Sichere Experimente in optischen Levitation des geladenen Tröpfchen mit Remote Labs

Engineering

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Summary

Optischen Levitation ist eine Methode für schwebende dielektrische Objekten Mikrometer Größe mit Laserlicht. Nutzung von Computern und Automatisierungssysteme, ein Experiment auf optischen Levitation kann ferngesteuert werden. Hier präsentieren wir Ihnen ein ferngesteuertes optischen Levitation System sowohl für die verwendet pädagogische und wissenschaftliche Zwecke.

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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

Die Arbeit stellt ein Experiment, das die Studie der grundlegenden physikalischen Prozesse, wie Photon Druck, Beugung von Licht oder die Bewegung von geladenen Teilchen in elektrischen Feldern ermöglicht. In diesem Experiment einer fokussierten Laserstrahl zeigt nach oben schweben Flüssigkeitströpfchen. Die Tröpfchen werden durch den Druck der Photon von der fokussierte Laserstrahl schwebte die die Schwerkraft ausgleicht. Die Beugungsmuster erstellt, wenn mit Laserlicht beleuchtet kann helfen, die Größe eines eingeschlossenen Tropfens zu messen. Die Ladung des eingeschlossenen Tropfenabscheiders kann bestimmt werden, durch das Studium der Bewegung, wenn ein vertikal gerichtetes elektrisches Feld angelegt wird. Es gibt mehrere Gründe für dieses Experiment aus der Ferne gesteuert werden. Der Aufwand für das Setup in grundständige Lehre Labors normalerweise verfügbaren Betrag überschreitet. Das Experiment erfordert einen Laser der Klasse 4, das ist schädlich für Haut und Augen und das Experiment verwendet Spannungen, die schädlich sind.

Introduction

Die Tatsache, dass Licht Schwung trägt wurde zuerst von Kepler vorgeschlagen, wenn er erklärt, warum der Schweif eines Kometen zeigt immer von der Sonne entfernt. Der Einsatz eines Lasers zu bewegen und makroskopische Objekte fangen wurde zuerst von A. Ashkin berichtet und J. M. Dziedzic 1971 wenn sie gezeigt, dass es möglich ist, Mikrometer schweben kleine dielektrische Objekte1. Das eingeschlossene Objekt ausgesetzt war eine nach oben gerichtet Laserstrahl. Teil des Laserstrahls spiegelte sich auf dem Objekt die Strahlungsdruck auf ihm, die ausreichte auferlegt, um Schwerkraft auszugleichen. Die meisten des Lichtes, jedoch durch das Dielektrikum Objekt gebrochen war. Die Änderung der Richtung des Lichts verursacht einen Rückstoss des Objekts.  Der Netto-Effekt der Rückstoß eines Partikels in einer Gaußschen Strahlprofil platziert ist, dass das Tröpfchen in Richtung der Region der höchsten Lichtstärke2bewegen wird. Somit entsteht eine stabile Trapping-Position in der Mitte des Laserstrahls an einer Stelle etwas oberhalb der Dreh-und Angelpunkt wo Strahlungsdruck Schwerkraft ausgleicht.

Da die optischen Levitation-Methode können kleine Objekte gefangen und gesteuert werden, ohne in Kontakt mit Gegenständen, können verschiedene physikalische Phänomene mit ein Levitiertes Tröpfchen untersucht werden. Das Experiment stellt jedoch zwei Einschränkungen um vervielfältigt und an Schulen oder Universitäten angewendet werden, da nicht alle Organe das benötigte Equipment leisten können und da gibt es gewisse Risiken in den Hands-on-Betrieb des Lasers.

Remote-Labors (RLs) bieten Online-remote-Zugriff auf die echte Laborausstattung für experimentelle Aktivitäten. RLs erschien zuerst am Ende der 90er Jahre mit dem Aufkommen des Internets, und ihre Bedeutung und Verwendung gewachsen im Laufe der Jahre als die Technologie fortgeschritten ist und einige ihrer wichtigsten Anliegen gelöst3 wurden. Aber der Kern des RLs ist gleich geblieben, im Laufe der Zeit: die Verwendung eines elektronischen Geräts mit Internetverbindung zugreifen, ein Labor und steuert und überwacht ein Experiment.

RLs ist aufgrund ihrer abgelegenen lässt sich Benutzer experimentelle Aktivitäten anzubieten, ohne sie auf die Risiken, die mit der Realisierung solcher Experimente verbunden sein können. Diese Werkzeuge ermöglichen Studenten verbringen mehr Zeit arbeiten mit Laborgeräten und daher bessere Labor Fähigkeiten zu entwickeln. Weitere Vorteile der RLs sind, dass sie (1) für Menschen mit Behinderung Erleichterung, experimentelle Arbeiten, 2) erweitern Sie den Katalog von Experimenten, die Studenten durch den Austausch von RLs zwischen Universitäten angeboten und (3) erhöhen die Flexibilität bei der Planung der Arbeit im Labor, Da es ausgeführt werden kann ist ein physikalisches Labor von Haus, wenn geschlossen. Zu guter Letzt bieten RLs auch Schulungen in computergesteuerten Systemen, die heute ein wichtiger Bestandteil der Forschung, Entwicklung und Industrie sind in Betrieb. Daher können nicht RLs bieten nur einer Lösung für die Sicherheit und finanzielle Probleme, dass traditionelle Labs zu präsentieren, sondern auch weitere interessante experimentelle Möglichkeiten.

