Summary
광 공중 부양 뜨는 서핑 마이크로미터 크기의 유 전체 개체 레이저 빛을 사용 하는 방법입니다. 컴퓨터 및 자동화 시스템, 광학 공중 부양에 대 한 실험을 활용 하 여 원격으로 제어할 수 있습니다. 여기, 원격 제어 광학 공중 부양 시스템을 모두 사용 하는 현재 우리 교육 및 연구 목적.
Abstract
작업 공정의 많은 근본적인 물리적, 광자 압력, 빛의 회절 또는 전기 분야에서 입자의 모션 연구를 허용 하는 실험을 선물 한다. 이 실험에서 초점된 레이저 빔을 가리키는 위쪽으로 공중에 뜨게 액체 작은 물방울. 작은 물방울은 중력을 균형 초점된 레이저 광선의 광자 압력으로 부상. 레이저 빛으로 조명 하는 때 회절 패턴 갇혀 방울의 크기를 측정을 도울 수 있다. 갇혀 방울의 수직 방향된 전기장을 적용 될 때의 동작을 공부 하 여 확인할 수 있습니다. 원격으로 제어 될 것이 실험을 동기 부여 하는 몇 가지 이유가 있다. 학부 교육 실험실에서 일반적으로 사용할 수 있는 금액을 초과 하는 설치에 필요한 한 투자 실험은 피부와 눈에 유해한 클래스 4 레이저 요구 하 고 해로운 전압을 사용 하는 실험.
Introduction
그 이유는 혜성의 꼬리는 항상 태양 으로부터 포인트를 설명 하는 때 빛 추진력을 운반 하는 사실 처음 케플러에 의해 제안 되었다. 이동 하 고 거시적인 개체 트래핑 레이저를 사용 하 여 A. Ashkin에 의해 처음 알려졌다 고 때 그들은 마이크로미터 공중에 뜨게 하는 것을 증명 하는 1971 년에 J. M. Dziedzic 크기의 유 전체 객체1. 갇혀 개체에 노출 되었다는 상승 지시 레이저 빔. 레이저 광선의 일부는 중력을 균형 잡히게 하기에 충분 했다 그것에 방사선 압력을 부과 하는 개체에 반영 되었다. 그러나, 대부분은 빛의 유 전체 개체를 통해 굴절 했다. 빛의 방향으로 변경 되는 개체의 반동. 가우시안 빔 프로 파일에 배치 하는 입자에 대 한 반동의 그물 효과 드롭릿에 높은 광도2의 지역으로 이동 합니다. 따라서, 안정적인 트래핑 위치 방사선 압력 중력을 균형 약간 초점 위에 위치에 레이저 광선의 센터에서 만들어집니다.
광 공중 부양 메서드를 작은 개체를 갇혀 어떤 물체에 접촉 하지 않고 제어 수 있습니다, 이후 다른 물리적 현상 levitated 물방울을 사용 하 여 공부 수 있습니다. 그러나, 실험 선물 두 가지 제한이 재현 하 여 모든 기관 필요한 장비를 감당할 수 있는 고 있기 때문에 레이저의 손을 작업에 특정 위험 학교 또는 대학에 적용 한다.
원격 실험실 (RLs) 실험 활동에 대 한 실제 실험실 장비에 온라인 원격 액세스를 제공합니다. RLs는 인터넷의 도래와 함께 90 년대의 끝에 처음 등장 하 고 그들의 중요성 및 사용 있다 성장 하 고, 년간 기술을 진행 하 고 그들의 주요 관심사 중 일부는 해결된3되었습니다. 그러나, 하지 불안 증후군의 핵심은 그대로 시간이 지남에: 실험실, 액세스 및 제어 하 고 실험 모니터링 인터넷 연결 전자 장치를 사용 하 여.
그들의 원격 특성상 증후군 같은 실험의 현실화와 관련 된 위험에 그들을 노출 하지 않고 사용자에 게 실험 활동을 제공 하 사용할 수 있습니다. 이러한 도구는 실험실 장비를 사용 하는 더 많은 시간을 보내고 학생 허용 하 고 따라서 더 나은 실험실 기술을 개발. 하지 불안 증후군의 다른 장점으로는 그들이 1) 촉진 실험적인 작업을 수행 하 고 2) 대학 간의 RLs를 공유 함으로써 학생 들에 게 제공 하는 실험의 카탈로그 확장 한 3) 실험실 작업을 일정에 유연성을 증가 하는 장애인된 들에 대 한 때문에 수행할 수 있습니다 홈 때에서 물리 연구소가 닫힙니다. 마지막으로, 하지 불안 증후군 또한 컴퓨터 제어 시스템, 요즘은 연구, 개발 및 산업의 중요 한 부분을 운영에 훈련을 제공 합니다. 따라서, 전통적인 실험실 현재, 하지만 더 흥미로운 실험 기회 제공 하지 불안 증후군만 금융 및 안전 문제에 해결책을 제공할 수 없습니다.
