Bezpieczne eksperymenty z lewitacją optyczną naładowanych kropel przy użyciu zdalnych laboratoriów

Podsumowanie

Lewitacja optyczna to metoda lewitacji obiektów dielektrycznych o rozmiarach mikrometra za pomocą światła laserowego. Wykorzystując komputery i systemy automatyki, eksperyment dotyczący lewitacji optycznej może być sterowany zdalnie. Prezentujemy tutaj zdalnie sterowany system lewitacji optycznej, który wykorzystywany jest zarówno w celach edukacyjnych, jak i badawczych.

Streszczenie

Praca przedstawia eksperyment, który pozwala na badanie wielu podstawowych procesów fizycznych, takich jak ciśnienie fotonów, dyfrakcja światła czy ruch naładowanych cząstek w polach elektrycznych. W tym eksperymencie skupiona wiązka laserowa skierowana do góry lewituje kropelki cieczy. Kropelki unoszą się w powietrzu pod wpływem ciśnienia fotonów skupionej wiązki laserowej, która równoważy siłę grawitacji. Wzór dyfrakcyjny powstający podczas oświetlenia światłem laserowym może pomóc w zmierzeniu wielkości uwięzionej kropli. Ładunek uwięzionej kropli można określić, badając jej ruch po przyłożeniu pionowo skierowanego pola elektrycznego. Istnieje kilka powodów, dla których eksperyment ten powinien być zdalnie sterowany. Inwestycje wymagane do założenia przekraczają kwotę normalnie dostępną w laboratoriach dydaktycznych na studiach licencjackich. Eksperyment wymaga lasera klasy 4, który jest szkodliwy zarówno dla skóry, jak i oczu, a w eksperymencie wykorzystuje się napięcia, które są szkodliwe.

Wprowadzenie

Fakt, że światło przenosi pęd, został po raz pierwszy zasugerowany przez Keplera, kiedy wyjaśnił, dlaczego warkocz komety zawsze jest skierowany w stronę przeciwną do Słońca. Użycie lasera do przemieszczania i uwięzienia obiektów makroskopowych zostało po raz pierwszy opisane przez A. Ashkina i J. M. Dziedzica w 1971 roku, kiedy wykazali, że możliwe jest lewitowanie obiektów dielektrycznych o rozmiarach mikrometrów¹. Uwięziony obiekt został wystawiony na działanie skierowanej w górę wiązki laserowej. Część wiązki laserowej została odbita od obiektu, co nałożyło na niego ciśnienie promieniowania, które było wystarczające, aby zrównoważyć grawitację. Większość światła została jednak załamana przez obiekt dielektryczny. Zmiana kierunku padania światła powoduje odrzut obiektu. Efektem netto odrzutu cząstki umieszczonej w profilu wiązki Gaussa jest to, że kropla przesunie się w kierunku obszaru o najwyższym natężeniu światła². W związku z tym stabilna pozycja pułapki jest tworzona w środku wiązki laserowej w pozycji nieco powyżej punktu ogniskowego, w którym ciśnienie promieniowania równoważy grawitację.

Ponieważ metoda lewitacji optycznej pozwala na uwięzienie i kontrolowanie małych obiektów bez kontaktu z jakimikolwiek obiektami, różne zjawiska fizyczne mogą być badane za pomocą lewitującej kropli. Eksperyment ma jednak dwa ograniczenia, które należy powielić i zastosować w szkołach lub na uniwersytetach, ponieważ nie wszystkie instytucje mogą sobie pozwolić na wymagany sprzęt i ponieważ istnieje pewne ryzyko związane z ręczną obsługą lasera.

Zdalne laboratoria (RL) oferują zdalny dostęp online do prawdziwego sprzętu laboratoryjnego do działań eksperymentalnych. RL pojawiły się po raz pierwszy pod koniec lat 90., wraz z pojawieniem się Internetu, a ich znaczenie i zastosowanie rosło z biegiem lat, wraz z postępem technologii i rozwiązaniem niektórych z ich głównych problemów³. Jednak rdzeń RL pozostał taki sam z biegiem czasu: korzystanie z urządzenia elektronicznego z dostępem do Internetu w celu uzyskania dostępu do laboratorium oraz kontrolowania i monitorowania eksperymentu.