Mit der Versuchsanordnung, die in dieser Arbeit verwendet ist es möglich, Messen Sie die Größe eines eingeschlossenen Tropfens berechnen, untersuchen die Bewegung geladener Teilchen in elektrischen Feldern und analysieren, wie eine radioaktive Quelle verwendet werden kann, um die Ladung auf einem Tröpfchen4 ändern .

In den Versuchsaufbau vorgestellt ist eine leistungsfähige Laser nach oben gerichtet und in die Mitte eines Glas Zelle4konzentriert. Der Laser ist ein 2 W 532 nm Diode-pumpte Festkörperlaser (CW), denen in der Regel etwa 1 Watt (W) verwendet. Die Brennweite des Objektivs Trapping ist 3,0 cm. Tröpfchen entstehen mit einem Piezo-Droplet-Dispenser und Abstieg durch den Laserstrahl, bis sie knapp oberhalb der Fokus des Lasers gefangen sind. Trapping tritt auf, wenn die Kraft aus der nach oben gerichtet, Strahlungsdruck der nach unten gerichtete Gewichtskraft entspricht. Es gibt keine Obergrenze Zeit für Überfüllung beobachtet. Die längste Zeit, die ein Tröpfchen eingeschlossen worden ist 9 Stunden, danach, die Falle war ausgeschaltet. Die Interaktion zwischen den Tropfen und Laser-Bereich produziert ein Beugungsmuster, die verwendet wird, um die Größe der Tröpfchen zu bestimmen.

Die Tröpfchen aus dem Spender emittiert bestehen 10 % Glycerin und 90 % aus Wasser. Der Wasserteil verdunstet schnell, ein 20 bis 30 µm großen Glycerin Tröpfchen in die Falle zu verlassen. Die maximale Größe eines Tropfens, die aufgefangen werden kann beträgt etwa 40 µm. Es gibt keine Verdunstung beobachtet nach ca. 10 s. An dieser Stelle soll alles Wasser verdampft sein. Die lange Trapping-Zeit ohne jede sichtbare Verdunstung angibt, dass gibt es minimale Absorption und der Tropfen im Wesentlichen bei Raumtemperatur ist. Die Oberflächenspannung des Tropfens macht sie kugelförmig. Die Ladung der Tröpfchen erzeugt durch die Tröpfchen-Dispenser richtet sich nach den Umgebungsbedingungen im Labor, wo sie am häufigsten negativ geladen werden. Die oberen und unteren Rand der Trapping-Zelle besteht aus zwei Elektroden, die 25 mm auseinander platziert. Sie können verwendet werden, um eine vertikale elektrische Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) Feld über das Droplet anzuwenden. Das elektrische Feld ist nicht stark genug, um alle Bögen erstellen, selbst wenn 1000 Volt (V) wird über die Elektroden angewendet. Wenn ein DC-Feld verwendet wird, bewegt sich der Tropfen nach oben oder unten in den Laserstrahl in eine neue stabile Gleichgewichtslage. Wenn stattdessen ein AC-Feld angelegt wird, schwingt das Tröpfchen um seine Gleichgewichtslage. Das Ausmaß der Schwingungen hängt von der Größe und Ladung der Tröpfchen, auf die Intensität des elektrischen Feldes und die Steifigkeit der Laser Falle. Ein Bild des Tropfens ist ein Position-Sensitive Detector (PSD), projiziert, die Benutzern erlaubt, die vertikale Position des Tröpfchens verfolgen.

Dieses Werk stellt eine erfolgreiche Initiative der Modernisierung von Lehre und Forschung unter Verwendung von Informations- und Kommunikationstechnologien durch eine innovative RL auf optische schweben von geladenen Tröpfchen die modernen Konzepte der Physik veranschaulicht. Abbildung 1 zeigt die Architektur der RL. Tabelle 1 zeigt die möglichen Verletzungen, die nach ihrer Klasse Laser verursachen können; In diesem Setup ist ein Klasse IV-Laser eingesetzt, welches ist das gefährlichste. Es kann mit bis zu 2,0 W sichtbare Laserstrahlung arbeiten, so dass die Sicherheit durch den remote-Betrieb eindeutig für dieses Experiment eignet. Die optische schweben von geladenen Tröpfchen wurde im Werk von D. Galan Et Al. im Jahr 20185RL vorgestellt. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie es online von Lehrern genutzt werden können, die ihre Schüler in moderne Konzepte der Physik einzuführen, ohne die Kosten, die Logistik oder die Fragen der Sicherheit besorgt sein wollen. Studenten Zugang der RL über ein Webportal, das Netzwerk der interaktiven Universitätslabors genannt (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) in dem sie die Dokumentation über die Theorie, die im Zusammenhang mit dem Experiment und der Einsatz von experimentellen finden Setup mit Hilfe einer Web-Anwendung. Von dem Konzept eines entfernten Labors kann experimentelle Arbeit in der modernen Physik, die teuren und gefährlichen Ausrüstung erfordert neue Gruppen von Studenten erfolgen. Darüber hinaus verbessert es die formalen Lernens durch traditionelle Studenten mit mehr Labor Zeit und Experimente, die normalerweise außen Forschungslabors nicht zugänglich sind.

