Optik Levitation şarj edilmiş damlacıkları uzak Labs kullanarak güvenli deneme

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

Optik havaya yükselme dielektrik nesneleri mikrometre boyutlu lazer ışığı kullanarak levitating bir yöntemdir. Bilgisayarlar ve otomasyon sistemleri, bir deney üzerinde optik havaya yükselme kullanan uzaktan kontrol edilebilir. Burada, biz mevcut olan bir uzaktan kumandalı optik levitation sisteme her ikisi için kullanılan eğitim ve araştırma amaçlı.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Çalışma foton basınç, ışığın kırınım veya elektrik alanlarındaki yüklü parçacıklar hareket gibi birçok temel fiziksel süreçleri çalışma sağlar bir deney sunar. Bu deneyde, odaklı lazer ışını işaret yukarıya doğru havaya kaldırmak sıvı damlacıkları. Damlacıkları yerçekimi kuvveti dengeleri odaklı lazer ışını foton basıncı ile uçurmuş. Lazer ışığı ile aydınlatılan oluşturulan kırınım deseni kapana kısılmış bir damlacık boyutunu ölçmek yardımcı olabilir. Kapana kısılmış damlacık ücretten dikey olarak yönlendirilmiş bir elektrik alanı uygulandığında, hareket inceleyerek belirlenebilir. Uzaktan kontrol edilebilir için bu deneye motive çeşitli nedenleri vardır. Kur normalde mevcut lisans öğretim laboratuarlarında aşıyor için gerekli yatırımları. Deneme sınıf 4, deri ve gözleri için zararlı olan bir lazer gerektirir ve deneme zararlı gerilim kullanır.

Introduction

Ne zaman o neden bir kuyrukluyıldızın kuyruğunun puan her zaman güneşin uzak açıkladı ışık momentum taşıdığı gerçeği ilk Kepler tarafından önerildi. Hareket ve makroskopik nesneleri tuzak bir lazer kullanımı ilk A. Ashkin tarafından bildirilmiş ve J. M. Dziedzic ne zaman onlar mikrometre havaya kaldırmak mümkün olduğunu gösterdi 1971 yılında dielektrik nesneleri1boyutlu. Kapana kısılmış nesne maruz kalmış bir yukarı doğru yönetmen lazer ışını. Lazer ışını bir parçası olan yerçekimi dengelemek için yeterli bir radyasyon basıncı üzerine empoze nesne üzerinde yansıdı. Işık, çoğu ancak, dielektrik nesnesi aracılığıyla kırılan. Işığın yön değiştirme nesnesinin bir geri tepme neden olur.  Geri tepme bir Gauss ışını profili yerleştirilir bir parçacık için net etkisi damlacığı en yüksek ışık yoğunluğu2bölge doğru hareket edecek olmasıdır. Bu nedenle, bir istikrarlı bindirme pozisyon lazer ışını nerede yerçekimi radyasyon basıncı dengeler bir pozisyonda biraz üzerinde odak noktası merkezi oluşturulur.

Optik uçurma yöntemi sıkışıp ve herhangi bir nesne ile temas olmadan kontrol küçük nesneleri sağlar beri farklı fiziksel olaylar levitated damlacık kullanarak okudu olabilir. Ancak, deneme yeniden oluşturulmalı ve okul veya üniversite tüm kurumlar gerekli ekipman gelemez yana ve lazer uygulamalı operasyonda bazı riskleri beri uygulanan iki sınırlamalar sunar.

Uzak Laboratuvarları (RLs) deneysel faaliyetleri için gerçek Labaratuar donanımları için online uzaktan erişim sunar. HBS ilk Internet ve advent ile 90s, sonunda ortaya çıktı ve onların önemi ve kullanım yıllar içinde teknoloji ilerledi ve bazı büyük endişelerine çözüldü3olmuştur gibi büyüyen. Ancak, HBS çekirdek aynı zaman içinde kalmıştır: bir laboratuar, erişim ve kontrol ve deney izlemek için Internet bağlantısı olan bir elektronik cihaz kullanımı.