이 작품에 사용 되는 실험 설치, 그것은 하 크기를 측정 하 고 갇혀 방울의 충전, 전기 분야에서 입자의 움직임을 조사 방사성 소스를 사용 하 여 물방울4 에 충전을 변경 하는 방법을 분석합니다 .
제시 하는 실험적인 체제에서 강력한 레이저 위쪽 감독 이며 유리 셀4의 센터에 집중. 레이저는 2 승 532 nm 다이오드 펌프 고체 레이저 (CW), 어디 일반적으로 약 1 와트 (W) 사용 됩니다. 트래핑 렌즈의 초점 거리 이며 3.0 cm. 방울 피 방울 디스펜서와 함께 생성 됩니다 때까지 그들은 바로 레이저의 초점 위에 갇혀 있다 레이저 빔을 통해 하강. 트랩에서 상승 힘 방사선 압력은 아래쪽 감독된 중력 될 때 발생 합니다. 거기는 트래핑에 대 한 관찰 상단 시간 제한이 없습니다. 드롭릿 갇혀 긴 시간 9 시간, 그 후, 함정 해제 됐다. 물방울 레이저 분야의 상호작용 방울의 크기를 결정 하는 데 사용 되는 회절 패턴을 생성 합니다.
10% 글리세롤과 90% 물 디스펜서에서 방출 하는 작은 물방울에 의하여 이루어져 있다. 물에 신속 하 게 증발, 함정에 20 ~ 30 μ m 크기의 글리세롤 물방울을 떠나. 갇혀 있을 수 있는 작은 물방울의 최대 크기는 약 40 µ m입니다. 아니 증발 약 10 후 관찰은 s. 이 시점에서, 모든 물 증발 예정 이다. 어떤 관찰 증발 없이 긴 트랩에 최소한의 흡수는 드롭릿에 본질적으로 실내 온도에 나타냅니다. 방울의 표면 장력은 그들이 구형. 방울 방울 디스펜서에 의해 생성 된의 실험실, 어디 그들은 가장 일반적으로 될 부정 청구에서 환경 조건에 따라 달라 집니다. 위아래 트래핑 셀의 25 m m 떨어져 배치 하는 2 개의 전극으로 이루어져 있다. 그들은 수직 전기 직류 (DC) 또는 교류 전류 (AC) 필드는 작은 물방울에 적용 사용할 수 있습니다. 전기장은 1000 볼트 (V)는 전극에 적용 하는 경우에 모든 호를 만들 만큼 강하지 않다. DC 필드를 사용 하는 경우는 물방울 이동 또는 아래로 레이저 빔에 새로운 안정 된 평형 위치 합니다. AC 필드 대신 적용 하는 경우는 물방울 평형 위치로 주위 진동. 진동의 크기는 크기와 물방울 레이저 트랩의 강성 및 전기 분야의 강도에 충전에 따라 다릅니다. 작은 물방울의 이미지는 사용자가 물방울의 수직 위치를 추적할 수 있는 위치에 민감한 검출기 (PSD)에 예상 된다.
이 작품에는 교육 및 연구는 물리학에 있는 현대 개념 충전된 방울의 광학 공중 부양에 정보 및 통신 기술의 혁신적인 RL 통해를 사용 하 여 현대화의 성공적인 이니셔티브를 선물 한다. 그림 1 은 RL의 아키텍처를 보여 줍니다. 표 1 보여줍니다 레이저; 그들의 클래스에 따라 발생할 수 있는 가능한 상해 이 설정에서 클래스 4 레이저 사용 되었습니다, 가장 위험한 것입니다. 원격 작업에서 제공 하는 안전은 명확 하 게이 실험을 위해 적합 한 그래서 그것은 보이는 레이저 방사선의 최대 2.0 W 작동할 수 있습니다. 충전 된 물방울의 광학 공중 부양 RL 20185D. Galan 외 의 작품에 발표 했다. 이 작품에서는, 그것은 어떻게 사용할 수 있습니다 온라인 비용, 물류 또는 안전 문제에 대해 염려할 필요 없이 물리학의 현대 개념을 학생 들을 소개 하 고 싶은 교사에 의해 증명 됩니다. 인터랙티브 실험실의 대학 네트워크 라는 웹 포털 통해는 RL를 액세스 하는 학생 들 (UNILabs-https://unilabs.dia.uned.es)을 찾을 수 있는 실험과 실험의 사용에 관련 된 이론에 관한 모든 문서에 웹 응용 프로그램에 의해 설정 합니다. 원격 실험실의 개념을 사용 하 여 비용이 많이 드는 고 위험한 장비를 필요로 하는 현대 물리학에 있는 실험적인 작품 만들 수 있습니다 사용할 수 있는 학생의 새로운 그룹을. 또한, 그것은 일반적으로 액세스할 수 없습니다 연구소 밖에 서 실험과 실험실 시간을 더 전통적인 학생을 제공 하 여 공식적인 학습을 향상 시킵니다.