Ze względu na ich zdalny charakter, RL mogą być używane do oferowania użytkownikom eksperymentalnych działań bez narażania ich na ryzyko, które może być związane z realizacją takich eksperymentów. Narzędzia te pozwalają uczniom spędzać więcej czasu na pracy ze sprzętem laboratoryjnym, a tym samym rozwijać lepsze umiejętności laboratoryjne. Inne zalety RL to to, że 1) ułatwiają osobom niepełnosprawnym wykonywanie prac eksperymentalnych, 2) rozszerzają katalog eksperymentów oferowanych studentom poprzez udostępnianie RL między uczelniami oraz 3) zwiększają elastyczność w planowaniu pracy laboratoryjnej, ponieważ można ją wykonywać z domu, gdy laboratorium fizyczne jest zamknięte. Wreszcie, RL oferują również szkolenia w zakresie obsługi systemów sterowanych komputerowo, które w dzisiejszych czasach są ważną częścią badań, rozwoju i przemysłu. W związku z tym RL nie tylko oferują rozwiązanie zarówno problemów finansowych, jak i bezpieczeństwa, które przedstawiają tradycyjne laboratoria, ale także zapewniają bardziej interesujące możliwości eksperymentalne.

Dzięki eksperymentalnemu zestawowi użytemu w tej pracy, możliwe jest zmierzenie wielkości i ładunku uwięzionej kropli, zbadanie ruchu naładowanych cząstek w polach elektrycznych i przeanalizowanie, jak źródło radioaktywne może być użyte do zmiany ładunku na kropli⁴.

W przedstawionym eksperymentalnym układzie, potężny laser jest skierowany w górę i skupiony na środku szklanej komórki⁴. Laser jest laserem na ciele stałym (CW) pompowanym diodą o mocy 2 W i długości fali 532 nm, w którym zwykle stosuje się około 1 Watt (W). Ogniskowa obiektywu pułapkowego wynosi 3,0 cm. Kropelki są generowane za pomocą dozownika kropel piezoelektrycznych i opadają przez wiązkę laserową, aż zostaną uwięzione tuż nad ogniskiem lasera. Uwięzienie występuje, gdy siła od ciśnienia promieniowania skierowanego w górę jest równa sile grawitacji skierowanej w dół. Nie przestrzega się górnego limitu czasowego dla odłowu przy użyciu pułapki. Najdłuższy czas, w którym kropla była uwięziona, to 9 godzin, po czym pułapka została wyłączona. Interakcja między kroplą a polem laserowym wytwarza wzór dyfrakcyjny, który służy do określenia wielkości kropel.

Kropelki emitowane z dozownika składają się z 10% glicerolu i 90% wody. Część wodna szybko odparowuje, pozostawiając w pułapce kroplę glicerolu o wielkości od 20 do 30 μm. Maksymalny rozmiar kropli, którą można uwięzić, wynosi około 40 μm. Po około 10 s nie obserwuje się parowania. W tym momencie oczekuje się, że cała woda wyparowała. Długi czas wychwytywania bez zauważalnego parowania wskazuje, że absorpcja jest minimalna i że kropla zasadniczo ma temperaturę pokojową. Napięcie powierzchniowe kropel sprawia, że są one kuliste. Ładunek kropelek generowanych przez dozownik kropel zależy od warunków środowiskowych panujących w laboratorium, w którym najczęściej ulegają one naładowaniu ujemnemu. Górna i dolna część celi pułapki składa się z dwóch elektrod umieszczonych w odległości 25 mm od siebie. Mogą być używane do nakładania pionowego pola prądu stałego (DC) lub prądu przemiennego (AC) na kroplę. Pole elektryczne nie jest wystarczająco silne, aby wytworzyć jakiekolwiek łuki, nawet jeśli na elektrody zostanie przyłożone 1000 woltów (V). Jeśli używane jest pole prądu stałego, kropla porusza się w górę lub w dół w wiązce laserowej do nowej stabilnej pozycji równowagi. Jeśli zamiast tego zostanie zastosowane pole prądu przemiennego, kropla oscyluje wokół swojego położenia równowagi. Wielkość oscylacji zależy od wielkości i ładunku kropli, od natężenia pola elektrycznego oraz od sztywności pułapki laserowej. Obraz kropli jest rzutowany na detektor czuły na położenie (PSD), który umożliwia użytkownikom śledzenie pionowej pozycji kropli.

