광 공중 부양 청구 방울 사용 하 여 원격 실험실의 안전 실험

Engineering

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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.

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Galán, D., Isaksson, O., Enger, J., Rostedt, M., Johansson, A., Hanstorp, D., de la Torre, L. Safe Experimentation in Optical Levitation of Charged Droplets Using Remote Labs. J. Vis. Exp. (143), e58699, doi:10.3791/58699 (2019).

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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 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

  1. 안전
    1. 실험실에서 모두는 레이저 설정 될 것입니다 알고 있는지 확인 합니다.
    2. 실험실에서 레이저 경고 램프를 켭니다.
    3. 아무 시계 또는 금속 반지는 착용 하 고 레이저 고글에 확인 하십시오.
    4. 4 흡수 하는 보드, 실험에 가장 가까운 빛, 자리에 확인 하십시오.
    5. 레이저와 장애물에 대 한 흡수 보드 사이의 공간을 확인 합니다. 또한 트랩 셀과 빔 블록 사이의 공간 개체에서 무료 인지 확인 합니다.
  2. 소프트웨어와 실험 준비 합니다.
    1. 연구실 컴퓨터를 켭니다. 작동 준비가 될 때까지 기다립니다.
    2. 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.
    3. "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.
    4. 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.
      1. 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.
    5. 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.
  3. 물방울의 크기를 결정 합니다.
    1. 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.
    2. 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.
    3. 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.
      Equation 1(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.
  4. 방울의 책임의 극성을 확인 합니다.
    1. 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.
  5. 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.
    1. E-필드 DC control2 을 0으로 설정.
    2. 추정 하 고는 물방울의 위치에 대 한 평균 값 차트 파형PSD 정상화 위치 추적에 의해 합니다.
    3. 레이저 파워의 값 note 이 값은 FRad1 공식 2에 있을 것입니다.
    4. + 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.
    5. 다음 절차를 사용 하 여 요금을 계산 하. 첫째, 전기 분야에서 힘을 계산:
      Equation 2(2)
    6. 식을 사용 하 여 절대 충전 확인
      Equation 3(3)
      여기 d 는 전극 사이의 거리 이며 U 는 적용 된 전압.

2. 원격 실험 프로토콜

  1. 액세스할 원격 실험실.
    1. 웹 브라우저에 웹 페이지 UNILabs 열: https://unilabs.dia.uned.es/
    2. 필요한 경우 원하는 언어를 선택 합니다. 옵션 헤더 아래의 메뉴의 첫 번째 항목에서 발견 된다.
    3. 다음 데이터를 사용 하 여 로그인:
      사용자 이름: 테스트
      비밀 번호: 테스트
      참고: 웹 페이지의 뉴스 및 정보에 따라 로그인 프레임이입니다.
    4. 로그인 영역 옆 코스 영역에서 왼쪽 예테보리 대학 (서울)의 로고를 클릭 합니다.
    5. 광 공중 부양 이 실험의 자료에 액세스 하려면 클릭 하십시오.
    6. 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.
  2. 광 공중 부양 실험실에 연결 합니다.
    참고: 모든 지침 여기 그림 8을 참조 하십시오.
    1. 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.
    2. 방울을 추적 에 클릭 하 고 PSD 데이터 수신 확인.
      참고:이 시점에서 캡처한 아무 방울으로 얻은 값 관계가 없습니다.
    3. 설치의 모든 요소를 식별할 일반적인 보기 클릭: 레이저, 물방울 디스펜서, 트래핑 셀 및 PSD.
  3. 드롭릿 함정.
    참고: 모든 지침 여기 그림 8을 참조 하십시오.
    1. 원격 실험실 연결 되 면 시각화 피펫으로 드롭릿 디스펜서 노즐을 방울 트래핑 버튼 클릭 합니다.
    2. 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.
    3. 레이저 파워 레이저 설정 버튼 아래 위치 제어 스트립의 1 분기 주위를 설정 합니다. 녹색 표시등이 표시 될 때까지 기다립니다.
    4. 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.
    5. 레이저 파워 바의 3/4를 증가.
      참고: 60%의 전력 (550 mW)는 물방울을 유지을 충분히 부상.
    6. 드롭릿 디스펜서를 켜려면 시작 삭제 버튼을 누릅니다.
    7. 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.
  4. 물방울의 크기를 결정 합니다.
    참고: 모든 명령을 여기 그림 9를 참조 하십시오.
    1. 갇혀 방울에 의해 형성 된 회절 패턴 관찰을 방울 크기 조정 단추를 누릅니다.
    2. 체험 실험 프로토콜 (1.3 단계) 회절 패턴에 의하여는 물방울의 크기를 결정 하려면와 동일한 절차를 따릅니다.
  5. 작은 물방울 충전 극성을 결정.
    참고: 모든 명령을 여기 그림 10을 참조 하십시오.
    1. PSD 그래프와는 피 펫의 웹캠 보기 볼 방울 추적 버튼 클릭 합니다.
    2. 사용자 인터페이스의 왼쪽 아래에 있는 전기 필드 탭을 클릭 하십시오.
    3. 100 V DC 전압을 설정 합니다. 이렇게 하려면 DC (V) 라벨의 오른쪽에 숫자 필드를 클릭 하 고 값 100을 입력 합니다.
    4. 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.
    5. 지금의 전기 분야는 작은 물방울; 반대 방향에서 이동 값을 변경 이 위해 DC (V) 숫자 필드에-100을 입력 합니다.
  6. 작은 물방울의 책임을 결정 합니다.
    참고: 모든 명령을 여기 그림 10을 참조 하십시오.
    1. 데 갇혀 방울, 방울 추적 보기를 클릭 하십시오.
    2. 전기 분야 메뉴를 선택 합니다.
    3. DC 전기 분야 DC (V) 숫자 필드를 0으로 설정 합니다.
    4. 견적 및 차트에 의해 주어진 물방울 위치의 평균 값 고 레이저 전력 합니다.
    5. DC 전기 분야 + V 500와 방울의 위치를 변경할 수 있도록-500 V 사이의 값으로 설정 합니다.
    6. 감소 또는 드롭릿에 그것의 원래 위치에 다시 때까지 슬라이더 레이저 파워 증가 하 고 레이저 힘의 새로운 값을 적어 둡니다.
    7. 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 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.

