opleveren?
Variëren van de RC tijd
Dat geeft niet echt een duidelijke verbetering,
integendeel……
Langzamerhand begin ik een beetje wantrouwend te
worden over dit resultaat van Zhou et al.
Het artikel eens goed(!) doorlezen…
Dan lezen we dat ze resultaten behaald hadden die
varieerden van:
5.77 tot 7.67 x 10-34 J.s
Het soort variatie waar ook wij mee te maken lijken te
hebben.
Dit is dus een geval van:
"typical results are shown“
betekent in werkelijkheid
"only the best results are shown“
C. D. Graham Jr.; “Light Metallurgy … A Glossary for Research Reports”; Metal Progress; May 1957; p. 75,76
Alternatieve visuele methode
Zoals door b.v. Martin Hackworth beschreven wordt
(http://www.physics.isu.edu/~hackmart/planck's.PDF)
Is deze condensatormethode inderdaad een
verbetering? Je maakt nl. gebruik van ….
Twee duidelijke nadelen:
• Spreiding in de meetwaardes dwingt ons om de meting
meerdere malen uit te voeren en het resultaat vervolgens te
middelen
• Aangezien men zich moet beperken tot licht dat men kan
waarnemen is het golflengtegebied waarover men de meting
uitvoert korter hetgeen een grotere fout kan veroorzaken (IR)
Opstelling
• Meet het voltage over de LED
• Verdraai de variable weerstand tot
dat punt waar de LED net uitdooft
• Noteer de spanning
• Herhaal dit meerdere malen voor
elke LED
• De koker wordt gebruikt om de
LED meer in het donker te kunnen
bekijken
Resultaat
Wederom eerder een verslechtering dan een verbetering.
Misschien ook hier onder dezelfde condities de meting
meerdere malen herhalen?
Resultaat
Een kleine verbetering.
Zo te zien hebben we in dat 2de experiment gewoon mazzel
gehad.
Reden voor de afwijking?
Hoe nauwkeurig is de opgave van de golflengte van de
LED’s ?
Even Googlen:
• De spectrale bandbreedte van een LED heeft een
grootte orde van 20 tot 60 nm.
• Hetgeen zicht vertaald naar een relatieve fout in de
range 4 tot 12 %, grofweg 8%.
Deze fout is te minimaliseren door de golflengte van een
LED exact te bepalen m.b.v. een spectroscoop die een
gekalibreerde golflengte schaal bevat.
Hulpmiddel bij golflengtebepaling LED’s
Geeft kleur en
bijbehorende golflengte
http://www.impactlightinginc.com/pdf/colorchart.pdf
Grafisch weergegeven
Alle meetresultaten
Discussie
Discussie I
Van de andere methodes die in de literatuur vermeld
worden gebruikt is er een die een voltmeter om de
minimum spanning te meten die nodig is om het LED
aan te zetten terwijl de andere de Vo bepaald door
een IO-V curve van de LED te bepalen.
Het probleem met beide methodes is dat in het ene
geval het menselijk oog bepaald (NEI) wanneer de
LED aangaat en men bij de andere het snijpunt moet
afschatten uit een kromme.
Deze methodes zijn daarom iets subjectiever hetgeen
kan resulteren in een grotere foutenmarge.
Discussie II
In de methode die we gehanteerd hebben bepalen we
de ontladingscurve van een condensator door een LED
dat in serie staat met een stroom begrenzende
weerstand
De ontladingscurve nadert een voltage dat constant is
en ongelijk aan nul
Dit constante voltage (Vo) is het minimum voltage dat
benodigd is om stroom te laten vloeien door de LED
Door de meet- en fit-procedure komt deze methode
objectiever over
Discussie III
Ik heb consequent een lagere waarde gevonden
voor de constante van Planck
Ik vraag me dus langzamerhand af of ik hier met
een systematische fout te maken heb
Deze vraag heb ik tot op heden nog niet eenduidig
kunnen beantwoorden
Als anderen het proberen en ook altijd een te lage
waarde vinden wordt dit wel aannemelijker
Conclusies I
De gemiddelde waarde die gevonden is voor het
bepalen van de constante van Planck is 5.97.10-34
J.s hetgeen 10 % relatief afwijkt van de werkelijke
waarde
 Het vergroten van het golflengtebereik door het
opnemen van UV en IR LED's vergroot de
nauwkeurigheid van de meting (zoals men mag
verwachten)
 Het verlengen of verkorten van de RC tijd maakt de
meting niet significant nauwkeuriger

Conclusie II
Zelf
aan
de
slag
Opstelling
•Bouw de opstelling op zoals aangegeven in
bovenstaande figuur
•Voer een meting uit
•Exporteer als tekst file, importeer in Excel
•Verzamel de resultaten
•Bereken de constante van Planck
Benodigde gegevens
h = 6.2607554 x 10-34 J.s
c = 299792458 m/s
e = 1.6021765 x 10-19 C
LED
Golflengte
Kl eur
nm
Blauw
Groen
Geel
Rood
IR
UV blauw
oranje
430
560
590
660
880
405
630
Volledige experiment
De volledige beschrijving van het experiment
kan men (na deze dag) ook vinden op mijn
website:
http://www.thuisexperimenteren.nl/science/Pla
ncks contants with LEDs/constante van
Planck.htm
Maar … Uiteindelijk gaat het om het
experiment, en niet om de gadgets…

similar documents