Caja fuerte experimentación en levitación óptica de gotitas cargadas usando laboratorios remotos

Engineering

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Summary

Levitación óptica es un método para levitar objetos dieléctricos tamaño micrómetro utilizando luz láser. Utilizando equipos y sistemas de automatización, un experimento de levitación óptica puede ser controlado remotamente. Aquí, presentamos un sistema de levitación óptica controlado remotamente que es utilizado tanto para la educación y propósitos de investigación.

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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

La obra presenta un experimento que permite el estudio de muchos procesos físicos fundamentales, tales como presión del fotón, la difracción de la luz o el movimiento de partículas cargadas en campos eléctricos. En este experimento, un haz de láser centrado apuntando hacia arriba levitar gotitas líquidas. Las gotitas son levitación por la presión de fotones del haz láser enfocado que equilibra la fuerza gravitacional. El patrón de difracción creado cuando se ilumina con la luz del láser puede ayudar a medir el tamaño de una gota de atrapados. La carga de la gota atrapada puede determinarse mediante el estudio de su movimiento cuando se aplica un campo eléctrico dirigido verticalmente. Hay varias razones que motivan este experimento para controlar de forma remota. Las inversiones necesarias para la configuración superior a la normalmente disponible en laboratorios de docencia de pregrado. El experimento requiere un láser de clase 4, que es perjudicial para la piel y los ojos y el experimento utiliza tensiones que son perjudiciales.

Introduction

El hecho de que la luz lleva ímpetu primero fue sugerido por Kepler cuando explicó por qué la cola de un cometa apunta siempre lejos del sol. El uso de un láser para moverse y atrapar objetos macroscópicos primero fue divulgado por A. Ashkin y J. M. Dziedzic en 1971 cuando demostró que es posible levitar micrómetro de tamaño objetos dieléctricos1. El objeto atrapado fue expuesto a un ascendente dirigida de rayo láser. Parte del haz láser se refleja en el objeto que impone una presión de la radiación en lo que fue suficiente para contrarrestar la gravedad. La mayoría de la luz, sin embargo, fue refractada a través del objeto dieléctrico. El cambio de la dirección de la luz causa un retroceso del objeto.  El efecto neto de retroceso para una partícula en un perfil de rayo gausiano es que la gota se moverá hacia la región de máxima intensidad de la luz2. Por lo tanto, se crea una posición estable de la captura en el centro del haz láser en una posición ligeramente por encima el punto focal donde presión equilibra la gravedad.

Dado que el método de levitación óptica permite pequeños objetos a ser atrapado y controlado sin estar en contacto con los objetos, fenómenos físicos diferentes pueden estudiarse utilizando una gota de levitación. Sin embargo, el experimento presenta dos limitaciones para ser reproducido y aplicado en las escuelas o las universidades puesto que no todas las instituciones pueden permitirse el equipo necesario y hay ciertos riesgos en la operación práctica del láser.

Laboratorios remotos (RLs) ofrecen online acceso remoto a los equipos de laboratorio real para las actividades experimentales. RLs apareció por primera vez a finales de los años 90, con el advenimiento de Internet, y su importancia y su uso han ido creciendo con los años, como ha avanzado la tecnología y algunos de sus principales preocupaciones han sido resueltos3. Sin embargo, el núcleo de la RLs sigue siendo igual con el tiempo: el uso de un dispositivo electrónico con conexión a Internet para acceder a un laboratorio y control y seguimiento de un experimento.

Debido a su naturaleza remota, RLs pueden utilizarse para ofrecer actividades experimentales a usuarios sin exponerlos a los riesgos que pueden estar asociados con la realización de tales experimentos. Estas herramientas permiten que los estudiantes pasan más tiempo trabajando con equipos de laboratorio y por lo tanto, desarrollan mejores habilidades de laboratorio. Otras ventajas de RLs son que 1) facilitan para que personas con discapacidad a realizar trabajo experimental, 2) ampliar el catálogo de experimentos ofrecida a los estudiantes compartiendo RLs entre universidades y 3) aumentar la flexibilidad en la programación de trabajo de laboratorio, ya que puede realizarse desde casa cuando se cierra un laboratorio de físico. Por último, RLs también ofrecen capacitación en la operación de sistemas controlados por computadora, que hoy en día son una parte importante de la investigación, desarrollo e industria. Por lo tanto, RLs no pueden ofrecer sólo una solución a los problemas financieros y de seguridad que los laboratorios tradicionales presentan, pero también proporcionan oportunidades experimentales más interesantes.