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Protocol
참고:이 실험에 사용 된 레이저는 보이는 레이저 방사선의 최대 1 W를 제공 하는 클래스 4 레이저. 모든 직원 레이저 실험실에 적절 한 레이저 안전 교육을 실시 해야 합니다.
1. 실습 실험 프로토콜
- 안전
- 실험실에서 모두는 레이저 설정 될 것입니다 알고 있는지 확인 합니다.
- 실험실에서 레이저 경고 램프를 켭니다.
- 아무 시계 또는 금속 반지는 착용 하 고 레이저 고글에 확인 하십시오.
- 4 흡수 하는 보드, 실험에 가장 가까운 빛, 자리에 확인 하십시오.
- 레이저와 장애물에 대 한 흡수 보드 사이의 공간을 확인 합니다. 또한 트랩 셀과 빔 블록 사이의 공간 개체에서 무료 인지 확인 합니다.
- 소프트웨어와 실험 준비 합니다.
- 연구실 컴퓨터를 켭니다. 작동 준비가 될 때까지 기다립니다.
- 바탕 화면에서 원격 시동 폴더를 열고 Main1806.vi아이콘을 클릭 합니다. 왼쪽된 상단 모서리에 있는 화살표를 눌러 프로그램을 실행 합니다.
참고:이 그림 2 , 그림 3 에 표시 된 (예를 들어, Labview) 제어 프로그램 열리고 자동으로 레이저 및 전기 분야는 모두 전원 공급 장치를 켠다. 지금부터이 섹션에서 참조 하는 모든 단추는이 숫자에 나타나는를 참조 하십시오. - "EJS 변수"에서 "레이저 원격 Enable2" 파워 라는 확인란을 표시 하 고 오른쪽에 레이저 파워 슬라이드 25%에서 끝나는 25 "레이저 current2"를 설정 합니다. 레이저 빔 빔 빔 덤프에서 끝나는 되도록 맞춤 레이저 고글을 사용 하 여 관찰 합니다. 그렇지 않은 경우에 빔 덤프의 위치를 조정.
- Drops2 를 확인 하 고 작은 물방울 레이저 빔으로 떨어지고 있다 때까지 방울 디스펜서의 끝을 이동. 그림 4에서 문자 A로 표시 된 번역 단계를 조정 하 여 이렇게 합니다. 그 목적을 위해 부드럽게 설정 운전 나사 번역 무대의 기지에서 원하는 위치에 도달할 때까지.
- 경우 없는 방울 물방울 디스펜서의 끝에 표시 될 때까지 주사기에 압력을 적용, 오고 있다. 신중 하 게 닦아 (깨지기 쉬운 팁) 아세톤과 종이 사용 하 여. 작은 물방울은 지금 오는 시작 한다. 이럴 때, 포인트 1.2.4에서에서 다시 시작 합니다.
- 레이저 파워를 레이저 현재 2 입력된 필드와 트랩 드롭릿 사용 하 여 약 66%를 올립니다. 드롭릿 갇혀 마자 Drops2 를 선택을 취소 합니다.
참고: 그림 5 실험 환경에서 물방울을 보여준다. 상단은 드롭릿에 있는 셀의 유리에는 반사 하는 동안 낮은 녹색 점 진짜 방울에 해당 합니다. 이 순간부터 그것은 갇힌된 방울 지금은 PSD에 몇 군데 있을 것입니다.
- 물방울의 크기를 결정 합니다.
- PSD 위치 0에 가능한 한 가까이 될 때까지 레이저 파워를 조정 합니다.
참고:로 물방울 레이저 전원 또는 크기/무게에 따라 이전의 트랩 위치 이상 아래 갇혀 있을 수 있습니다. 이 단계는 물방울 이미지는 PSD의 중심 이동 수행 됩니다. - 화면에 만든 회절 패턴 관찰 ( 그림 1참조). 아래에서 화면을 관찰 하기 위해 배치 된 웹 카메라와 함께 사진을 찍을.
참고: 패턴은 갇혀 방울에 의해 diffracted 레이저 빛에 의해 발생 합니다. - 그림을 사용 하 여 라인에서 거리 이미지에 1 ~ 2 임의 최소 표시 확인. 거리 선 표시 1, 다른 부정적인 것 보다는 작은 물방울에서 경우 긍정적 이다. 그런 다음 두 거리를 40cm를 추가 합니다. 짧은 1및 긴 2를 호출 합니다. 방정식 1를 사용 하 여는 작은 물방울의 크기를 계산.