Ta praca przedstawia udaną inicjatywę modernizacji nauczania i badań za pomocą technologii informacyjnych i komunikacyjnych poprzez innowacyjny RL na optycznej lewitacji naładowanych kropel, który ilustruje nowoczesne koncepcje w fizyce. Rysunek 1 pokazuje architekturę RL. Tabela 1 przedstawia możliwe obrażenia, jakie mogą powodować lasery, w zależności od ich klasy; W tej konfiguracji zastosowano laser klasy IV, który jest najbardziej niebezpieczny. Może pracować z promieniowaniem widzialnym lasera o mocy do 2,0 W, więc bezpieczeństwo zapewniane przez zdalne sterowanie jest wyraźnie odpowiednie dla tego eksperymentu. Lewitacja optyczna naładowanych kropel RL została przedstawiona w pracy D. Galana i wsp. w 2018⁵. W tej pracy pokazano, w jaki sposób może być ona wykorzystywana online przez nauczycieli, którzy chcą zapoznać swoich uczniów z nowoczesnymi koncepcjami fizyki bez konieczności martwienia się o koszty, logistykę czy kwestie bezpieczeństwa. Studenci uzyskują dostęp do RL za pośrednictwem portalu internetowego o nazwie University Network of Interactive Laboratories (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es), w którym mogą znaleźć całą dokumentację dotyczącą teorii związanej z eksperymentem i wykorzystaniem konfiguracji eksperymentalnej za pomocą aplikacji internetowej. Wykorzystując koncepcję zdalnego laboratorium, prace eksperymentalne z zakresu współczesnej fizyki, które wymagają kosztownego i niebezpiecznego sprzętu, mogą być udostępniane nowym grupom studentów. Co więcej, usprawnia formalne uczenie się, zapewniając tradycyjnym studentom więcej czasu laboratoryjnego i eksperymentów, które zwykle są niedostępne poza laboratoriami badawczymi.

Protokół

UWAGA: Laser użyty w tym eksperymencie to laser klasy IV, emitujący do 1 W widzialnego promieniowania laserowego. Wszystkie osoby przebywające w laboratorium laserowym muszą przejść odpowiednie szkolenie z zakresu bezpieczeństwa pracy z laserami.