Con el montaje experimental utilizado en este trabajo, es posible medir el tamaño y la carga de una gota de atrapados, investigar el movimiento de partículas cargadas en campos eléctricos y analizar cómo una fuente radiactiva se puede utilizar para cambiar la carga en la gotita4 .

En la configuración experimental presentada, un potente láser es dirigido hacia arriba y centrado en el centro de una celda de vidrio4. El láser es un 2 532 W nm diodo-bombeó el láser de estado sólido (CW), donde generalmente se utiliza alrededor de 1 vatio (W). La distancia focal de la lente de captura es gotitas de 3,0 cm. se generan con un dispensador de gota piezo y descienden por el rayo láser hasta que se encuentran atrapados justo encima del foco del laser. Captura se produce cuando la fuerza del ascendente dirigido a presión de la radiación es igual a la fuerza gravitacional dirigida hacia abajo. No hay ningún límite de tiempo observado para la captura. El tiempo más largo que una gota ha sido atrapada es 9 horas, después de eso, la trampa fue dado vuelta apagado. La interacción entre la gota y el campo del láser produce un patrón de difracción que se utiliza para determinar el tamaño de las gotas.

Las gotitas emitidas desde el dispensador consisten en 10% glicerol y el 90% de agua. La parte del agua se evapora rápidamente, dejando una gota de glicerol tamaño de 20 a 30 μm en la trampa. El tamaño máximo de una gota que puede quedar atrapado es el μm cerca de 40. No hay ninguna evaporación observada después de unos 10 s. En este punto, toda el agua se espera que hayan desaparecido. El tiempo de captura largo sin cualquier evaporación observable indica que hay una mínima absorción y que la gota es esencialmente a temperatura ambiente. La tensión superficial de las gotas son esféricas. La carga de las gotas generadas por el dispensador de gotas depende de las condiciones ambientales en el laboratorio, donde ellos más comúnmente ser cargados negativamente. La parte superior y la parte inferior de la celda de captura consiste en dos electrodos colocados 25 mm aparte. Pueden ser utilizados para aplicar a un campo de corriente alterna (CA) o corriente eléctrica vertical (continua) sobre la gota. El campo eléctrico no es lo suficientemente fuerte como para crear cualquier arcos aunque 1000 voltios (V) es aplicada sobre los electrodos. Si se utiliza un campo de DC, la gota se mueve hacia arriba o hacia abajo en el rayo láser a una nueva posición de equilibrio estable. Si en su lugar se aplica un campo de AC, la gota oscila alrededor de su posición de equilibrio. La magnitud de las oscilaciones depende el tamaño y la carga de la gota, la intensidad del campo eléctrico y en la rigidez de la trampa láser. Una imagen de la gota se proyecta sobre un detector sensible a posición (PSD), que permite a los usuarios rastrear la posición vertical de la gota.

Este trabajo presenta una exitosa iniciativa de modernización de la enseñanza y la investigación con tecnologías de información y comunicación a través de un innovador RL en levitación óptica de gotitas cargadas que ilustra conceptos modernos en la física. La figura 1 muestra la arquitectura de la RL. La tabla 1 muestra las posibles lesiones que pueden causar los láseres según su clase; En esta configuración, se ha utilizado un láser clase IV, que es el más peligroso. Puede operar con hasta 2.0 W de radiación láser visible, así la seguridad de la operación remota es claramente conveniente para este experimento. La levitación óptica de gotitas cargadas de RL fue presentado en la obra de D. Galán et al. en 20185. En este trabajo, se demuestra cómo puede utilizarse Internet por profesores que deseen presentar a sus alumnos a conceptos modernos de la física sin tener que preocuparse por los costos, la logística o las cuestiones de seguridad. Los estudiantes acceder a la RL a través de un portal de Internet llamado red de laboratorios interactivos de la Universidad (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) en que puede encontrar toda la documentación con respecto a la teoría relacionada con el experimento y el uso de lo experimental configuración por medio de una aplicación web. Utilizando el concepto de un laboratorio remoto, trabajo experimental en la física moderna que requiere equipo costoso y peligroso puede hacerse disponible a nuevos grupos de estudiantes. Además, mejora el aprendizaje formal al proporcionar a los estudiantes tradicionales con más tiempo de laboratorio y experimentos que normalmente son inaccesibles fuera de los laboratorios de investigación.