Uzak kendi doğasından dolayı HBS deneysel faaliyetleri tür deneyler gerçekleştirilmesi ile ilişkili olabilir risklere maruz kalmadan kullanıcılara sunmak için kullanılabilir. Bu araçlar öğrencilerin laboratuar ekipmanları ile çalışma daha fazla vakit geçirmek izin ve dolayısıyla daha iyi laboratuvar becerilerini geliştirmek. Onlar 1) deneysel çalışmaları gerçekleştirmek, 2) HBS üniversiteler arasında paylaşımı tarafından öğrencilere sunulan deneyler Katalog genişletin ve 3) laboratuvar çalışma zamanlaması esneklik artırmak özürlü insanlar için kolaylaştırmak olduğunu HBS diğer avantajları nelerdir, o-ebilmek var olmak kılınmak bu yana beni aradığında, evine bir Fizik Laboratuvarı kapalıdır. Son olarak, HBS ayrıca işletim sistemleri günümüzde araştırma, geliştirme ve Sanayi önemli bir parçası olan bilgisayar kontrollü, eğitim sunuyoruz. Bu nedenle, HBS sadece finansal ve güvenlik sorunları için bir çözüm geleneksel labs sunmak, ama aynı zamanda daha ilginç deneysel fırsatlar sağlar teklif edemem.

Bu çalışmada kullanılan deneysel Kur'a boyutunu ölçmek ve kapana kısılmış bir damlacık ücret, elektrik alanlarındaki yüklü parçacıklar hareket araştırmak ve radyoaktif kaynak bir damlacık4 şarjla değiştirmek için nasıl kullanılabileceğini analiz etmek mümkündür .

Sunulan deneysel kurulumunda güçlü bir lazer yukarı doğru yönetti ve cam hücre4merkezi haline odaklı. Lazer 2 W 532 nm Diod pompalı katı hal lazer (CW), genellikle nerede yaklaşık 1 Watt (W) kullanılır. Bindirme lens odak uzaklığı 3,0 cm. damlacıkları bir piezo damlacık dağıtıcı ile oluşturulur ve sadece lazer odak tuzak vardır kadar lazer ışını inerler olduğunu. Bindirme yukarı kuvvetlerinden radyasyon basıncı için aşağıya doğru yönlendirilmiş yerçekimi kuvveti eşit yönlendirilir oluşur. Bindirme için gözlenen üst zaman sınırı yoktur. Bir damlacık tuzağa en uzun süre 9 saat, bundan sonra tuzak kapalı idi. Damlacığı ve lazer alanını arasındaki etkileşimi damlacıkları boyutunu belirlemek için kullanılan bir kırınım desen oluşturur.

% 10 gliserol ve % 90 su dağıtıcısı yayılan damlacıklar oluşur. Su bölümü hızla buharlaşır, 20-30 µm ölçekli gliserol damlacık tuzak içinde bırakarak. En büyük tuzak bir damlacık yaklaşık 40 µm boyutudur. Yaklaşık 10'dan sonra gözlenen yok buharlaşma işte s. Bu noktada, tüm su buharlaşıp bekleniyor. Uzun yakalama zaman herhangi bir gözlemlenebilir buharlaşma olmadan en az emme ve damlacık aslında oda sıcaklığında olduğunu gösterir. Yüzey gerilimi damlacıkları onları küresel hale getirir. Damlacık dağıtıcısı tarafından oluşturulan damlacıkları ücretten nerede onlar en çok olumsuz tahsil haline laboratuvarda çevre koşullarına bağlıdır. Üst ve alt kısımlarında bindirme hücre oluşur 25 mm ayrı yerleştirilen iki elektrot. Onlar bir dikey elektrikli doğru akım (DC) veya alternatif akım (AC) alan damlacık üzerinde uygulamak için kullanılabilir. Elektrik alanı bile üzerinde elektrotlar 1000 volt (V) uygulandığı herhangi bir yay oluşturmak için güçlü değil. DC alan kullandıysanız, damlacık aşağı ve yukarı lazer ışını bir yeni kararlı denge konumuna taşır. Bir AC alanı yerine uygulanırsa, damlacık denge konumuna olsun. Boyutu ve damlacık, elektrik alan yoğunluğunu ve lazer tuzak sertliği ücretten salınımlarını büyüklüğü bağlıdır. Damlacık görüntüsünü hangi bırakmak kullanıcı-damlacık dikey konumunu izlemek bir pozisyon duyarlı dedektörü (PSD), öngörülmektedir.