1. Praktyczny protokół eksperymentalny

1. Bezpieczeństwo
   1. Należy upewnić się, że wszystkie osoby w laboratorium zostały poinformowane o uruchomieniu lasera.
   2. Włącz lampę ostrzegawczą przed laserem w laboratorium.
   3. Należy upewnić się, że nie nosi się zegarka ani metalowych pierścionków, a następnie założyć gogle laserowe.
   4. Należy sprawdzić, czy cztery ekrany pochłaniające światło, znajdujące się najbliżej układu doświadczalnego, są na swoim miejscu.
   5. Sprawdź, czy w przestrzeni między laserem a płytą absorbującą nie znajdują się żadne przeszkody. Upewnij się również, że przestrzeń między komorką pułapkową a blokadą wiązki jest wolna od obiektów.
2. Przygotuj oprogramowanie oraz eksperyment.
   1. Włącz komputer laboratoryjny. Odczekaj, aż będzie gotowy do pracy.
   2. Otwórz Zdalne uruchomienie folder z pulpitu i kliknij ikonę Main1806.viUruchom program, naciskając strzałkę w lewym górnym rogu.
      UWAGA: To otwiera program sterujący (np., LabVIEW) przedstawionych w Rycina 2 i Rysunek 3 oraz automatycznie włącza zarówno zasilacz lasera, jak i pole elektryczne. Wszystkie przyciski przywoływane w dalszej części tego rozdziału odnoszą się do tych widocznych na powyższych rysunkach.
   3. Pod nagłówkiem „zmienne EJS”, zaznacz pole wyboru o nazwie „Zdalna aktywacja lasera 2moc i zestawprąd lasera2do 25, tak aby suwak mocy lasera przesunięty w prawo wskazywał 25%. Za pomocą okularów do wyrównywania lasera sprawdź, czy wiązka trafia do pochłaniacza wiązki. W przeciwnym razie skoryguj położenie pochłaniacza wiązki.
   4. Sprawdź Drops2 i przesuń końcówkę dozownika kropel, aż krople zaczną wpadać w wiązkę lasera. Należy to zrobić poprzez regulację stolika translacyjnego oznaczonego literą A w Rycina 4W tym celu należy delikatnie obracać śruby napędowe u podstawy stolika przesuwnego, aż do osiągnięcia pożądanej pozycji.
      1. Jeśli krople nie wypływają, należy wywrzeć lekki nacisk na strzykawkę, aż na końcówce dozownika pojawi się kropla. Należy ją ostrożnie wytrzeć (końcówka jest delikatna) za pomocą papieru nasączonego acetonem. Krople powinny teraz zacząć wypływać. W takim przypadku należy powtórzyć procedurę od punktu 1.2.4.
   5. Zwiększ moc lasera do około 66% za pomocą Prąd lasera 2 pole wejściowe i uwięzić kroplę. Odznacz Drops2 niezwłocznie po uwięzieniu kropli.
      UWAGA: Rycina 5 przedstawia kroplę uchwyconą w środowisku eksperymentalnym. Dolna zielona kropka odpowiada rzeczywistej kropli, natomiast górna jest jej odbiciem w szkle komory, w której znajduje się kropla. Od tego momentu obraz uwięzionej kropli jest rejestrowany na PSD.
3. Wyznacz wielkość kropli.
   1. Reguluj moc lasera, aż pozycja PSD będzie jak najbliższa zeru.
      UWAGA: Ponieważ krople mogą zostać uwięzione poniżej lub powyżej poprzednich pozycji pułapkowania, w zależności od mocy lasera lub rozmiaru/masy, krok ten jest wykonywany w celu przesunięcia obrazu kropli do centrum PSD.
   2. Obserwuj wzór dyfrakcyjny powstały na ekranie (patrz Rycina 1). Zrób zdjęcie za pomocą kamery internetowej, która jest ustawiona tak, aby obserwować ekran od dołu.
      UWAGA: Wzór powstaje w wyniku dyfrakcji światła lasera na uwięzionej kropli.
   3. Na podstawie obrazu wyznacz odległości od linii oznaczonej numerem 1 do dwóch dowolnych minimów na obrazie. Odległość jest dodatnia, jeśli znajduje się ona dalej od kropli niż linia oznaczona numerem 1, w przeciwnym razie jest ujemna. Następnie do obu odległości dodaj 40 cm. Najkrótszą z nich nazwij a₁, oraz najdłuższy a₂Należy użyć równania 1, aby obliczyć rozmiar kropli:
      (1)
      gdzie, Proszę podać tekst do przetłumaczenia. jest odległością pionową od kropli do ekranu (Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia. = 23,5 cm), λ czy długość fali światła laserowego (λ = 532 nm) oraz Δn do obliczeń wykorzystuje się liczbę prążków (liczba całkowita) pomiędzy dwoma minimami.
      UWAGA: Gdy kropla jest obrazowana w środkowej części PSD, odległość (x) od kropli do ekranu wynosi 23,5 ± 0,1 cm. Bardziej szczegółowe wyjaśnienie tego procesu można znaleźć w pracy J. Swithenbanka. i wsp. ⁶.
4. Określ polaryzację ładunku kropli.
   1. Wybierz kartę uruchom po prawej stronie Zmienne EJS i ustawić Sterowanie prądem stałym pola elektrycznego 2 do +2 V (patrz Rysunek 3). Należy zachować ostrożność, ponieważ napięcie na elektrodzie wynosi obecnie 200 V.
      UWAGA: Polaryzację ładunku kropli określa się poprzez obserwację reakcji kropli na przyłożone pionowe pole elektryczne. Schemat aplikacji pola elektrycznego przedstawiono w Rycina 6
5. Wyznaczenie ładunku kropli
   UWAGA: Aby obliczyć ładunek kropli, konieczne jest najpierw zmierzenie jej wielkości. Następnie można określić masę kropli, ponieważ gęstość cieczy jest znana. Rycina 7 schematycznie przedstawia procedurę.
   1. Ustaw Kontrola prądu stałego pola elektrycznego 2 do zera.
   2. Oszacuj i zanotuj średnią wartość pozycji kropli za pomocą Normalizacja pozycji PSD ślad w Wykres przebiegu fali.
   3. Zanotuj wartość mocy lasera. Wartość ta będzie wynosić F_Rad1 w równaniu 2.
   4. Ustaw Sterowanie prądem stałym pola elektrycznego 2 od +1 do +5 V lub od -1 do -5 V tak, aby kropla przemieściła się w górę. Kropla znajduje się teraz w nowej pozycji. Powoli zmniejszaj moc lasera, aż kropla powróci do pozycji pierwotnej odnotowanej w kroku 1.5.2. Zapisz nową wartość mocy lasera (F_Rad2).
      W przypadku utraty kropelki należy sprawdzić Drops2 i rozpocząć ponownie od kroku 1.2.4.
   5. W celu obliczenia ładunku należy zastosować następującą procedurę. Najpierw należy obliczyć siłę wynikającą z pola elektrycznego:
      (2)
   6. Wyznacz ładunek bezwzględny, korzystając z wyrażenia
      (3)
      Tutaj d odległość między elektrodami a U jest przyłożonym napięciem.