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Protocol

Nota: El láser utilizado en este experimento es un láser clase IV entrega hasta 1 W de radiación láser visible. Todo el personal presente en el laboratorio láser debe han realizado entrenamiento de seguridad de láser adecuada.

1. práctica protocolo Experimental

  1. Seguridad
    1. Asegúrese de que todos en el laboratorio están consciente de que un láser se encenderá.
    2. Encender la lámpara de advertencia de láser en el laboratorio.
    3. Verificar que no hay anillos reloj o metal usados y poner en las gafas de protección láser.
    4. Compruebe que los cuatro tableros, más cercanos a la experiencia que absorbe la luz, están en su lugar.
    5. Verificar el espacio entre el láser y la placa absorbente para obstáculos. Compruebe también que el espacio entre la celda de captura y el bloque de la viga está libre de objetos.
  2. Preparar el software y el experimento.
    1. Encienda el equipo de laboratorio. Espere hasta que esté listo para funcionar.
    2. Abra la carpeta de Inicio remoto desde el escritorio y haga clic en el icono Main1806.vi. Ejecute el programa presionando la flecha en la esquina superior izquierda.
      Nota: Esto abre el programa de control (por ejemplo, Labview) se muestra en la figura 2 y figura 3 y se enciende automáticamente la fuente de alimentación para el láser y el campo eléctrico. Todos los botones que se hace referencia en adelante en esta sección se refieren a los que aparecen en estas figuras.
    3. En "variables EJS", marque la casilla de verificación denominada "Enable2 distancia Laser" poder y "laser current2" a 25 para que la diapositiva de la energía de láser a la derecha termina en 25%. Observar el rayo láser utilizando anteojos de alineación láser para asegurarse de que el rayo termina en la descarga de rayo. Si no es así, ajuste la posición de la descarga del rayo.
    4. Comprobar Drops2 y mover la punta del dispensador de gotas hasta que las gotas caen en el rayo láser. Para ello, ajuste la fase de traducción marcada con la letra A en la figura 4. Para ello, suavemente gire los tornillos de conducción en la base de la etapa de la traducción hasta que se alcance la posición deseada.
      1. Si no vienen gotas, aplicar algo de presión en la jeringa hasta que aparezca una gota en la punta del dispensador. Limpie con cuidado (punta frágil) utilizando un papel con acetona. Las gotas deben comenzar ahora viene. Cuando esto ocurre, empezar de nuevo desde el punto 1.2.4.
    5. Aumentar la potencia del láser a cerca de 66% utilizando el láser actual 2 campo y trampa una gotita. Desactive el Drops2 tan pronto como una gota es atrapada.
      Nota: La figura 5 muestra una gotita en el ambiente experimental. El punto verde más baja corresponde a la verdadera gota, mientras que la superior es su reflejo en el cristal de la célula donde se encuentra la gota. A partir de este momento, será que la gota atrapada es ahora reflejada en el PSD.
  3. Determinar el tamaño de una gota.
    1. Ajuste la potencia del láser hasta que la posición de PSD es lo más cercana posible a cero.