Bu çalışma öğretim ve araştırma bilgi ve iletişim teknolojileri yenilikçi bir RL ile modern fizik kavramları gösterilmektedir optik levitation şarj edilmiş damlacıkları kullanma modernize başarılı bir girişim sunar. Şekil 1 RL mimarisini gösterir. Tablo 1 lazerler onların sınıfına göre neden olabilir olası yaralanmalar gösterir; Bu kurulum, bir sınıf IV lazer, olan en tehlikeli bir olan kullanılmıştır. Uzak işlem tarafından sağlanan güvenliği açıkça bu deneme için uygundur Bu yüzden en fazla 2.0 görünür lazer radyasyon, ile W çalışabilir. Şarj edilmiş damlacıkları optik levitation RL ö Galan vd. 20185çalışmalarını sunuldu. Bu çalışmada, nasıl online ücretleri, lojistik ya da güvenlik sorunları hakkında endişe gerek kalmadan modern fizik kavramları için öğrencilerinin tanıtmak isteyen öğretmenler tarafından kullanılabilmesi için gösterilmiştir. Öğrenciler Üniversite ağ etkileşimli laboratuvarları olarak adlandırılan bir web portalınız yoluyla RL erişim (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) hangi onlar deneme ve deneysel kullanımı ile ilgili teori ile ilgili tüm belgeleri bulabilirsiniz içinde Kurulum bir web uygulaması aracılığıyla. Uzak bir laboratuvar kavramını kullanarak, pahalı ve tehlikeli ekipman gerektiren modern fiziğin deneysel çalışmalarında yeni öğrenci grupları için kullanılabilir duruma getirilebilir. Ayrıca, bu resmi öğrenme geleneksel öğrenciler ile daha fazla laboratuvar saati ve normalde araştırma laboratuvarları dışında erişilemeyen deneyleri ile geliştirilmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Not: Bu deneyde kullanılan lazer 1 W görünür lazer radyasyon teslim bir sınıf IV lazerdir. Tüm personel lazer laboratuvarda mevcut yeterli lazer güvenlik eğitimi yürütülen gerekir.

1. uygulamalı Deneysel protokol

  1. Emanet
    1. Herkes laboratuarda bir lazer açık farkında olduğundan emin olun.
    2. Lazer uyarı lambası laboratuarda açın.
    3. Hiçbir saat ya da metal halkalar yıpranmış ve lazer gözlük koymak emin olun.
    4. Dört panoları, deney için en yakın emici ışık, yerinde kontrol edin.
    5. Lazer ve engellere emici kurulu arasındaki boşluğu kontrol edin. Ayrıca bindirme hücre ve ışın blok arasındaki boşluğu nesnelerden ücretsiz olduğundan emin olun.
  2. Belgili tanımlık bilgisayar yazılımı ve deneme hazırlamak.
    1. Laboratuar bilgisayarı açın. Çalışmaya hazır olana kadar bekleyin.
    2. Uzaktan başlangıç klasörünü masaüstünden açın ve Main1806.visimgesini tıklatın. Sol üst köşede ok tuşlarına basarak çalıştırın.
      Not: Bu rakam 2 ve Şekil 3 ' te gösterilen kontrol programı (Örneğin, LabVIEW) açar ve otomatik olarak her iki güç kaynağı için lazer ve elektrik alan açar. Şu andan itibaren bu bölümde başvurulan tüm düğmeleri bu rakamlar içinde görünen bakın.
    3. Altında "EJS değişkenleri", "Lazer uzak Enable2" güç adlı onay kutusunu işaretleyin ve % 25 lazer güç slayt sağdaki biter "lazer current2" 25 olarak ayarlayın. Işın demeti çöplükte biter emin olmak için hizalama lazer gözlüğü kullanarak lazer ışını gözlemlemek. Eğer değilse, ışın dökümü konumunu ayarlamak.
    4. Drops2 kontrol edin ve damlacıkları lazer ışını düşüyor kadar damlacık kesici ucu taşıyın. Şekil4 A harfi ile işaretlenmiş çeviri sahne ayarlayarak bunu. İstediğiniz konuma ulaşana kadar bu amaçla çeviri sahne tabanında yavaşça sürüş vidaları açmak.