2. Protokół eksperymentów zdalnych

1. Uzyskaj dostęp do laboratorium zdalnego.
   1. Otwórz stronę internetową UNILabs w przeglądarce internetowej: https://unilabs.dia.uned.es/
   2. W razie potrzeby wybierz preferowany język. Opcja ta znajduje się przy pierwszej pozycji menu pod nagłówkiem.
   3. Zaloguj się za pomocą następujących danych:
      Nazwa użytkownika: test
      Hasło: test
      UWAGA: Ramka logowania znajduje się poniżej sekcji aktualności i informacji wprowadzających na stronie internetowej.
   4. W obszarze kursu, obok sekcji logowania, kliknij lewym przyciskiem myszy logo Uniwersytetu w Göteborgurgu (GU).
   5. Kliknij w Lewitacja optyczna aby uzyskać dostęp do materiałów z tego eksperymentu.
   6. Uzyskaj dostęp do zdalnego laboratorium, klikając w Zdalne Laboratorium Lewitacji OptycznejNastępnie należy upewnić się, że w głównej ramie strony internetowej wyświetla się interfejs użytkownika zdalnego laboratorium, tak jak pokazano w Rysunek 8.
2. Połącz się z laboratorium lewitacji optycznej.
   UWAGA: Wszystkie poniższe instrukcje odnoszą się do Rycina 8.
   1. Kliknij w Połącz przycisk. Jeśli połączenie zostanie nawiązane pomyślnie, tekst na przycisku zmieni się na Połączone.
      UWAGA: W momencie połączenia użytkownika z laboratorium zdalnym emitowany jest sygnał akustyczny, który ostrzega osoby znajdujące się w najbliższym otoczeniu, że nastąpi zdalne włączenie i manipulacja laserem.
   2. Kliknij w Śledzenie kropel or sprawdź, czy dane PSD są odbierane.
      UWAGA: Ponieważ na tym etapie nie zarejestrowano żadnych kropel, otrzymana wartość nie jest istotna.
   3. Kliknij w Widok ogólny w celu zidentyfikowania wszystkich elementów układu: lasera, dozownika kropel, komory pułapkowej oraz PSD.
3. Uwięź kropelkę.
   UWAGA: Wszystkie instrukcje zawarte w niniejszym dokumencie odnoszą się do Rycina 8.
   1. Po połączeniu z laboratorium zdalnym kliknij Pułapkowanie kropli przycisk do wizualizacji pipety i dyszy dozownika kropel.
   2. Kliknij w Włącz laser przycisk służący do nawiązania połączenia z laserem.
      UWAGA: Laser jest uruchamiany ręcznie i niezależnie od pozostałych instrumentów, ponieważ nieprawidłowe ustawienie wiązki może doprowadzić do uszkodzenia otoczenia.
   3. Ustaw moc lasera w okolicy pierwszej ćwiartki paska kontrolnego, który znajduje się pod Włącz laser przycisk. Należy odczekać do momentu zapalenia się zielonej kontrolki.
   4. Sprawdź ustawienie lasera.
      UWAGA: Jeśli laser jest prawidłowo wyrównany, widoczna będzie cienka, zielona wiązka światła. W przeciwnym razie pojawi się rozproszona zielona plama. W przypadku nieprawidłowego wyrównania należy wyłączyć system i skontaktować się z serwisem technicznym laboratorium. Aby skontaktować się z serwisem, należy kliknąć ikonę dymka rozmowy znajdującą się w lewym górnym rogu strony internetowej UNILabs. Następnie należy kliknąć w Użytkownik administrator wiadomość, zapisz wiadomość na dole, opisując problem, a następnie naciśnij WyślijZazwyczaj nie ma to miejsca, ponieważ wszystkie elementy optyczne są zamocowane na stałe.