      Nota: las gotas pueden quedar atrapadas por debajo o por encima de anteriores posiciones de captura, dependiendo de la potencia del láser o el tamaño/peso. Este paso se realiza para mover la imagen de la gota en el centro de la PSD.
    2. Observar el patrón de difracción creado en la pantalla (ver figura 1). Tome una foto con la cámara que se coloca para observar la pantalla de debajo.
      Nota: El patrón es causado por la luz láser difractada por la gota atrapada.
    3. Utilice el cuadro para determinar distancias de la línea marcan 1 o dos mínimos arbitrarios en la imagen. La distancia es positiva si está más lejos de la gota de la línea marcada 1, otro negativo. Luego, añadir 40 cm a ambas distancias. Llame a la menor a1y el más largo un2. Utilice la ecuación 1 para calcular el tamaño de la gota:
      Equation 1(1)
      donde, x es la distancia vertical desde la gota a la pantalla (x = 23,5 cm), λ es la longitud de onda de la luz laser (λ = 532 nm) y Δn es el número de franjas (entero) entre los dos mínimos utilizados en el cálculo.
      Nota: Cuando la gota se desliza en medio de la PSD es la distancia (x), de la gota a la pantalla de 23,5 ± 0,1 cm. Una explicación más detallada del proceso puede encontrarse en la obra de J. Swithenbank et al. 6.
  4. Determinar la polaridad de la carga de la gota.
    1. Elija la pestaña Ejecutar a la derecha de las variables EJS y establezca el campo eléctrico DC red2 + 2 V (ver figura 3). Tenga cuidado, ya que el voltaje en el electrodo es ahora de 200 V.
      Nota: La polaridad de la carga de la gotita se determina mediante la observación de cómo la gota responden a un campo eléctrico vertical. Un bosquejo de cómo se aplica el campo eléctrico puede verse en la figura 6
  5. Determinar la carga de la gota
    Nota: Para calcular la carga de la gota, es necesario primero medir el tamaño de la gota. El peso de la gota puede determinarse debido a que la densidad del líquido. Figura 7 describe esquemáticamente el procedimiento.
    1. Establezca el campo eléctrico DC red2 en cero.
    2. Estime y tenga en cuenta un valor promedio para la posición de la gota por el rastro de PSD normalizar posición en la Tabla de forma de onda.
    3. Tenga en cuenta el valor de la potencia del láser. Este valor será FRad1 en ecuación 2.
    4. Establecer el campo eléctrico DC red2 entre + 1 y + 5 voltios o -1 y -5 voltios para que la gota se mueve hacia arriba. La gota está ahora en una nueva posición. Poco a poco reducir la potencia del láser hasta que la gota esté en su posición original como se indica en el paso 1.5.2. Anote la nueva energía del laser (FRad2).
      Si la gota se pierde, compruebe Drops2 y comenzar de nuevo desde el paso 1.2.4.
    5. Utilice el siguiente procedimiento para el cálculo de la carga. En primer lugar, calcular la fuerza del campo eléctrico:
      Equation 2(2)
    6. Determinar la carga absoluta mediante la expresión
      Equation 3(3)
      Aquí d es la distancia entre los electrodos y U es la tensión aplicada.