      1. Eğer hiçbir damla geliyor, bir damlacık dispanser ipucunda gösterilen kadar şırınga bazı basınç uygulayın. Dikkatle temizle (kırılgan tıp) bir kağıt ile aseton kullanarak. Damlacıkları şimdi gelmeye başlayacaktır. Bu durumda, 1.2.4 noktasından baştan.
    5. Lazer güç yaklaşık % 66 lazer geçerli 2 giriş alanını ve tuzak bir damlacık kullanarak yetiştirmek. En kısa zamanda bir damlacık kapana Drops2 işaretini kaldırın.
      Not: Şekil 5 Deneysel ortamda yakalanan bir damlacık gösterir. Üst bir damlacık bulunduğu hücre bardak onun yansıması ise alt yeşil nokta gerçek damlacık için karşılık gelir. Şu andan itibaren kapana kısılmış damlacık şimdi PSD yansıması olacaktır.
  3. Bir damlacık boyutunu belirler.
    1. Lazer güç PSD konumu sıfır olarak mümkün olduğu kadar yakın olana ayarlayın.
      Not: damlacıkları altına veya üstüne lazer güç veya boyutu/ağırlık bağlı olarak önceki bindirme pozisyonları sıkışmış gibi. Bu adımı damlacık görüntü PSD merkezine taşımak için gerçekleştirilir.
    2. Kırınım model oluşturuldu ekranda gözlemlemek (bkz. Şekil 1). Ekran altında gözlemlemek için konumlandırılmış örümcek ağı fotoğraf makinesi ile fotoğrafını çek.
      Not: Desen lazer ışık tarafından kapana kısılmış damlacığı diffracted neden olur.
    3. Resmi satırından mesafeleri 1-2 rasgele minima resimdeki işaretli belirlemek için kullanın. Çizgi 1, başka negatif işaretli daha kadar uzak damlacık ise pozitif bir mesafedir. Daha sonra her iki mesafeler için 40 cm ekleyin. 1en kısa ve en uzun bir2ara. Denklem 1 damlacığı boyutunu hesaplamak için kullanın:
      Equation 1(1)
      nerede x ekran damlacığı dikey mesafe (x 23,5 cm =), λ olan lazer ışığın dalga boyu (λ = 532 nm) ve Δn saçaklar (tamsayı) arasında iki minima sayısıdır hesaplamada kullanılan.
      Not: ne zaman damlacığı ortasında PSD görüntüsü, (x), damlacık ekrana mesafedir 23.5 ± 0.1 cm. Süreci daha ayrıntılı bir açıklama, J. Swithenbank ve ark. eser bulunabilir 6.
  4. Polarite damlacığı ücret belirleyin.
    1. Sekme koşmak EJS değişkenleri sağındaki seçin ve E-alanı DC control2 (bkz. Şekil 3) 2 V için ayarlayın. Gerilim elektrot üzerinde 200 V bu yana artık dikkatli ol.
      Not: Polarite damlacık masrafın nasıl damlacığı yanıt uygulanan dikey elektrik alan için gözlemci tarafından belirlenir. Elektrik alanı nasıl uygulanacağını bir kroki Şekil 6 ' görülebilir
  5. Damlacık ücret belirlemek
    Not: damlacık masrafı hesaplamak için bu ilk damlacığı boyutunu ölçmek gereklidir. Sıvı yoğunluğu bilinmektedir beri damlacığı ağırlığını sonra belirlenebilir. Şekil 7 şematik ile ilgili yordamı açıklamaktadır.
    1. E-alanı DC control2 sıfır olarak ayarlayın.
    2. Tahmin ve Grafik dalga biçimi PSD Normalize pozisyon izleme tarafından damlacığı konumunu bir ortalama değeri not edin.
    3. Lazer güç değeri not alın. Bu değer FRad1 denklem 2 olacaktır.
    4. + 1 arasında E-alanı DC control2 ayarla ve + 5 volt veya -1 ve -5 volt damla yukarı doğru hareket. Damlacık şimdi yeni bir konumdur. 1.5.2. adımda belirtilen özgün konumuna geri damlacığı mevcuttur kadar yavaş yavaş lazer gücü düşür. Yeni lazer gücü (FRad2) yazmak.
      Damlacık kaybolursa, Drops2 kontrol edin ve yeniden başlamak--dan adım 1.2.4.
    5. Masrafı hesaplamak için aşağıdaki yordamı kullanın. İlk olarak, elektrik alan kuvvet Hesapla:
      Equation 2(2)
    6. İfade kullanarak mutlak şarj belirlemek
      Equation 3(3)
      Burada d elektrotlar arasındaki mesafe ve U uygulanan gerilim.