Figure 1
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.

Figure 2
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.

Figure 3
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.

Figure 4
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.

Figure 5
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.

Figure 6
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.

Figure 7
그림 7: 방울의 결정. 광학 levitated 물방울의 절대 요금을 결정 하는 절차의 도식 밑그림. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 8
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.

Figure 9
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.

Figure 10
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.

Acknowledgements

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

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References

  1. Ashkin, A., Dziedzic, J. Optical levitation by radiation pressure. Applied Physics Letters. 19, 283-285 (1971).
  2. Roosen, G., Imbert, C. Optical levitation by means of two horizontal laser beams: A theoretical and experimental study. Physics Letters. 59, (1), 6-8 (1976).
  3. Heradio, R., de la Torre, L., Galan, D., Cabrerizo, F. J., Herrera-Viedma, E., Dormido, S. Virtual and remote labs in education: A bibliometric analysis. Computers & Education. 98, 14-38 (2016).
  4. Isaksson, O., Karlsteen, M., Rostedt, M., Hanstorp, D. An optical levitation system for a physics teaching laboratory. American Journal of Physics. 8810, 88-100 (2018).
  5. Galan, D., Isaksson, O., Rostedt, M., Enger, J., Hanstorp, D., de la Torre, L. A remote laboratory for optical levitation of charged droplets. European Journal of Physics. 39, (4), 045301 (2018).
  6. Swithenbank, J., Beer, J., Taylor, D., Abbot, D., Mccreath, G. A laser diagnostic technique for the measurement of droplet and particle size distribution. 14th Aerospace Sciences Meeting, Aerospace Sciences Meetings. (1976).
  7. Christian, W., Esquembre, F. Modeling physics with easy java simulations. The Physics Teacher. 45, 475-480 (2007).
  8. de la Torre, L., Sanchez, J., Heradio, R., Carreras, C., Yuste, M., Sanchez, J., Dormido, S. Unedlabs - an example of ejs labs integration into moodle. World Conference on Physics Education. (2012).
  9. Chaos, D., Chacon, J., Lopez-Orozco, J. A., Dormido, S. Virtual and remote robotic laboratory using ejs, matlab and labview. Sensors. 13, ISSN 1424-8220 2595-2612 (2013).
  10. Lundgren, P., Jeppson, K., Ingerman, A. Lab on the web-looking at different ways of experiencing electronic experiments. International journal of engineering education. 22, 308-314 (2006).
  11. Ivanov, M., Chang, K., Galinskiy, I., Mehlig, B., Hanstorp, D. Optical manipulation for studies of collisional dynamics of micron-sized droplets under gravity. Optics Express. 25, 1391-1404 (2017).
  12. Galinskiy, I., et al. Measurement of particle motion in optical tweezers embedded in a Sagnac interferometer. Optics express. 23, 27071-27084 (2015).
  13. Polat, M., Polat, H., Chander, S. Electrostatic charge on spray droplets of aqueous surfactant solutions. Journal of Aerosol Science. 31, 551-562 (2000).

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