2. Protocolo de experimentación control remoto

  1. Acceso a laboratorios remotos.
    1. Abrir Página Web de UNILabs en un navegador web: https://unilabs.dia.uned.es/
    2. Seleccione el idioma deseado, si es necesario. La opción se encuentra en el primer elemento del menú bajo la cabecera.
    3. Inicie la sesión con los siguientes datos:
      Nombre de usuario: prueba
      Contraseña: prueba
      Nota: El cuadro de inicio de sesión está bajo la información de noticias y la introducción de la Página Web.
    4. En el campo, junto a la zona de inicio de sesión, izquierda haga clic en el logo de la Universidad de Gotemburgo (GU).
    5. Haga clic en Levitación óptica para acceder al material de este experimento.
    6. Acceso al laboratorio remoto haciendo clic en el Laboratorio remoto de levitación óptica. Después de eso, asegúrese de que el marco principal de la página web muestra la interfaz de usuario del laboratorio, como se muestra en la figura 8.
  2. Conectar con el laboratorio de óptica de la levitación.
    Nota: Todas las instrucciones se refieren a la figura 8.
    1. Haga clic en el botón conectar . Si la conexión tiene éxito, cambiará el texto del botón a conectado.
      Nota: Cuando un usuario se conecta al laboratorio remoto, emite una señal acústica que advierte a otras personas en los alrededores que alguien encienda y manipular el láser de forma remota.
    2. Haga clic en seguimiento de gotitas y compruebe que los datos de la PSD está siendo recibidos.
      Nota: Como no hay gotas capturadas en este punto, el valor obtenido no es relevante.
    3. Haga clic en vista General para identificar todos los elementos de la instalación: el láser, el dispensador de gotas, la celda de captura y el PSD.
  3. Trampa de una gota.
    Nota: Todas las instrucciones se refieren a la figura 8.
    1. Una vez que el laboratorio está conectado, pulse el botón atrapar gotitas para visualizar la pipeta y la boquilla del dispensador de gotas.
    2. Haga clic en el botón de encender el láser para establecer la conexión con el láser.
      Nota: El láser se inicia manualmente e independientemente del resto de los instrumentos porque puede dañar el medio ambiente si no está correctamente alineado.
    3. Ajustar la potencia del láser en el primer trimestre de la tira de control, situado bajo el botón de encender el láser . Espere hasta que aparezca la luz verde.
    4. Verifique la alineación láser.
      Nota: Si el láser está alineado correctamente, se verá un haz fino de luz verde. De lo contrario, se percibirá una mancha verde dispersa. En caso de incorrecta alineación, apagar el sistema y en contacto con los servicios de mantenimiento de laboratorio. En contacto con los servicios de mantenimiento, haga clic en el icono que representa una burbuja del discurso, situado en la esquina superior izquierda de la Página Web de UNILabs. Haga clic en el mensaje de usuario administrador , escriba el mensaje en la parte inferior describiendo el problema y pulse Enviar. Esto generalmente no sucede, ya que todas las ópticas son fijos.
    5. Aumentar la potencia del láser a 3/4 de la barra.
      Nota: Una potencia de 60% (550 mW) es suficiente para capturar y guardar una gota de levitación.
    6. Presione el botón Start gotas para activar el dispensador de gotas.
    7. Ver la imagen de la webcam y esperar a que se produce un destello. En ese momento, una gota ha sido capturada. Controlar la imagen de la webcam y comprobar que una gotita es levitar en el centro de la celda de captura. Pulse el botón Stop gotas para apagar el dispensador de gotas.
      Nota: Opcionalmente, es posible obtener una gota más grande por la captura de varios de ellos y les espera combinar con el ya capturado. Es necesario tener en cuenta que si varios son atrapados, los aumentos de masa de la gotita para que la potencia del láser puede no ser suficiente para mantenerlo levitación.
  4. Determinar el tamaño de una gota.
    Nota: Todas las instrucciones aquí refieren a la figura 9.
    1. Presione el botón de tamaño de gotas para observar el patrón de difracción formado por gotas atrapadas.
    2. Siga el mismo procedimiento como en el protocolo de experimentación práctica (paso 1.3) para determinar el tamaño de la gota mediante el patrón de difracción.
  5. Determinar la polaridad de la carga de la gotita.
    Nota: Todas las instrucciones aquí ver figura 10.
    1. Haga clic en el botón seguimiento gotitas para ver la gráfica de la PSD y la visión de la webcam de la pipeta.
    2. Haga clic en la ficha de campo eléctrico en la parte inferior izquierda de la interfaz de usuario.
    3. Ajuste la tensión de CC a 100 V. Para ello, haga clic en el campo numérico a la derecha de la etiqueta de C.C. (V) y escriba el valor 100.
    4. Revise la gráfica de la PSD que muestran la posición de la gota y observar si la gota se mueve hacia arriba o hacia abajo cuando se aplica el campo eléctrico.
      Nota: La polaridad de las placas se arregla para que si se aplica una tensión positiva, una gota de carga negativa se moverá hacia abajo y una gota de carga positiva se mueve hacia arriba.
    5. Ahora cambie el valor del campo eléctrico y comprobar que la gota se mueve en la dirección opuesta; para ello, escriba -100 en el campo numérico de DC (V) .
  6. Determinar la carga de la gota.
    Nota: Todas las instrucciones aquí ver figura 10.
    1. Teniendo una gotita atrapada, haga clic en la vista de seguimiento de las gotas .
    2. Seleccione el menú de campo eléctrico .
    3. Establecer el campo eléctrico de DC a cero con el campo numérico de C.C. (V) .
    4. Estime y tenga en cuenta un valor promedio de la posición de la gota dado por la tabla y observe la potencia del láser.
    5. Establecer el campo eléctrico de DC a un valor entre + 500 V y -500 V para hacer que la gota de cambiar su posición.
    6. Reducir o aumentar la potencia del láser con el control deslizante hasta que la gota esté en su posición original y escriba el nuevo valor de la potencia del láser.
    7. Siga el procedimiento descrito en el paso 1.5.5 para calcular la carga de la gota.