2. uzaktan deneme Protokolü

  1. Erişim uzak laboratuvar.
    1. UNILabs Web sayfasında bir web tarayıcısı açın: https://unilabs.dia.uned.es/
    2. Gerekirse istediğiniz dili seçin. Seçeneği menünün başlığının altında ilk öğesindeki bulunur.
    3. Aşağıdaki verileri ile oturum:
      Kullanıcı adı: test
      Şifre: test
      Not: Web sayfası haber ve tanıtım bilgisi altında giriş çerçevedir.
    4. Ders alanında giriş alanının yanında sol Göteborg Üniversitesi (GU) logosuna tıklayın.
    5. Bu deney, malzemesi erişmek için Optik Levitation üzerinde'yi tıklatın.
    6. Uzak laboratuvar Optik Levitation uzak laboratuvarüzerinde tıklatarak erişebilirsiniz. Bundan sonra Web sayfası gösterinin uzak laboratuvar, Şekil 8gösterildiği gibi Kullanıcı arabiriminin ana çerçeve sağlamak.
  2. Optik Levitation laboratuvarına bağlayın.
    Not: Buradaki talimatları Şekil 8' e bakın.
    1. Connect butonuna tıklayın. Bağlantı başarılı olursa, düğme metni bağlıiçin değişecektir.
      Not: bağlanan bir kullanıcının uzak laboratuarda o birisi güç ve lazer uzaktan işlemek kişi çevresindeki uyardı akustik bir sinyal yayıyor.
    2. Damlacıkları izleme ' yi tıklatın ve PSD veri alındığında olduğunu kontrol edin.
      Not: Bu noktada yakalanan yok damlacıkları olarak alınan değeri ilgili değil.
    3. Kurulum tüm öğeleri tanımlamak için genel görünümü üzerinde tıklatın: lazer, damlacık dağıtıcısı, bindirme hücre ve PSD.
  3. Tuzak bir damlacık.
    Not: Buradaki talimatları Şekil 8' e bakın.
    1. Uzak laboratuvar bağlandıktan sonra pipet ve damlacık kesici bașlık görselleştirmek için damlacıkları bindirme düğmesini tıklatın.
    2. Lazer bağlantı kurmak için üzerine lazer kapat düğmesini tıklayın.
      Not: Eğer doğru şekilde hizalanmamış çevreye zarar verebilir, çünkü lazer aletleri kalan bağımsız olarak ve el ile başlatılır.
    3. Lazer güç üzerine lazer kapatmak düğme altında yer alan denetim şeridinin ilk çeyreğinde çevresinde ayarlayın. Yeşil ışık görünene kadar bekleyin.
    4. Lazer hizalama denetleyin.
      Not: lazer doğru hizalanmışsa, bir ince yeşil ışık ışını görülecektir. Aksi takdirde, dağınık bir yeşil nokta algılanan olacak. Yanlış hizalama, durumunda sistemi kapat ve laboratuvar bakım hizmetleri ile bağlantı kurun. Bakım hizmetleri ile bağlantı kurun, bir konuşma balonu temsil eden simgeyi tıklatın için UNILabs Web sayfasının sol üst köşesinde yer alan. Yönetici Kullanıcı iletisi'ni tıklatın, sorunu açıklayan altındaki mesaj yazın ve Göndertuşuna basın. Tüm optik sabit beri bu genellikle, olmaz.
    5. 3/4 bar lazer gücünü arttırın.
      Not: % 60 bir güç (550 mW) yakalama ve bir damlacık tutmak için yeterli uçurmuş.
    6. Damlacık dağıtıcı üzerinde açmak için damla Başlat düğmesine basın.
    7. Web kamerası görüntüyü izlemek ve bir flaş üretilen kadar bekleyin. O anda, bir damlacık zorlamaktadır. Web kamerası görüntüyü tekrar kontrol edin ve bir damlacık bindirme hücrenin merkezine levitating doğrulayın. Damlacık dağıtıcı açmak için damla Stop düğmesine basın.
      Not: İsteğe bağlı olarak, birden fazla yakalamak ve onları zaten yakalanan kişi ile birleştirmek bekleyen büyük bir damlacık elde etmek mümkündür. Eğer birkaç akılda tutulması için gerekli olan yakaladı, damlacık kitlesi artar böylece lazer güç uçurmuş tutmak için yeterli olmayabilir.
  4. Bir damlacık boyutunu belirler.
    Not: Tüm talimatları burada Şekil 9' a bakın.
    1. Kırınım deseni gözlemlemek için damlacıkları boyutlandırma düğmesini kapana kısılmış damlacık tarafından kurulan basın.
    2. Uygulamalı deney Protokolü (adım aracılığıyla kırınım deseni damlacığı boyutunu belirlemek için 1.3) olduğu gibi aynı yordamı izleyin.
  5. Damlacık şarj polarite belirleniyor.
    Not: Tüm talimatları burada Şekil 10' a bakın.
    1. PSD grafik ve pipet webcam görünümünü görüntülemek için damlacıkları izleme düğmesini tıklatın.
    2. Elektrik alanı sekmesinde Kullanıcı arabiriminin sol alt köşesinde tıklatın.
    3. DC gerilimi 100 V ayarlayın. Bunu yapmak için sayısal alanı DC (V) etiketi sağ tıklatın ve değeri 100 girin.
    4. Damlacığı konumunu gösteren PSD grafik kontrol edin ve damlacık yukarı taşır veya aşağıya doğru ne zaman elektrik alanı uygulanır.
      Not: Plakaların polarite pozitif bir gerilim uygulanırsa, olumsuz şarj edilmiş bir damlacık aşağı doğru hareket eder ve pozitif yüklü bir damlacık yukarı doğru hareket edecek ayarlandı.
    5. Şimdi elektrik alanı ve damlacık ters yönde hareket eden onay değerini değiştirmek; Bu amaçla, -100 DC (V) sayısal alana girin.
  6. Damlacık ücret belirleyin.
    Not: Tüm talimatları burada Şekil 10' a bakın.
    1. Bir damlacık tuzağa sahip, damlacıkları izleme görünümü'nü tıklatın.
    2. Elektrik alan menüsünü seçin.
    3. DC elektrik alanını DC (V) sayısal alanı ile sıfır olarak ayarlayın.
    4. Tahmin ve şeması ile göre damlacık konum bir ortalama değeri not alın ve lazer güç unutmayın.
    5. DC elektrik alanı +500 V ile konumunu değiştirmek damlacık yapmak-500 V arasında bir değere ayarlayın.
    6. Azaltmak veya damlacığı özgün konumuna geri gelene kadar kaydırıcı ile lazer gücü artırmak ve lazer güç yeni değerini yazmak.
    7. Damlacık masrafı hesaplamak için adım 1.5.5 açıklanan yordamı izleyin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Lazer ışını de hizalanır ve alt plaka temiz olduğunda, damla hemen sıkışıp kalırlar. Ne zaman bir damlacık kapana kısılmış araştırmalar için yeterli zaman vermek birkaç saat için tuzak içinde kalabilir. Damlacıkları yarıçapı r 25 ≤ r ≤ 35 µm aralığında ve şarj 1.1x10-17 ±1.1 x10-18 C ve 5.5x10-16 ±5.5 x10-17 C. arasında ölçülen Damlacıkları boyutunu, göre bizim ölçümleri, zaman içinde sabit kalır ancak şarj yavaş yavaş, bir elektrik alanı uygularken damlacığı konumunu daha küçük ve daha küçük tepkiler vererek yaygın. Bu Kullanıcı yeterince sabırlı ise aynı damlacık farklı suçlardan ölçmek için bir şans verir.