   5. Zwiększ moc lasera do 3/4 paska.
      UWAGA: Moc na poziomie 60% (550 mW) jest wystarczająca do pochwycenia kropli i utrzymania jej w lewitacji.
   6. Naciśnij Rozpocznij nakraplanie przycisk włączania dozownika kropel.
   7. Obserwuj obraz z kamery internetowej i czekaj, aż pojawi się błysk. W tym momencie kropelka została przechwycona. Ponownie sprawdź obraz z kamery i zweryfikuj, czy kropelka lewituje w centrum komory pułapkującej. Naciśnij Krople stopujące przycisk wyłączający dozownik kropli.
      UWAGA: Opcjonalnie można uzyskać większą kroplę, przechwytując kilka z nich i czekając, aż połączą się z kroplą już przechwyconą. Należy mieć na uwadze, że w przypadku przechwycenia kilku kropel ich masa wzrośnie, przez co moc lasera może okazać się niewystarczająca do utrzymania ich w lewitacji.
4. Wyznaczenie wielkości kropli.
   UWAGA: Wszystkie instrukcje zamieszczone tutaj odnoszą się do Rysunek 9.
   1. Naciśnij Pomiar wielkości kropli przycisk służący do obserwacji wzoru dyfrakcyjnego utworzonego przez uwięzioną kroplę.
   2. Postępuj zgodnie z tą samą procedurą, co w protokole eksperymentalnym (Krok 1.3), aby określić rozmiar kropli na podstawie wzoru dyfrakcyjnego.
5. Wyznaczanie polaryzacji ładunku kropli.
   UWAGA: Wszystkie instrukcje zawarte w tym dokumencie odnoszą się do Rycina 10.
   1. Kliknij w Śledzenie kropli przycisk służący do wyświetlenia wykresu PSD oraz obrazu z kamery internetowej skierowanej na pipetę.
   2. Kliknij w Pole elektryczne karta w lewym dolnym rogu interfejsu użytkownika.
   3. Ustaw napięcie DC na 100 V. W tym celu kliknij pole numeryczne po prawej stronie Napięcie stałe (V) należy oznaczyć i wprowadzić wartość 100.
   4. Sprawdź wykres PSD przedstawiający pozycję kropli i zaobserwuj, czy kropla porusza się w górę, czy w dół po przyłożeniu pola elektrycznego.
      UWAGA: Polaryzacja płytek jest tak dobrana, aby przy przyłożeniu dodatniego napięcia kropla naładowana ujemnie poruszała się w dół, a kropla naładowana dodatnio – w górę.
   5. Zmień teraz wartość pola elektrycznego i sprawdź, czy kropla porusza się w przeciwnym kierunku; w tym celu wprowadź -100 w polu DC (V) pole numeryczne
6. Wyznacz ładunek kropli.
   UWAGA: Wszystkie instrukcje zawarte w tym dokumencie odnoszą się do Rycina 10.
   1. Po uwięzieniu kropli kliknij w Śledzenie kropli widok
   2. Wybierz Pole elektryczne menu
   3. Ustaw prąd stały (DC) pola elektrycznego na zero za pomocą DC (V) pole numeryczne
   4. Oszacuj i zapisz średnią wartość położenia kropli podaną na wykresie oraz zanotuj moc lasera.
   5. Ustaw wartość elektrycznego pola stałego (DC) w zakresie od +500 V do -500 V, aby spowodować zmianę położenia kropli.
   6. Zmniejsz lub zwiększ moc lasera za pomocą suwaka, aż kropla powróci do swojej pierwotnej pozycji, a następnie zapisz nową wartość mocy lasera.
   7. Należy postępować zgodnie z procedurą opisaną w kroku 1.5.5, aby obliczyć ładunek kropli.