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Representative Results

Cuando el rayo láser esté bien alineado, y la placa inferior es limpia, las gotas quedan atrapadas casi de inmediato. Cuando una gota es atrapada puede permanecer en la trampa durante varias horas, dando suficiente tiempo para investigaciones. El radio r de las gotas en el rango de 25 ≤ r ≤ 35 μm y la carga se ha medido entre 1.1x10-17 ±1.1 x10-18 C y 5.5x10-16 ±5.5 x10-17 C. El tamaño de las gotas permanece, según nuestras mediciones, constantes en el tiempo, pero la carga se difundirá lentamente, dando reacciones más y más pequeñas de la posición de la gota al aplicar un campo eléctrico. Esto da al usuario una oportunidad para medir diferentes cargos en la misma gota si es paciencia.

El laboratorio ha sido desarrollado utilizando simulaciones Java/JavaScript fácil7 y es accesible a través de la Página Web de UNILabs8. En cuanto al software de control local del laboratorio, se ha desarrollado utilizando el programa de software de control. La conexión del software remoto y local ha sido desarrollada siguiendo, trabajo ampliamente probado, de caos D. et al. 9. la idea de crear un laboratorio remoto para levitación óptica gotita se basa en dos pilares: 1) para permitir que investigadores de otras partes del mundo que no tienen esta configuración para trabajar con él y 2) a disposición este tipo de experimento de física estudiantes.

El ambiente ha sido extensivamente probado localmente y remotamente para apoyar el trabajo de los investigadores. Se ha demostrado que la captura de gota puede tomar entre 2 segundos y 1 minuto. Esta variación es debido a la alineación de pipeta limpieza y láser. Por esta razón, una pequeña cantidad de mantenimiento se realiza cada día para permitir que el laboratorio funcione correctamente. Una vez que la gota ha sido capturada, puede soportar levitando durante largos períodos de tiempo, llegando a más de media hora, tiempo suficiente para realizar todas las tareas que el sistema proporciona. El hecho de que algunas gotas pueden colapsar y ser atrapadas, permite a los usuarios comprobar rápidamente la corrección de los protocolos relativos al cálculo de la carga eléctrica y masa, como la diferencia en los resultados entre dos gotas se derrumbó, y una sola gota es más significativo que si sólo se comparan dos gotitas únicas capturadas en distintos momentos. Además, dada la estabilidad y reconfigurabilidad del medio ambiente, sirve como base para agregar nueva instrumentación y permitiendo nuevas funcionalidades. Un ejemplo de este hecho es un análisis, está llevando a cabo actualmente en la Universidad de Gotemburgo, para estudiar la influencia de las muestras radiactivas en el fenómeno de la levitación óptica.

La única manera efectiva de permitir a muchos estudiantes acceder a este tipo de experiencia es a través de un laboratorio remoto, principalmente por razones de seguridad. También, de la investigación tales como que de Lundgren et al. , demuestra que la experiencia de los estudiantes de trabajar con un laboratorio remoto es tan útil como la de un laboratorio tradicional de10. El ambiente permite que los estudiantes más jóvenes a descubrir el concepto de levitación óptica observando cómo el rayo láser efectivamente puede levitar la materia. El profesor también puede introducir carga eléctrica a los estudiantes mediante el estudio de la polaridad de las gotitas. Más avanzada de los estudiantes, el cálculo de la gota de masa y carga pueden incluirse en el protocolo de trabajo.