Uzak laboratuvar kolay Java/JavaScript simülasyonlar7 ile geliştirilmiş ve via UNILabs Web sitesi8erişilemez. Laboratuvar yerel kontrol yazılım gelince, bu denetim yazılım programı kullanarak geliştirilmiştir. Uzak ve yerel yazılım bağlantı ö kaos vd. , yaygın olarak test edilmiş, çalışma geliştirilmiştir 9. optik damlacık levitation iki sütun üzerine dayalı için uzak bir laboratuvar yaratma fikri: 1) ile çalışmak için ve 2) bu tür bir deney fizik için kullanılabilir hale getirmek için bu kurulum var mı araştırmacılar dünyanın diğer bölgelerinden izin vermek için öğrenciler.

Çevre hem yerel olarak hem de uzaktan kapsamlı olarak sınanmıştır araştırmacılar çalışma desteklemek için. Damlacık yakalama 2 saniye ile bir dakika arasında sürebilir gösterilmiştir. Pipet temizlik ve lazer hizalama nedeniyle bu çeşididir. Bu nedenle, bakım az miktarda düzgün çalışması laboratuvar etkinleştirmek için her gün yapılır. Damlacık yakalandıktan sonra uzun süre fazla yarım saat, ulaşan, levitating dayanabilir sistemi sağlar tüm görevleri gerçekleştirmek için yeterli bir süre. Aslında birkaç damla çökmesi ve sıkışıp, kullanıcıların hızlı kitle ve elektrik şarj, hesaplama sonuçları iki çöktü, damla arasındaki farkı olarak ilgili protokolleri düzeltilmesi kontrol sağlar ve tek bir damla daha fazla Onlar sadece farklı anlarda yakalanan iki benzersiz damlacıkları karşılaştırmak daha önemli. Buna ek olarak, istikrar ve çevrenin reconfigurability göz önüne alındığında, bu yeni araçları eklemek ve böylece yeni işlevselliği etkinleştirmek için bir temel olarak hizmet vermektedir. Günümüzde, üniversite radyoaktif örnekler etkisi optik havaya yükselme olgusu çalışmaya Göteborg, yürütülen bir analizi, bu gerçeği bir örnektir.

Birçok öğrenci bu tür bir deneyim sağlamak için tek etkili yol uzak bir laboratuvar, güvenlik nedenleriyle esas olarak geçer. Ayrıca, bu Lundgren vd gibi araştırma ile uzak bir laboratuvar çalışma öğrencilerin deneyim olarak geleneksel laboratuvar10olarak yararlı olduğunu gösterir. Çevre genç öğrencilerin ne kadar lazer ışını etkili madde havaya kaldırmak gözlemleyerek optik havaya yükselme kavramını keşfetmek izin verir. Öğretmen de öğrencilere elektrik yükü damlacıkları polarite inceleyerek ortaya çıkarabilir. Daha fazla bilgi için öğrenciler, hesaplama gelişmiş damlacık kütle ve ücret çalışma protokolünde eklenebilir.