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Protocol

Hinweis: In diesem Experiment verwendete Laser ist ein Laser der Klasse IV liefert bis zu 1 W sichtbare Laserstrahlung. Alle Mitarbeiter in das Laserlabor vorhanden müssen angemessene Laser Sicherheitstraining durchgeführt haben.

1. praktische experimentelles Protokoll

  1. Sicherheit
    1. Stellen Sie sicher, dass jeder im Labor bewusst ist, dass ein Laser eingeschaltet wird.
    2. Schalten Sie den Laser-Warnlampe im Labor.
    3. Überprüfen Sie, dass keine Uhr oder Metall Ringe getragen und die Laser-Schutzbrille aufsetzen.
    4. Überprüfen Sie, dass die vier Licht absorbierenden Bretter, das Experiment am nächsten sind vorhanden.
    5. Überprüfen Sie den Abstand zwischen der Laser und der absorbierenden Board für Hindernisse. Überprüfen Sie auch, dass der Raum zwischen der Trapping-Zelle und der Strahl Block frei von Objekten.
  2. Die Software und das Experiment vorbereiten.
    1. Schalten Sie den Computer Lab. Warten Sie, bis es betriebsbereit ist.
    2. Öffnen Sie den Remote Start -Ordner auf dem Desktop und klicken Sie auf das Symbol Main1806.vi. Führen Sie das Programm durch Drücken der Pfeiltasten in der linken oberen Ecke.
      Hinweis: Dies öffnet das Steuerprogramm (z.B.Labview) in Abbildung 2 und Abbildung 3 gezeigt und schaltet sich automatisch die Stromversorgung für den Laser und das elektrische Feld. Alle Tasten, die von nun an in diesem Abschnitt aufgeführten beziehen sich auf diejenigen, die in diesen Zahlen angezeigt werden.
    3. Aktivieren Sie unter "EJS Variablen" das Kontrollkästchen namens "Laser Remote Enable2" Power und "Laser-current2" auf 25 festgelegt, so dass die Laser macht Folie auf der rechten Seite bei 25 landet %. Beobachten Sie den Laserstrahl mit Ausrichtung Laser Schutzbrille um sicherzustellen, dass der Strahl im Beam Dump landet. Wenn dies nicht der Fall ist, passen Sie die Position der Beam Dump.
    4. Überprüfen Sie Drops2 und bewegen Sie die Spitze des Dispensers Tropfen, bis die Tropfen in den Laserstrahl fallen. Tun Sie dies durch eine Anpassung der Übersetzung-Bühne mit Buchstaben A in Abbildung 4gekennzeichnet. Drehen Sie zu diesem Zweck vorsichtig die treibenden Schrauben an der Basis der Übersetzung Stufe bis die gewünschte Position erreicht ist.
      1. Wenn kein Tropfen kommen, gelten Sie einige Druck in der Spritze, bis ein Tropfen in der Spitze des Dispensers angezeigt wird. Wischen Sie ihn sorgfältig (fragile Spitze) mit einem Papier mit Aceton. Die Tropfen sollten jetzt kommen. In diesem Fall von Punkt 1.2.4 anfangen.
    5. Die Laserleistung auf etwa 66 % mit den aktuellen 2 Laser Eingabefeldes und Falle ein Tröpfchen zu erhöhen. Deaktivieren Sie die Option " Drops2 ", als ein Tröpfchen eingeschlossen ist.
      Hinweis: Abbildung 5 zeigt ein Tröpfchen in die experimentelle Umgebung eingefangen. Der unteren grüne Punkt entspricht der realen Tropfen, während die oberen seine Reflexion auf dem Glas der Zelle ist in dem der Tropfen befindet. Von diesem Moment an wird es sein, dass das eingeschlossene Tröpfchen jetzt auf die PSD abgebildet wird.
  3. Bestimmen Sie die Größe eines Tropfens.
    1. Passen Sie die Laserleistung, bis die PSD-Position so nah wie möglich auf Null ist.