Este laboratorio se ha utilizado en una clase de física en Halmstad, Suecia, con estudiantes del programa de Diploma del Bachillerato Internacional (IB) (www.ibo.org). El maestro siguió el protocolo remoto que se describe en el paso 2. Después de la experiencia, los estudiantes fueron entrevistados por haciéndoles preguntas sobre el medio ambiente, las mediciones efectuadas, los conceptos físicos subyacentes que aprendieron, y los beneficios y desventajas perciben de usar el laboratorio. En general, los estudiantes entienden el proceso seguido y calcula el tamaño de las gotas, obteniendo resultados cerca del tamaño real de la gota atrapada. Entendieron los riesgos en el uso de láseres de alta potencia, y algunos sugirieron agregar mejoras a la visualización del experimento, como comprando cámaras mejor o como elementos de realidad aumentada.

Figure 1
Figura 1: arquitectura de la experimentación de laboratorio remoto. Los usuarios de Internet conectan a la Página Web de UNILabs usando sus computadoras o dispositivos móviles. El entorno web sirve el laboratorio remoto aplicación de JavaScript que permite para hacer funcionar el experimento. Esta aplicación se conecta a un ordenador situado en el laboratorio mediante el JIL servidor middleware, que permite la comunicación entre aplicaciones JavaScript y programas de LabVIEW. Por último, el equipo de laboratorio se comunica con el montaje experimental utilizando las tarjetas DAQ necesarias y un programa de LabVIEW. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: programa de LabView: panel de configuración. La ficha Configuración en el programa de LabView se utiliza en la experimentación de modo práctico para comenzar el experimento de encender el láser y a partir de las gotas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: programa de LabView: ejecute panel. La ficha Configuración en el programa de LabView se utiliza en la experimentación de modo práctico para determinar la carga de las gotas atrapadas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: detalle de la instalación experimental. El dispensador de gotas se muestra en la parte superior de la imagen, la celda en el centro y, en la parte inferior, la cámara web. Letra A: la etapa de la traducción se usa para ajustar la posición de la cubeta dentro de la célula. Letra B: el lente utilizado por el PSD para percibir la gota atrapada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: una gotita atrapada levitando. En la imagen es posible ver una de las gotitas levitando dentro de la célula de la instalación. El color verde por el láser y el hecho de ver dos puntos en lugar de uno es que la gota se refleja en el cristal de la célula. En este caso, el punto superior es la reflexión y el punto más bajo es la gota. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: configuración de electrodo para la aplicación de campos eléctricos. Disposición experimental para aplicar el campo eléctrico sobre la gota. Cuando se aplica un voltaje positivo, gotitas de cargadas negativa se moverán hacia abajo y las gotas con carga positiva se mueven hacia arriba. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: determinación de la carga de las gotas. Un bosquejo esquemático del procedimiento para determinar la carga absoluta de una gota ópticamente levitated. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8: interfaz de laboratorio remoto: atrapar una gota de. En experimentación remota, esta aplicación web utiliza para atrapar una gota. Una gotita atrapada puede verse en la imagen proporcionada por la cámara web en laboratorio debido a la luz dispersada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 9
Figura 9: interfaz de laboratorio remoto: una gota de tamaño. En experimentación remota, esta aplicación web se utiliza para determinar el tamaño de una gota de atrapados. El patrón de difracción muestra por la webcam de laboratorio y la escala permiten a los usuarios determinar el tamaño de la gota atrapado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 10
Figura 10: interfaz remoto laboratorio: aplicando un campo eléctrico. En experimentación remota, esta aplicación web se utiliza para aplicar un campo eléctrico a la gota atrapada. En este ejemplo, se aplica un campo 200 V AC. La señal PSD de laboratorio se muestra en el gráfico a la derecha y muestra el movimiento oscilatorio de la gota después de un campo eléctrico cambio que se aplicó a alrededor de t = 10 s. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Clase de láser Posibles lesiones
Clase 1 Incapaces de causar alguna lesión durante la operación normal
Clase 1M No causan ningún tipo de lesión si no coleccionistas ópticos se utilizan.
Clase 2 Láser visible que no causa lesiones en 0.25 s
Clase 2M Si no coleccionistas ópticos se utilizan, son incapaces de causar lesiones en 0.25 s.
Clase 3R Levemente inseguros para intrabeam viendo; hasta 5 veces la clase 2 límite para láseres visibles o 5 veces el límite de clase 1 láser invisible
Clase 3B Riesgo de ojo para visión directa, generalmente no un ojo peligro de difundir la visión
Clase 4 Peligro de ojos y la piel para la exposición directa y dispersa