Bu laboratuvar, İsveç ' in Halmstad öğrenciler Uluslararası Bakalorya (IB) Diploma programından (www.ibo.org) ile bir fizik sınıfında kullanılmıştır. Öğretmen 2. adımda açıklanan uzak protokolü takip ettim. Deneyiminden sonra onlara sorular çevre, yapılan ölçümler, onlar öğrenmişti, altta yatan fiziksel kavramları ve yararlarını ve sakıncalarını onlar uzak laboratuvar kullanmaları algılanan hakkında sorarak öğrencilerin görüşülmüştür. Genel olarak, öğrencilerin kapana açılan gerçek boyutu yakın sonuçlar elde etmek süreci takip ve damla boyutu hesaplanan anladım. Onlar yüksek güçlü lazer kullanmakla ilgili riskleri anladım ve bazı iyileştirmeler daha iyi fotoğraf makinesi satın alma veya artırılmış gerçeklik unsurları gibi deney, görselleştirme ekleme önerdi.

Figure 1
Şekil 1: uzaktan Laboratuvar deney mimarisini. Internet kullanıcılarının bilgisayar veya mobil cihazlar kullanarak UNILabs Web sayfasına bağlanın. Web ortamında uzak laboratuarda uzaktan deneme çalışmasına sağlayan JavaScript uygulama hizmet vermektedir. Bu uygulama JavaScript uygulamaları ve LabVIEW programları arasındaki iletişimi sağlayan JIL sunucu ara'yazılım aracılığıyla laboratuvarda bulunan bir bilgisayara bağlanır. Son olarak, laboratuar bilgisayarı deneysel Kurulum gerekli DAQ kartları ve LabVIEW programı kullanarak iletişim kurar. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: LabVIEW programı: yapılandırma paneli. Yapılandırma sekmesi LabVIEW programında uygulamalı modu deneme üzerine lazer açma ve damlacıkları başlayan deneme başlatmak için kullanılır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: LabVIEW programı: Masası'nı çalıştırın. Yapılandırma sekmesi LabVIEW programında uygulamalı modu deneme kapana kısılmış damlacıkları ücret belirlemek için kullanılır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: deneysel kurulum ayrıntılarını. Damlacık dağıtıcı görüntünün ortasında hücreye üstündeki ve altındaki web kamera gösterilir. Mektup A: dispanser hücre içindeki konumunu ayarlamak için kullanılan çeviri sahne. Mektup B: kapana kısılmış damlacık algıladıkları için PSD tarafından kullanılan lens. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5: bir kapana kısılmış damlacık levitating. Görüntünün içinde belgili tanımlık tertibat hücre içinde levitating damlacıkları birini görmek mümkündür. Yeşil renk lazer nedeniyle ve bir yerine iki noktayı aslında damlacığı hücre camına yansıtılır. Bu durumda, üst noktası yansımasıdır ve damlacık alt noktasıdır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 6
Şekil 6: elektrik alanları uygulamak için elektrot yapılandırma. Elektrik alanı damlacığı üzerine uygulamak için deneysel Kur. Pozitif bir gerilim uygulandığında, negatif yüklü damlacıklar aşağıya doğru hareket eder ve damlacıkları olumlu ücret ile yukarı doğru hareket eder. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 7
Şekil 7: damlacıkları ücret belirlenmesi. Optik levitated bir damlacık mutlak ücret belirlemek için bu yordamı şematik bir kroki. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 8
Şekil 8: uzaktan laboratuvar arabirimi: damlacık bindirme. Uzaktan deneme bu web uygulama arabirimi bir damlacık yakalamak için kullanılır. Kapana kısılmış bir damlacık dağınık ışık nedeniyle laboratuvar webcam tarafından sağlanan görüntü görülebilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 9
Şekil 9: uzaktan laboratuvar arabirimi: damlacık boyutlandırma. Uzaktan deneme bu web uygulama arabirimi kapana kısılmış bir damlacık boyutunu belirlemek için kullanılır. Kırınım deseni laboratuvar saniyedeki kare görüntülenen ve ölçeğin kapana kısılmış damlacık boyutunu belirlemek kullanıcılar sağlar. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 10
Şekil 10: uzaktan laboratuvar arabirimi: bir elektrik alan uygulama. Uzaktan deneme bu web uygulama arabirimi elektrik alan kapana kısılmış damlacık uygulamak için kullanılır. Bu örnekte, bir 200 V AC elektrik alanı uygulanır. Laboratuvar PSD sinyal sağ grafik üzerinde görüntülenir ve bir elektrik alanı takip damlacık salınım hareketi değiştirmek hangi, t uygulanan gösterir = 10 s. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Lazer sınıfı Olası yaralanma
Sınıf 1 Normal işlemlerde herhangi bir yaralanma neden aciz
Sınıf 1M Hiçbir optik toplayıcıları kullandıysanız yaralanma her türlü neden olmaz.
Sınıf 2 Yaralanmalar içinde 0.25 neden olmaz görünür lazerler s
Class 2M Hiçbir optik toplayıcıları kullandıysanız, onlar içinde 0.25 yaralanma neden aciz s.
Sınıf 3R Biraz güvensiz ile ilgilenen intrabeam için; 5 kez sınıfa 2 görünür lazerler için ya da 5 kez görünmez lazerler Sınıf 1 sınırlamasına sınırlamak
3B sınıfı Doğrudan vizyon, vizyon yaygın genellikle değil bir göz tehlike için göz tehlike
Sınıf 4 Göz ve deri tehlike hem doğrudan hem de dağınık maruz kalma