      Hinweis: als Tröpfchen unterhalb oder oberhalb der früheren Trapping-Positionen, je nach Leistung des Lasers oder der Größe/Gewicht gefangen werden können. Dieser Schritt wird durchgeführt, um die Tropfen-Bild in die Mitte der PSD verschieben.
    2. Die Beugungsmuster erstellt auf dem Bildschirm zu beobachten (siehe Abbildung 1). Nehmen Sie ein Bild mit der Web-Kamera positioniert ist, um den Bildschirm von unten zu beobachten.
      Hinweis: Das Muster wird durch Laserlicht gebeugt durch das eingeschlossene Tröpfchen verursacht.
    3. Verwenden Sie das Bild, um festzustellen, Entfernungen von der Linie 1 bis zwei beliebige Minima im Bild markiert. Der Abstand ist positiv, wenn es weiter von der Tropfen ist, als die Linie 1, sonst negativ gekennzeichnet. Fügen Sie 40 cm auf beiden Strecken. Rufen Sie die kürzeste eine1, und die längste eine2. Verwenden Sie Gleichung 1, um die Größe der Tröpfchen zu berechnen:
      Equation 1(1)
      wo x ist der vertikale Abstand von der Tropfen auf dem Bildschirm (X = 23,5 cm), λ ist die Wellenlänge des Laserlichts (λ = 532 nm) und Δn ist die Anzahl der Fransen (Integer) zwischen die beiden Minima in der Berechnung verwendet.
      Hinweis: Wenn das Tröpfchen in der Mitte der PSD abgebildet wird, ist der Abstand (X), von der Tropfen auf dem Bildschirm 23,5 ± 0,1 cm. Eine ausführlichere Erklärung des Prozesses finden Sie in der Arbeit von J. Swithenbank Et al. 6.
  4. Bestimmen Sie die Polarität der Ladung des Tropfens.
    1. Wählen Sie die Registerkarte " laufen auf der rechten Seite des EJS Variablen und das E-Feld DC control2 auf + 2 V (siehe Abbildung 3). Vorsichtig sein, da die Spannung an die Elektrode nun 200 V ist.
      Hinweis: Die Polarität der Tröpfchen kostenlos ergibt sich aus beobachten, wie der Tropfen auf einem angewandten vertikalen elektrischen Feld reagieren. Eine Skizze, wie das elektrische Feld angelegt ist in Abbildung 6 zu sehen
  5. Die Ladung der Tröpfchen zu bestimmen
    Hinweis: Um die Ladung der Tröpfchen zu berechnen, muss man zuerst die Größe der Tröpfchen zu messen. Das Gewicht des Tropfenabscheiders kann dann bestimmt werden, da die Dichte der Flüssigkeit bekannt ist. Abbildung 7 beschreibt das Verfahren schematisch.
    1. Das E-Feld DC control2 auf Null gesetzt.
    2. Schätzen Sie ein und beachten Sie einen durchschnittlichen Wert für die Position der Tropfen von der PSD normalisieren Position -Ablaufverfolgung in der Diagramm-Wellenform.
    3. Notieren Sie den Wert der Laserleistung. Dieser Wert wird FRad1 in Gleichung 2 sein.
    4. Legen Sie die E-Feld DC control2 zwischen + 1 und + 5 Volt oder -1 und-5 Volt , dass die Tropfen nach oben verschoben wird. Das Tröpfchen wird nun an eine neue Position. Reduzieren Sie langsam die Laserleistung bis die Tropfen zurück in seine ursprüngliche Position wie in Schritt 1.5.2 erwähnt ist. Notieren Sie sich die neue Laserleistung (FRad2).
      Wenn der Tropfen verloren geht, Drops2 zu überprüfen und von Schritt 1.2.4 anfangen.
    5. Verwenden Sie das folgende Verfahren, um die Gebühr zu berechnen. Berechnen Sie zunächst, die Kraft des elektrischen Feldes:
      Equation 2(2)
    6. Bestimmen Sie die absolute Ladung, die Verwendung des Ausdrucks
      Equation 3(3)
      Hier d ist der Abstand zwischen den Elektroden und U ist die angelegte Spannung.