Tabla 1: Resumen de la clasificación con láser. Los diferentes láseres en el mercado se pueden clasificar según su peligrosidad y los riesgos involucrados en su uso. La tabla muestra los diferentes tipos de láseres (en la columna de la izquierda) y su potencial peligro (en la columna derecha).

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Discussion

Este trabajo presenta una configuración para llevar a cabo un experimento de física moderna en la que las gotas son ópticamente levitación. El experimento se puede realizar en forma práctica tradicional o remotamente. Con el establecimiento del sistema remoto, estudiantes e investigadores en todo el mundo pueden acceder a la configuración experimental. Esto también garantiza la seguridad de los usuarios, ya que no necesitan estar en presencia de campos eléctricos requeridos para el experimento de los láser de alta potencia. Además, los usuarios pueden interactuar con la instrumentación de una manera muy sencilla, mediante el envío de comandos de alto nivel a través de la computadora debido a la automatización de la instalación. En comparación con el procedimiento de la práctico, la experimentación remota ofrece una experiencia muy similar. Uno de los puntos clave del experimento presentado es obtener el tamaño de las gotas, ya que tiene una gran influencia en los cálculos de la carga absoluta. Se han utilizado tres métodos diferentes para determinar el tamaño, y todos están de acuerdo muy bien: (1) el método descrito anteriormente (usando el patrón de difracción) (2) para oscilar la gota con un campo eléctrico vertical y usar la diferencia de fase entre el eléctrico campo y la posición y (3) para visualizar la sombra de la gota en una pantalla y con una cámara determina el tamaño. La configuración también se está preparando para investigación gotas atrapadas en vacío. Primero la gota está atrapada en el aire, luego la célula se adjunta, y se ha extraído el aire. De esta manera, será posible investigar las propiedades de una gota de atrapado en el vacío.

Con el laboratorio remoto presentado, se pueden determinar la carga y el tamaño de las partículas dieléctricas micrómetro de tamaño. Un desarrollo posterior de la instalación ha proporcionado una manera para estudiar colisiones de gotas de tamaño micrométrico mediante cámaras de alta velocidad11. Con el montaje experimental como base, ha sido investigada como una forma sensible para rastrear la posición de las partículas usando un interferómetro de Sagnac12. Nuestro método se utiliza para obtener la carga y el tamaño de las gotas una por una. Las mediciones toman bastante tiempo para llevar a cabo, por lo que es principalmente una herramienta para trabajar con solo gotitas. Si el objetivo es una estadística buena captura de un gran número de gotitas, otros métodos son mejores, como el método presentado por Polat13.

Cuando se realizan las mediciones, la gota se libera y desciende en la parte inferior de la célula, lamentablemente lo que el vidrio inferior sucia. Esto es una limitación a largo plazo ya que puede dispersar la luz laser, haciendo más difícil atrapar la gota siguiente. Sin embargo, se resuelve fácilmente con una limpieza periódica de la celda.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgements

Este trabajo ha sido apoyado por el Consejo de investigación sueco, Carl Trygger´s Fundación para la investigación científica y el Ministerio de economía y competitividad dentro del proyecto CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. Gracias a Sannarpsgymnasiet por dejar que nos trate de la RL con los estudiantes.

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

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