(1)
여기서, x 는 화면에는 작은 물방울에서 수직 거리 (x = 23.5 cm), λ 는 레이저 빛의 파장 (λ = 532 nm) Δn 은 두 최소 사이의 변두리 (정수)의 수와 계산에 사용 됩니다.
참고: 드롭릿에 PSD 중간 군데는, 화면에 물방울에서 거리 (x)는 23.5 ± 0.1 cm. 과정에 대 한 더 자세한 내용은 제이 Swithenbank 그 외 여러분 의 작품에서 찾을 수 있습니다. 6.
- PSD 위치 0에 가능한 한 가까이 될 때까지 레이저 파워를 조정 합니다.
- 방울의 책임의 극성을 확인 합니다.
- 탭 실행 EJS 변수의 오른쪽에 선택 하 고 + 2 V ( 그림 3참조)로 E 필드 DC control2 을 설정. 전극에 전압 200 V 지금 이기 주의 해야 합니다.
참고: 작은 물방울 충전의 극성 드롭릿에 적용된 수직 전기 분야에 어떻게 응답 하는지 관찰 하 여 결정 됩니다. 전기 분야를 적용 하는 방법의 스케치 그림 6 에서 볼 수 있습니다.
- 탭 실행 EJS 변수의 오른쪽에 선택 하 고 + 2 V ( 그림 3참조)로 E 필드 DC control2 을 설정. 전극에 전압 200 V 지금 이기 주의 해야 합니다.
- 방울의 결정
참고:는 물방울의 계산, 그것은 먼저는 물방울의 크기를 측정 하는 데 필요한입니다. 작은 물방울의 무게 때문에 액체의 밀도 알려져 있다 확인할 수 있습니다. 그림 7 은 개요로 절차를 설명합니다.- E-필드 DC control2 을 0으로 설정.
- 추정 하 고는 물방울의 위치에 대 한 평균 값 차트 파형에 PSD 정상화 위치 추적에 의해 합니다.
- 레이저 파워의 값 note 이 값은 FRad1 공식 2에 있을 것입니다.
- + 1 사이 전자 필드 DC control2 설정 및 + 5 볼트 또는-1-5 볼트 드롭 위쪽으로 이동 있도록. 드롭릿에 새로운 위치에 지금 이다입니다. 작은 물방울 단계 1.5.2에서에서 지적으로 그것의 원래 위치에 다시 될 때까지 천천히 레이저 힘을 줄일 수 있습니다. 새로운 레이저 힘 (FRad2)를 적어 둡니다.
드롭릿에 손실 된 경우 Drops2 를 확인 하 고 단계 1.2.4에서에서 다시 시작. - 다음 절차를 사용 하 여 요금을 계산 하. 첫째, 전기 분야에서 힘을 계산:
(2) - 식을 사용 하 여 절대 충전 확인
(3)
여기 d 는 전극 사이의 거리 이며 U 는 적용 된 전압.
(1)
(2)
(3)2. 원격 실험 프로토콜
- 액세스할 원격 실험실.
- 웹 브라우저에 웹 페이지 UNILabs 열: https://unilabs.dia.uned.es/
- 필요한 경우 원하는 언어를 선택 합니다. 옵션 헤더 아래의 메뉴의 첫 번째 항목에서 발견 된다.
- 다음 데이터를 사용 하 여 로그인:
사용자 이름: 테스트
비밀 번호: 테스트
참고: 웹 페이지의 뉴스 및 정보에 따라 로그인 프레임이입니다. - 로그인 영역 옆 코스 영역에서 왼쪽 예테보리 대학 (서울)의 로고를 클릭 합니다.
- 광 공중 부양 이 실험의 자료에 액세스 하려면 클릭 하십시오.
- 액세스 원격 실험실의 광학 공중 부양에 클릭 하 여 원격 실험실. 그 후, 되도록 웹 페이지 표시 그림 8과 같이 원격 실험실의 사용자 인터페이스의 주요 프레임.
- 광 공중 부양 실험실에 연결 합니다.
참고: 모든 지침 여기 그림 8을 참조 하십시오.- 연결 버튼 클릭 합니다. 연결에 성공한 경우 단추 텍스트는 연결로 변경 됩니다.
참고: 사용자가 원격 실험실에 연결, 그것은 주변 지역에서 다른 사람을 경고 하는 누군가가 전원이 되며 레이저를 원격으로 조작 하는 음향 신호에서. - 방울을 추적 에 클릭 하 고 PSD 데이터 수신 확인.