2. remote Experimente Protokoll

  1. Zugriff auf die entfernten Labor.
    1. UNILabs Webseite in einem Webbrowser öffnen: https://unilabs.dia.uned.es/
    2. Bei Bedarf wählen Sie die gewünschte Sprache aus. Die Option ist auf das erste Element im Menü unter der Überschrift gefunden.
    3. Melden Sie sich mit den folgenden Daten:
      Benutzername: test
      Passwort: test
      Hinweis: Der Login-Rahmen ist unter News und Einführung Infos der Webseite.
    4. Klicken Sie im Kursbereich, neben den Login-Bereich links auf das Logo der Universität Göteborg (GU).
    5. Klicken Sie auf Optischen Levitation Zugang zu dem Material dieses Experiments.
    6. Rufen Sie entfernte Labor, indem Sie auf Remote Labor der optischen Levitation. Danach sicherstellen Sie, dass die Hauptrahmen der Webseite zeigen die Benutzeroberfläche des entfernten Labors, wie in Abbildung 8dargestellt.
  2. Verbinden Sie mit dem optischen Levitation-Labor.
    Hinweis: Die Anleitung hier siehe Abbildung 8.
    1. Klicken Sie auf die Schaltfläche verbinden . Wenn die Verbindung erfolgreich ist, ändert sich die Schaltflächentext für Connected.
      Hinweis: Wenn ein Benutzer eine zum entfernten Labor Verbindung, strahlt es ein akustisches Signal, das andere Menschen in der näheren Umgebung warnt davor, dass jemand einschalten und den Laser aus der Ferne manipulieren.
    2. Klicken Sie auf Tracking-Tröpfchen und überprüfen Sie, ob die PSD-Daten empfangen werden.
      Hinweis: Da gibt es keine Tröpfchen zu diesem Zeitpunkt erfasst, ist der erhaltene Wert nicht relevant.
    3. Klicken Sie auf Allgemeine Ansicht , alle Elemente des Setups zu identifizieren: der Laser, die Tröpfchen-Dispenser, der Trapping-Zelle und der PSD.
  3. Falle eines Tropfens.
    Hinweis: Die Anleitung hier siehe Abbildung 8.
    1. Sobald die entfernte Labor verbunden ist, klicken Sie auf Trapping Tröpfchen , die Pipette und die Tröpfchen-Dispenser-Düse zu visualisieren.
    2. Klicken Sie auf das schalten Laser herstellen der Verbindung mit dem Laser.
      Hinweis: Der Laser ist manuell und unabhängig vom Rest der Instrumente gestartet, da es die Umwelt schädigen kann, wenn es nicht korrekt ausgerichtet ist.
    3. Legen Sie die Laserleistung durch das erste Viertel der Kontrollstreifen, die unter der Schaltfläche " Laser einschalten " befindet. Warten Sie, bis das grüne Licht sichtbar ist.
    4. Kontrollieren Sie die Laserausrichtung.
      Hinweis: Wenn der Laser korrekt ausgerichtet ist, wird ein dünne grüne Lichtstrahl gesehen. Andernfalls wird ein verstreuten grünen Fleck wahrgenommen werden. Im Falle einer falschen Ausrichtung Herunterfahren Sie des Systems und kontaktieren Sie Labor Wartung Service. Wartungsleistungen zu kontaktieren, klicken auf das Symbol eine Sprechblase befindet sich in der oberen linken Ecke des UNILabs Webseite. Klicken Sie dann auf die Admin-Benutzer , notieren Sie sich die Meldung am unteren Beschreibung des Problems und klicken Sie auf senden. Dies in der Regel nicht geschieht da die Optik fixiert.
    5. Die Laserleistung bis 3/4 des Balkens zu erhöhen.
      Hinweis: Eine Leistung von 60 % (550 mW) ist genug zu erfassen und halten ein Tröpfchen schwebte.
    6. Drücken Sie die Start fällt Taste schalten Sie das Droplet-Dispenser.
    7. Sehen Sie sich das Bild der Webcam und warten Sie, bis ein Blitz entsteht. In diesem Moment wurde ein Tröpfchen erfasst. Überprüfen Sie das Webcambild wieder und stellen Sie sicher, dass ein Tröpfchen in der Mitte der Zelle Überfüllung schwebend ist. Drücken Sie die Taste Stop Tropfen Tropfen Dispenser deaktivieren.
      Hinweis: Optional ist es möglich, eine größere Tröpfchen durch fangen mehrere von ihnen und wartete auf sie, mit der bereits erfasst eine Zusammenführung zu erhalten. Es ist notwendig zu beachten, dass bei mehreren sind gefangen, die Tropfen erhöht, so dass die Laserleistung möglicherweise nicht genug, um es schwebte.
  4. Bestimmen Sie die Größe eines Tropfens.
    Hinweis: Alle Anleitungen beziehen sich auf Abbildung 9.
    1. Drücken Sie die Dimensionierung Tröpfchen -Taste, um das Beugungsmuster beobachten durch das eingeschlossene Tröpfchen gebildet.
    2. Folgen Sie dem gleichen Verfahren wie die praktische Experimente-Protokoll (Schritt 1.3) die Größe der Tropfen durch das Beugungsmuster zu bestimmen.
  5. Bestimmung der Tröpfchen kostenlos Polarität.
    Hinweis: Alle Anleitungen beziehen sich auf Abbildung 10.
    1. Klicken Sie auf die Tracking-Tröpfchen der PSD-Grafik und den Webcam-Blick auf die Pipette anzeigen.
    2. Klicken Sie auf die Registerkarte " elektrisches Feld " im linken unteren Bereich der Benutzeroberfläche.
    3. Die DC-Spannung auf 100 V festgelegt. Um dies zu tun, klicken Sie auf das numerische Feld auf der rechten Seite des Labels DC (V) und geben Sie den Wert 100.
    4. Überprüfen Sie die PSD-Grafik zeigt die Position des Tropfenabscheiders und beobachten Sie, ob das Tröpfchen bewegt sich nach oben oder nach unten, wenn das elektrische Feld angewendet wird.
      Hinweis: Die Polarität der Platten ist so angeordnet, dass wenn eine positive Spannung angelegt wird, ein negativ geladenen Tröpfchen sich nach unten bewegt und einem positiv geladenen Tröpfchen sich nach oben bewegt.
    5. Jetzt ändern Sie den Wert des elektrischen Feldes und Prüfung, die das Tröpfchen in die entgegengesetzte Richtung bewegt; Geben Sie zu diesem Zweck-100 im numerischen Feld DC (V) .
  6. Die Ladung der Tröpfchen zu bestimmen.
    Hinweis: Alle Anleitungen beziehen sich auf Abbildung 10.
    1. Mit einem Tröpfchen eingeschlossen, klicken Sie auf die Tracking-Tröpfchen ansehen.
    2. Wählen Sie das elektrische Feld Menü.
    3. Das DC elektrische Feld mit numerischen Feld DC (V) auf Null gesetzt.
    4. Schätzen und beachten Sie einen durchschnittlichen Wert von den Tröpfchen Stellung durch das Diagramm und die Laserleistung zur Kenntnis.
    5. Legen Sie DC elektrischen Feld auf einen Wert über 500 V bis-500 V zu Tröpfchen, die ihre Position nicht ändern.
    6. Reduzieren Sie oder erhöhen Sie die Laserleistung mit dem Schieberegler zu, bis die Tropfen wieder in seine ursprüngliche Position ist und notieren Sie den neuen Wert der Laserleistung.
    7. Folgen Sie der beschriebene in Schritt 1.5.5, die Tröpfchen-Gebühr zu berechnen.

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Representative Results

Wenn der Laserstrahl ist gut ausgerichtet, und die Bodenplatte sauber ist, sind die Tropfen fast sofort gefangen. Wenn ein Tröpfchen eingeschlossen ist kann es für mehrere Stunden, in der Falle bleiben so dass genügend Zeit für Untersuchungen. Den Radius R der Tröpfchen liegt im Bereich von 25 ≤ f ≤ 35 µm und die Ladung zwischen 1.1x10-17 ±1.1 X10-18 C und 5.5x10-16 ±5.5 X10-17 C. gemessen wurde Die Größe der Tropfen bleibt nach unseren Messungen konstant im Laufe der Zeit aber die Ladung wird langsam Weg, diffuse, kleinere werdenden Reaktionen von der Position der Tropfen zu geben, wenn ein elektrisches Feld anwenden. Dies ermöglicht dem Benutzer eine Möglichkeit, unterschiedliche Ladungen auf der gleichen Tropfen zu messen, wenn er oder sie geduldig genug ist.

Entfernte Labor entwickelt wurde mit einfachen Java/JavaScript-Simulationen7 und ist erreichbar über die UNILabs Webseite8. Was die lokale Steuerungssoftware des Labors wurde es entwickelt mit der Control-Software-Programm. Im Anschluss an die, am meisten getestete Arbeit von D. Chaos Et Al. wurde die Verbindung von lokaler und remote-Software entwickelt. 9. die Idee der Schaffung einer abgelegenen Labor für optische Tröpfchen Levitation auf zwei Säulen beruht: (1) erlauben Forschern aus anderen Teilen der Welt, die nicht über dieses Setup zu arbeiten und (2) für diese Art von Experiment Physik zur Verfügung stellen Studenten.

Die Umwelt hat ausgiebig getestet, sowohl lokal als auch Remote zur Unterstützung der Arbeit der Forscher. Es hat sich gezeigt, dass Tröpfchen Erfassung zwischen 2 Sekunden und 1 Minute dauern kann. Diese Veränderung beruht auf Pipette Reinigung und Laser-Ausrichtung. Aus diesem Grund wird eine kleine Menge der Wartung durchgeführt jeden Tag um das Labor ordnungsgemäß zu ermöglichen. Sobald die Tropfen eingenommen wurde, es widersteht, schwebend über lange Zeiträume hinweg, erreicht mehr als eine halbe Stunde, einen Zeitraum, der ausreicht, um alle Aufgaben, die das System bereitstellt. Die Tatsache, dass einige Tropfen einstürzen können und gefangen werden, ermöglicht es Benutzern, schnell zu überprüfen, die Korrektur der Protokolle in Bezug auf die Berechnung der Masse und elektrische Ladung, als der Unterschied in den Ergebnissen zwischen zwei Tropfen zusammenbrach, und ein einziger Tropfen ist mehr bedeutend als wenn sie nur zwei einzigartige Tropfen erwischt zu verschiedenen Zeitpunkten vergleichen. Darüber hinaus dient angesichts der Stabilität und Rekonfigurierbarkeit der Umwelt, es als Grundlage für das Hinzufügen neuer Instrumentierung und damit neue Funktionalitäten. Ein Beispiel für diese Tatsache ist eine Analyse, die heute an der Universität Göteborg, Untersuchung des Einflusses von radioaktiven Proben auf das Phänomen der optischen Levitation durchgeführt.

Der einzig wirksame Weg ermöglichen viele Studenten auf diese Art von Erfahrung ist durch einen entfernten Labor, vor allem aus Gründen der Sicherheit. Auch zeigt Forschung wie die von Lundgren Et Al. , dass Schüler Erfahrung im Umgang mit einem entfernten Labor so nützlich wie die eines herkömmlichen Labor10ist. In der Umgebung können jüngere Schüler, das Konzept der optischen Levitation zu entdecken, indem man beobachtet, wie der Laserstrahl effektiv Materie schweben kann. Der Lehrer kann elektrischen Ladung auch den Studierenden einführen, durch das Studium der Polarität der Tröpfchen. Mehr für Fortgeschrittene, die Berechnung des Tropfenabscheiders Masse und Ladung in die Arbeit-Protokoll eingeschlossen werden können.

Das Labor wurde im Physikunterricht in Halmstad, Schweden, mit Studenten aus der International Baccalaureate (IB) Diploma Program (www.ibo.org) verwendet. Der Lehrer folgte das remote Protokoll in Schritt2 beschrieben. Nach den Erfahrungen wurden der Studenten befragt, indem Sie ihnen Fragen über die Umwelt, die Messungen, die zugrunde liegenden physikalischen Begriffen, was, die Sie gelernt hatte, die und die vor- und Nachteile, die sie von der Nutzung der entfernten Labors wahrgenommen. Insgesamt verstanden die Schüler der Prozess gefolgt und berechnet die Größe der Tropfen, Ergebnisse in der Nähe der tatsächlichen Größe des eingeschlossenen Tropfens. Sie verstanden die Risiken im Umgang mit High-Power-Laser, und einige vorgeschlagen, die Visualisierung des Experiments, wie bessere Kameras zu kaufen oder augmented Reality Elemente einschließlich Verbesserungen hinzufügen.

Figure 1
Abbildung 1: Architektur der entfernten Labor experimentieren. Internet-Nutzer anschließen an die UNILabs Webseite mit ihrem Computer oder mobilen Geräten. Die Webumgebung dient die Testabteilung am Remotestandort JavaScript Anwendung, um das Experiment fernzusteuern. Diese Anwendung verbindet sich mit einem Computer im Labor durch die JIL Server Middleware, ermöglicht die Kommunikation zwischen JavaScript-Anwendungen und LabVIEW-Programme befindet. Schließlich kommuniziert der Labor-Computer mit der Versuchsanordnung mit den notwendigen DAQ-Karten und ein LabVIEW-Programm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: LabView-Programm: Konfigurations-Panel. Die Registerkarte "Konfiguration" in das LabView-Programm dient für den Beginn des Experiments durch Einschalten des Lasers auf und starten die Tröpfchen im Hands-on-Modus experimentieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: LabView-Programm: Panel ausgeführt. Die Registerkarte "Konfiguration" in das LabView-Programm dient zur Ermittlung der Ladung der eingeschlossenen Tröpfchen im Hands-on-Modus experimentieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: Detail des experimentellen Aufbaus. Die Tröpfchen-Dispenser wird am oberen Rand des Bildes, die Zelle in der Mitte und an der Unterseite, die Web-Kamera angezeigt. Buchstabe A: die Verschiebetisch verwendet, um die Position des Spenders im Inneren der Zelle anpassen. Buchstabe B: das Objektiv von der PSD verwendet, um das eingeschlossene Tröpfchen wahrnehmen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5: eine eingeschlossene Tröpfchen schweben. Im Bild ist es möglich, einen der Tröpfchen schweben im Inneren der Zelle des Setups zu sehen. Die grüne Farbe wird durch den Laser und die Tatsache des Sehens zwei Punkte anstelle von einem ist, dass der Tropfen auf dem Glas der Zelle reflektiert wird. In diesem Fall der obere Punkt ist die Reflexion und der untere Punkt ist das Droplet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 6
Abbildung 6: Elektrode-Konfiguration für die Anwendung von elektrischer Feldern. Versuchsaufbau für die Anwendung des elektrischen Feldes auf das Droplet. Wenn eine positive Spannung angelegt wird, negative geladene Tröpfchen bewegt sich nach unten und Tröpfchen mit positiver Ladung bewegt sich nach oben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 7
Abbildung 7: Ermittlung der Tröpfchen kostenlos. Eine schematische Skizze der Prozedur, die die absolute Ladung eine optisch levitierte Tropfens zu bestimmen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 8
Abbildung 8: Remote Lab Schnittstelle: trapping ein Tröpfchen. In abgelegenen experimentieren wird dieses Webinterface Anwendung verwendet, um ein Tröpfchen zu fangen. Das Bild zur Verfügung gestellt von der Labor-Webcam aufgrund des gestreuten Lichtes ein eingeschlossenes Tröpfchen entnehmen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 9
Abbildung 9: Remote Lab Schnittstelle: Dimensionierung eines Tröpfchens. In abgelegenen experimentieren dient dieses Webinterface Anwendung die Größe eines eingeschlossenen Tropfens zu bestimmen. Das Beugungsmuster von Lab-Webcam angezeigt und die Skala erlauben Benutzern, die Größe des eingeschlossenen Tropfenabscheiders bestimmen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 10
Abbildung 10: Remote Lab Schnittstelle: Anwendung eines elektrischen Feldes. In abgelegenen experimentieren dient dieses Webinterface Anwendung ein elektrischen Feldes auf das eingeschlossene Tröpfchen anwenden. In diesem Beispiel wird ein 200 V AC elektrisches Feld angewendet. Das Lab-PSD-Signal wird der Kurve auf der rechten Seite angezeigt und es zeigt die oszillierende Bewegung des Tröpfchens nach ein elektrisches Feld ändern, die an angewendet wurde, um t = 10 s. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

Laser-Klasse Mögliche Verletzungen
Klasse 1 Unfähig, irgendwelche Verletzungen während des normalen Betriebs
Klasse 1M Nicht verursachen Sie jeder Art von Verletzungen, wenn keine optische Sammler verwendet werden.
Klasse 2 Sichtbare Laser, die keine Verletzungen in 0,25 verursachen s
Klasse 2M Wenn keine optische Sammler verwendet werden, sie sind unfähig von Verletzungen in 0,25 s.
Klasse 3R Etwas unsicher für Intrabeam anzeigen; bis zu 5 Mal die Klasse Grenze 2 für sichtbare Laser oder 5 Mal die Klasse 1-Grenze für unsichtbare Laser
Klasse 3 b Auge Gefahr für direkte Vision, in der Regel kein Auge Gefahr, Vision zu verbreiten
Klasse 4 Augen- und Gefahr für die direkte und verstreuten Exposition

Tabelle 1: Laser-Klassifizierung Zusammenfassung. Die verschiedenen Laser auf dem Markt können nach ihrer Gefährlichkeit eingestuft werden und die damit verbundenen Risiken in ihrer Verwendung. Die Tabelle zeigt die verschiedenen Arten von Lasern zur Verfügung (in der linken Spalte) und deren Gefahrenpotential (in der rechten Spalte).

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Discussion

Dieses Werk stellt eine Einrichtung für die Durchführung einer modernen Physik Experiments in der Tröpfchen optisch schwebte sind. Das Experiment kann entweder in einer traditionellen praktische Weise oder aus der Ferne durchgeführt werden. Mit der remote-System erhalten Studenten und Forscher auf der ganzen Welt Zugang zu den Versuchsaufbau. Dies garantiert auch den Benutzern Sicherheit, da sie nicht brauchen, um in Anwesenheit der Hochleistungslaser und elektrische Felder für das Experiment benötigt werden. Darüber hinaus können die Benutzer mit der Instrumentierung auf sehr einfache Weise interagieren, indem hochrangige Befehle über den Computer durch die Automatisierung des Aufbaus zu senden. Im Vergleich zu den Hands-on-Verfahren bietet die remote Experimente eine sehr ähnliche Erfahrung. Einer der Schlüsselpunkte des Experiments dargestellt ist die Größe der Tröpfchen, erhalten, da es einen großen Einfluss auf die Berechnung der absoluten Ladung hat. Drei verschiedene Methoden wurden verwendet, um die Größe zu bestimmen, und sie alle stimmen sehr gut: (1) die oben (unter Verwendung des Beugungsmusters) (2) zum Schwingen des Tröpfchens mit einem vertikalen elektrischen Feld und verwenden die Phasendifferenz zwischen der elektrischen beschriebene Methode bestimmen Sie die Größe, die Position, Feld und (3), den Schatten des Tropfens auf einem Bildschirm und mit einer Kamera zu visualisieren. Das Setup wird auch für die Recherche nach eingeschlossenen Tröpfchen im Vakuum vorbereitet. Zuerst das Droplet ist gefangen in Luft, dann die Zelle eingeschlossen ist, und die Luft entfernt. Auf diese Weise wird es möglich, die Eigenschaften eines eingeschlossenen Tropfens im Vakuum zu untersuchen sein.

Mit dem vorgestellten remote Lab können die Ladung und die Größe der Mikrometer-dielektrische Partikel ermittelt werden. Eine Weiterentwicklung des Setups bot eine Möglichkeit, mit high-Speed Kameras11Mikrometer-sized Droplet-Kollisionen zu studieren. Mit der Versuchsaufbau als Basis wurde es als sensible Weise, verfolgen Sie die Position der Partikel mit ein Sagnac Interferometer12untersucht. Unsere Methode wird verwendet, um die Ladung und Größe der Tröpfchen eins nach dem anderen zu erhalten. Die Messungen nehmen einige Zeit durchführen, so ist es vor allem ein Werkzeug für die Arbeit mit einzelnen Tröpfchen. Wenn das Ziel eine gute Statistik Erfassung einer großen Anzahl von Tropfen, sind andere Methoden besser, wie die Methode von Polat13präsentiert.

Wenn die Messungen vorgenommen werden, das Tröpfchen wird freigegeben und senkt sich auf den Boden der Zelle, leider macht das untere Glas verschmutzt. Dies ist eine langfristige Einschränkung, da das Laserlicht streuen kann, dass schwerer zu fangen die nächsten Tropfen. Es ist jedoch leicht gelöst mit einer regelmäßigen Reinigung der Zelle.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde vom schwedischen Forschungsrat, Carl-Trygger´s-Stiftung für wissenschaftliche Forschung und das spanische Ministerium für Wirtschaft und die Wettbewerbsfähigkeit im Rahmen des Projekts CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. unterstützt Dank Sannarpsgymnasiet für die Vermietung versuchen uns die RL mit Studenten.

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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