Wyniki

Gdy wiązka lasera jest odpowiednio wyrównana, a dolna płytka jest czysta, krople są przechwytywane niemal natychmiast. Przechwycona kropla może pozostawać w pułapce przez kilka godzin, co zapewnia wystarczająco dużo czasu na prowadzenie badań. Promień r kropli mieści się w zakresie 25 ≤ r ≤ 35 µm, a zmierzony ładunek wynosi od 1.1x10^-17 ±1.1x10^-18 C do 5.5x10^-16 ±5.5x10^-17 C. Zgodnie z naszymi pomiarami wielkość kropli pozostaje stała w...

Dyskusja

Niniejsza praca przedstawia układ do przeprowadzenia nowoczesnego eksperymentu fizycznego, w którym kropelki unoszą się optycznie w powietrzu. Eksperyment można przeprowadzić zarówno w tradycyjny sposób praktyczny, jak i zdalnie. Dzięki zdalnemu ustanowieniu systemu studenci i badacze z całego świata mogą uzyskać dostęp do zestawu eksperymentalnego. Gwarantuje to również bezpieczeństwo użytkowników, ponieważ nie muszą oni znajdować się w obecności lasera o dużej mocy i pól elektrycznych wymaganych do przeprowadzenia eksp...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
GEM 532	Laser Quantum Green Laser		regulowanej mocy od 50 mW do 2 W
Czujnik położenia efektu bocznego	THOR Lab	PDP90A	PSD do czujnika położenia kropli w pipecie
Zestaw zaawansowanego spektrometru edukacyjnego, metrycznego	THOR Lab	EDU-SPEB1/M	Lusterka i inne elementy do sterowania wiązką laserową
Pipeta	wykonana		Komora, w której uwięziona jest kropla, została specjalnie wykonana dla tej konfiguracji
Zasilacz AC/DC	Keithley Instruments, Inc.	2380-500-30	Zasilacz do generowania pola elektrycznego (0 V - 500 V DC)
Jednostka dystrybucji zasilania	APC	AP7900	Listwa zasilająca PDU do zdalnego podłączenia oprzyrządowania laboratoryjnego

o samodzielnie