참고:이 시점에서 캡처한 아무 방울으로 얻은 값 관계가 없습니다. - 설치의 모든 요소를 식별할 일반적인 보기 클릭: 레이저, 물방울 디스펜서, 트래핑 셀 및 PSD.
- 연결 버튼 클릭 합니다. 연결에 성공한 경우 단추 텍스트는 연결로 변경 됩니다.
- 드롭릿 함정.
참고: 모든 지침 여기 그림 8을 참조 하십시오.- 원격 실험실 연결 되 면 시각화 피펫으로 드롭릿 디스펜서 노즐을 방울 트래핑 버튼 클릭 합니다.
- 레이저에 연결할 레이저 설정 버튼 클릭 합니다.
참고: 레이저 시작 수동으로 그리고 악기의 나머지는 별도로 그것은 올바르게 정렬 되지 경우 환경을 손상 시킬 수 있기 때문에. - 레이저 파워 레이저 설정 버튼 아래 위치 제어 스트립의 1 분기 주위를 설정 합니다. 녹색 표시등이 표시 될 때까지 기다립니다.
- 레이저 맞춤을 확인 하십시오.
참고: 레이저 올바르게 정렬 하는 경우 얇은 녹색 빛 빔 것입니다 볼 수 있습니다. 그렇지 않으면, 흩어져 녹색 자리 인식 될 것 이다. 잘못 된 정렬의 경우 시스템을 종료 하 고 실험실 유지 보수 서비스에 문의 하십시오. 유지 보수 서비스, 연설 거품을 나타내는 아이콘을 클릭 UNILabs 웹 페이지의 왼쪽된 위 모퉁이에 있습니다. 다음 관리자 사용자 메시지에 클릭 하 고 문제를 설명 하는 하단에 메시지 보내기를 누릅니다. 이 일반적으로 발생 하지 않습니다, 때문에 모든 광학 고정 됩니다. - 레이저 파워 바의 3/4를 증가.
참고: 60%의 전력 (550 mW)는 물방울을 유지을 충분히 부상. - 드롭릿 디스펜서를 켜려면 시작 삭제 버튼을 누릅니다.
- 웹캠 이미지를 시청 하 고 플래시 제작 될 때까지 기다립니다. 그 순간, 물방울 점령 되었습니다. 웹캠 이미지를 다시 확인 하 고 물방울은 트래핑 셀의 가운데에 뜨는 서핑을 확인 합니다. 드롭릿 디스펜서를 방울 중지 단추를 누릅니다.
참고: 필요한 경우, 그것은에서 그들의 몇 가지 그들이 이미 캡처 하나 병합 기다리고 더 큰 작은 물방울을 얻을 수 있습니다. 그것은 명심 하는 경우 몇 가지 필요는 잡 았, 작은 물방울 질량 증가 있도록 레이저 전원 부상 그것을 유지 하기에 충분 하지 않을 수 있습니다.
- 물방울의 크기를 결정 합니다.
참고: 모든 명령을 여기 그림 9를 참조 하십시오.- 갇혀 방울에 의해 형성 된 회절 패턴 관찰을 방울 크기 조정 단추를 누릅니다.
- 체험 실험 프로토콜 (1.3 단계) 회절 패턴에 의하여는 물방울의 크기를 결정 하려면와 동일한 절차를 따릅니다.
- 작은 물방울 충전 극성을 결정.
참고: 모든 명령을 여기 그림 10을 참조 하십시오.- PSD 그래프와는 피 펫의 웹캠 보기 볼 방울 추적 버튼 클릭 합니다.
- 사용자 인터페이스의 왼쪽 아래에 있는 전기 필드 탭을 클릭 하십시오.
- 100 V DC 전압을 설정 합니다. 이렇게 하려면 DC (V) 라벨의 오른쪽에 숫자 필드를 클릭 하 고 값 100을 입력 합니다.
- 방울의 위치를 보여주는 PSD 그래프를 확인 하 고 여부는 물방울 이동 위쪽으로 또는 아래쪽으로 전기 분야에 적용 합니다.
참고: 플레이트의 극성 배열 된다 그래서 긍정적인 전압을 적용 하는 경우 부정 청구 물방울 아래쪽으로 이동 합니다 및 긍정적으로 위탁 된 작은 물방울은 위쪽으로 이동 합니다. - 지금의 전기 분야는 작은 물방울; 반대 방향에서 이동 값을 변경 이 위해 DC (V) 숫자 필드에-100을 입력 합니다.
- 작은 물방울의 책임을 결정 합니다.
참고: 모든 명령을 여기 그림 10을 참조 하십시오.- 데 갇혀 방울, 방울 추적 보기를 클릭 하십시오.
- 전기 분야 메뉴를 선택 합니다.
- DC 전기 분야 DC (V) 숫자 필드를 0으로 설정 합니다.
- 견적 및 차트에 의해 주어진 물방울 위치의 평균 값 고 레이저 전력 합니다.
- DC 전기 분야 + V 500와 방울의 위치를 변경할 수 있도록-500 V 사이의 값으로 설정 합니다.
- 감소 또는 드롭릿에 그것의 원래 위치에 다시 때까지 슬라이더 레이저 파워 증가 하 고 레이저 힘의 새로운 값을 적어 둡니다.
- 1.5.5 드롭릿 요금 계산 단계에서 설명 하는 절차를 따릅니다.
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Representative Results
레이저 빔 정렬 잘 되 고 바닥판은 깨끗, 방울 거의 즉시 갇혀 있습니다. 드롭릿 갇혀 때 그것 머물 수 함정에 몇 시간 동안 충분 한 조사를 위한 시간을 주는. 작은 물방울의 반지름 r 25 ≤ r ≤ 35 μ m의 범위 이며 충전 1.1x10-17 ±1.1 x10-18 C와 5.5x10-16 ±5.5 x10-17 C. 사이 측정 되었다 우리의 측정, 일정 시간이 지남에, 방울의 크기를 유지 하지만 충전 됩니다 천천히 확산, 전기 분야를 적용 하는 경우는 물방울의 위치에서 작고 작은 반응을 주는. 이 사용자 경우 그 또는 그녀가 충분히 참을성 같은 물방울에 다른 요금을 측정 하는 기회를 제공 합니다.
원격 실험실 쉬운 자바/자바 시뮬레이션7 를 사용 하 여 개발 된 고8UNILabs 웹사이트 통해 액세스할 수 있습니다. 실험실의 로컬 제어 소프트웨어에 관해서는 그것은 제어 소프트웨어 프로그램을 사용 하 여 개발 되었습니다. 원격 및 로컬 소프트웨어의 연결, 널리 테스트 작업 디 카오스 외 의 다음 개발 되었습니다. 9. 광학 방울 뜨기 두 기둥에 기반 원격 실험실을 만드는 아이디어: 1) 수 있도록 세계의 다른 부분에서 함께 작동 하도록 고 2) 물리학 실험의이 종류를 사용할 수 있도록 하려면이 설치 하지 않은 연구자 학생입니다.
로컬 및 원격으로 환경을 광범위 하 게 테스트 되었습니다 연구 작업을 지원. 그것은 보였다 드롭릿 캡처 2 초, 1 분 사이 걸릴 수 있습니다. 이 변화는 피 펫 청소 및 레이저 맞춤 때문입니다. 이러한 이유로, 유지 보수의 작은 금액을 제대로 작동 하려면 실험실 수 있도록 매일 수행 됩니다. 드롭릿에 체포 되어, 일단 절반 이상 1 시간, 도달 시간의 오랜 기간 동안 뜨는 서핑 견딜 수 있는 시스템을 제공 하는 모든 작업을 수행 하기에 충분 한 기간. 여러 상품을 축소 하 고 갇혀 있을 사실 하면 신속 하 게 붕괴, 두 방울 결과에 차이로 대량 및 전기 요금의 계산에 관련 된 프로토콜의 수정 확인 하 고 한 방울 더 그들은 단지 다른 순간에의 독특한 방울 두 개를 비교 보다 뜻깊은. 또한, 안정성과 환경을 갖추었을 주어진, 그것은 새로운 계측을 추가 하 고 새 기능 활성화에 대 한 기준 역할. 이 사실의 예로 분석, 광학 공중 부양의 현상에 방사성 샘플의 영향 연구, 예테보리 대학에서 현재 실시 되 고 있습니다.
많은 학생 들이 경험의이 유형의 액세스를 허용 하는 유일한 효과적인 방법은 주로 보안상의 이유로 원격 실험실을 통해서이다. 또한, 연구와 같은 그 Lundgren의 외. 보여줍니다 원격 실험실 작업의 학생의 경험으로 전통적인 실험실10의 유용 하다. 환경 젊은 학생 들을 어떻게 레이저 빔을 효과적으로 문제를 뜨게 관찰 하 여 광학 공중 부양의 개념을 발견할 수 있습니다. 교사는 물방울의 극성을 공부 하 여 학생 들에 게 전기 요금을 소개 또한 수 있습니다. 더 많은 고급 학생 들, 계산은 방울의 질량과 요금에에서 포함 될 수 작업 프로토콜.
이 연구소는 국제 학위 (IB) 디플로마 프로그램 (www.ibo.org)에서 학생 들과 함께 함 스타드, 스웨덴, 물리학 클래스에서 사용 되었습니다. 교사 뒤 2 단계에서에서 설명한 원격 프로토콜. 경험, 후 학생 그들 환경, 측정 했다, 그들은 배운 했다, 기본 물리적 개념 및 혜택 및 단점 그들은 원격 실험실을 사용 하 여 인식에 대 한 질문으로 인터뷰를 했다. 전반적으로, 학생 이해 과정과 뒤, 방울의 크기를 계산 갇혀 드롭의 실제 크기에 가까운 결과 얻기. 그들은 고성능 레이저를 사용 하 여 관련 된 위험을 이해 하 고 일부 제안 더 나은 카메라 구입 등 증강된 현실 요소를 포함 하 여 실험의 시각화를 개선 추가.
그림 1: 원격 실험실 실험의 건축. 인터넷 사용자는 그들의 컴퓨터 또는 모바일 장치를 사용 하 여 UNILabs 웹 페이지에 연결 합니다. 웹 환경 원격 실험실 실험을 원격으로 작동 하도록 허용 하는 자바 응용 프로그램을 제공 합니다. 이 응용 프로그램은 JIL 서버 미들웨어, 자바 애플리케이션과 LabVIEW 프로그램 간의 통신을 통해 실험실에 있는 컴퓨터에 연결 합니다. 마지막으로, 실험실 컴퓨터는 필요한 DAQ 카드와 LabVIEW 프로그램을 사용 하 여 실험적인 체제와 통신 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: LabView 프로그램: 구성 패널. LabView 프로그램에 구성 탭에 레이저에 고 방울을 시작 하 여 실험을 시작 하기 위한 실습 모드 실험에 사용 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: LabView 프로그램: 실행 패널. LabView 프로그램에 구성 탭 갇혀 방울의 요금을 결정 하기 위한 실습 모드 실험에 사용 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: 실험적인 체제의 세부 사항. 드롭릿 디스펜서 하단, 웹 카메라, 그리고 이미지, 중간에 셀의 위쪽에 표시 됩니다. A: 편지 번역 단계 셀 내부 디스펜서의 위치를 조정 하는 데 사용. 편지 b: PSD가 갇힌된 방울을 인식 하는 데 사용 하는 렌즈. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5: 뜨는 서핑 갇혀 방울. 이미지에서 설치의 셀 안에 뜨는 서핑 방울 중 하나를 볼 가능 하다. 녹색 컬러 레이저 때문 이며 한 두 점 보는 사실은 드롭릿에 셀의 유리에 반영 됩니다. 이 경우에, 위 포인트 반사 이며 낮은 점은 방울. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6: 전기 분야를 적용 하기 위한 전극 구성. 작은 물방울에 전기 분야를 적용 하기 위한 실험 설정. 긍정적인 전압을 적용 하면 부정적인 충전된 방울 아래쪽으로 이동 합니다 고 방울 양 전을 위쪽으로 이동 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 7: 방울의 결정. 광학 levitated 물방울의 절대 요금을 결정 하는 절차의 도식 밑그림. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 8: 원격 실험실 인터페이스: 드롭릿 트래핑. 원격 실험, 물방울을 트랩 하이 웹 응용 프로그램 인터페이스를 사용 합니다. 갇혀 방울 뿌려 진된 빛으로 인해 실험실 웹캠에서 제공 하는 이미지에서 볼 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 9: 원격 실험실 인터페이스: 물방울 크기. 원격 실험에서이 웹 응용 프로그램 인터페이스는 갇혀 방울의 크기를 결정 하는 데 사용 됩니다. 회절 패턴 랩 웹캠에 의해 표시 되 고 규모 갇혀 방울의 크기를 결정 하는 사용자를 허용 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 10: 원격 실험실 인터페이스: 전기 분야를 적용. 원격 실험에서이 웹 응용 프로그램 인터페이스는 갇혀 방울에 전기 분야를 적용 하는 데 사용 됩니다. 이 예제에서는 200 V AC 전기 분야 적용 됩니다. 실험실 PSD 신호 오른쪽에 그래프에 나타나고 그것은 전기 분야에 따라 물방울의 진동 운동은 t 주위에 적용 된 변경 = 10 미 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
| 레이저 클래스 | 가능한 부상 |
| 클래스 1 | 정상 작동 중 어떤 상해 든 지 일으키는의 불능 |
| 클래스 1 분 | 없는 광학 수집가 사용 하는 경우 부상의 모든 종류를 일으킬 하지 않습니다. |
| 클래스 2 | 0.25에 부상 하지 않게 보이는 레이저 s |
| 클래스 2 분 | 없는 광학 수집가 사용 하는 경우 그들은 0.25에서 상해를 일으키는 수 있는 s. |
| 클래스 3 라운드 | 약간 보기; intrabeam에 대 한 안전 하지 않은 5 번 클래스까지 2 제한 표시 lasers 또는 5 번 눈에 보이지 않는 레이저의 클래스 1 제한 |
| 클래스 3B | 직접 비전, 일반적으로 하지는 눈 위험 확산 비전 눈 위험 |
| 클래스 4 | 둘 다 직접 및 흩어져 노출에 대 한 눈과 피부 위험 |
표 1: 레이저 분류 요약. 시장에 다른 레이저 들의 자극성에 따르면 분류 될 수 있다 그리고 그들의 사용에 관련 된 위험. 표에서 다양 한 유형의 레이저 (왼쪽된 열) 사용 가능 하 고 (오른쪽 열)에 그들의 잠재적인 위험.
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Discussion
이 작품 방울은 부상 광학 현대 물리 실험 수행에 대 한 설정을 제공 합니다. 실험은 전통적인 실습 방법으로 또는 원격으로 수행할 수 있습니다. 원격 시스템 설립, 학생 및 전세계 연구원 실험 설정에 대 한 액세스를 얻을 수 있습니다. 이후 그들은 고 출력 레이저와 실험에 필요한 전기 분야의 존재에 있이 필요가 없습니다이 또한 사용자의 안전을 보장 합니다. 또한, 사용자가 작용할 수 있습니다 계측 아주 간단한 방법으로, 설정의 자동화로 인해 컴퓨터를 통해 높은 수준의 명령을 전송 하 여. 실무 절차에 비해, 원격 실험 매우 비슷한 경험을 제공 합니다. 이후 절대 요금의 계산에 큰 영향, 방울의 크기를 얻는 제시 하는 실험의 키 포인트 중 하나. 세 가지 다른 방법 크기, 결정 하는 데 사용 되었습니다 그리고 그들은 모두 아주 잘 동의: (1) (2) 수직 전기 분야와 방울 진동 사용 하는 전기의 위상 차이 (회절 패턴을 사용 하 여) 설명 하는 방법을 필드 및 위치 및 (3) 카메라와 화면에 물방울의 그림자를 시각화 하는 크기를 결정 합니다. 설치 또한 진공에서 연구 갇혀 방울에 대 한 준비 되고있다. 드롭릿에 공중에 갇혀 먼저 다음 셀을 포함 하 고 공기 제거 됩니다. 이 방법에서는, 그것은 진공에 갇혀 방울의 속성을 조사 수. 있습니다
제시 원격 연구소 및 마이크로미터 크기의 유 전체 입자의 크기는 결정할 수 있습니다. 설치 프로그램의 추가 개발 마이크로미터 크기의 작은 물방울 충돌 고속 카메라11를 사용 하 여 공부 하는 방법을 제공 했다. 점으로 실험 설정 그것12Sagnac 간섭계 사용 하 여 입자의 위치를 추적 하는 중요 한 방법으로 조사 되었습니다. 우리의 방법은 충전 및 물방울 하나 하나 크기를 가져오는 데 사용 됩니다. 그래서 그것은 주로 하나의 물방울을 사용 하는 도구 측정을 수행 하려면 꽤 시간이 걸릴. 목표는 좋은 통계 경우 많은 수의 작은 물방울의 캡처, 다른 메서드는 Polat13에 의해 제시 하는 방법 등 더 나은.
측정 하면, 드롭릿에 출시 되 고 불행히도 더러운 바닥 유리를 만드는 셀의 아래쪽에 가져갈. 이것은 장기 제약 레이저 빛 뿌 릴 수 있다, 다음 방울을 트랩 하기 어렵게 만들기 때문입니다. 그러나, 그것은 쉽게 셀의 정기 청소로 해결 된다.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
이 작품은에 의해 지원 되었습니다 스웨덴 연구 위원회, 칼 Trygger´s 재단 과학 연구와 경제와 경쟁력의 스페인어 사역에 대 한 프로젝트 CICYT DPI2014 55932-c 2-2-. 셔 서 Sannarpsgymnasiet 덕분에 우리는 학생 들과 함께 RL를 보십시오.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| GEM 532 | Laser Quantum | Green laser with adjustable power between 50 mW and 2 W | |
| Lateral Effect Position Sensor | THOR Lab | PDP90A | PSD to sensor the position of the droplet in the pipette |
| Advanced Educational Spectrometer Kit, Metric | THOR Lab | EDU-SPEB1/M | Mirrors and other elements to control the laser beam |
| Pipette | Self made | The chamber were the droplet is trapped was specially made for this setup | |
| AC/DC Power supply | Keithley Instruments, Inc. | 2380-500-30 | A power supply to generate the electric field (0V - 500V DC) |
| Power Distribution Unit | APC | AP7900 | A PDU to remotelly connect the lab instrumentation |
References
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