Tablo 1: lazer sınıflandırma Özet. Piyasada farklı lazerler onların hazardousness göre sınıflandırılabilir ve riskleri kullanımları dahil. Tablo lazerler (sol sütunda) kullanılabilir farklı türlerini gösterir ve onların potansiyel tehlike (sağ sütunda).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu çalışma içinde optik damlacıkları uçurmuş modern fizik deney taşımak için bir kurulum sunar. Deneyin geleneksel uygulamalı bir şekilde ya da uzaktan gerçekleştirilebilir. Uzak sistemin kurulması ile öğrenciler ve araştırmacılar dünyanın her yerinden deneysel set-up erişim elde edebilirsiniz. Onlar yüksek güçlü lazer ve elektrik deneme için gerekli alanları varlığı olması gerekmez beri bu da kullanıcıların güvenliği, garanti eder. Buna ek olarak, kullanıcılar araçları ile çok basit bir şekilde kurulum Otomasyon nedeniyle bilgisayar üzerinden üst düzey komutları göndererek iletişim kurabilirim. Uygulamalı yordamına karşılaştırıldığında, uzaktan deneme çok benzer bir deneyim sunar. Çünkü mutlak ücret hesaplamaları üzerinde büyük bir etkisi vardır sunulan deney anahtar noktalarından biri damlacıkları boyutunu almaktır. Boyutunu belirlemek için kullanılan üç farklı yöntem ve hepsi çok iyi kabul ediyorum: (1) (kırınım deseni kullanarak yukarıda) dikey bir elektrik alanı ile damlacık salınım ve elektrik arasındaki faz farkı (2) kullanılacağı açıklanan yöntemi alan ve konumu ve (3) bir ekran ve bir kamera ile damlacık gölgesi görselleştirmek için boyutu belirler. Kur ayrıca vakum araştıran kapana kısılmış damlacıkları için hazırlıklı olmak. İlk damlacığı havada, kapana kısılmış sonra hücre içine ve hava kaldırılır. Bu şekilde, vakum kapana kısılmış bir damlacık özelliklerini araştırmak mümkün olacaktır.

Sunulan uzak laboratuar ile belgili tanımlık fiyat istemek ve dielektrik parçacıklar mikrometre ölçekli boyutunu belirlenebilir. Bir daha da geliştirilmesi kurulum mikrometre boyutlu damlacık çarpışmalar yüksek hızlı kameralar11kullanarak çalışma olanağı sağlamıştır. Bir üs olarak deneysel kurulumu ile bu Sagnac Girişmölçeri12kullanarak parçacıklar konumunu izlemek için hassas bir şekilde araştırmış. Bizim Yöntem ücret ve damlacıkları teker teker boyutu elde etmek için kullanılır. Yani esas olarak bir aracı tek damlacıkları ile çalışmak için ölçümler gerçekleştirmek için tamamen biraz zaman alır. Eğer amaç iyi bir istatistik damlacıkları çok sayıda yakalamak, diğer yöntemler daha iyi yöntemi Polat13tarafından sunulan gibi.

Ölçümleri yapıldığında, damlacık yayınlanır ve ne yazık ki alt cam kirli yapma hücrenin altına iner. Lazer ışık, sonraki damlacık tuzağa düşürmek zor yapım dağılım bu yana bu uzun vadeli bir sınırlamadır. Ancak, kolayca hücre periyodik temizliği ile çözülmüştür.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgements

Bu eser İsveçli Araştırma Konseyi, Carl Trygger´s Vakfı tarafından bilimsel araştırma ve İspanyolca Bakanlığı Ekonomi ve rekabet için CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. proje kapsamında desteklenmiştir Sannarpsgymnasiet izin verdiğin için teşekkürler bizi öğrencilerle RL deneyin.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics