Sicuro sperimentazione in ottica levitazione di goccioline caricate utilizzando Remote Labs

Engineering

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Summary

Levitazione ottica è un metodo per levitare oggetti di dielettrico micrometro-dimensioni usando la luce laser. Che utilizzano computer e sistemi di automazione, un esperimento sulla levitazione ottico può essere controllato da remoto. Qui, vi presentiamo un sistema di levitazione ottica comandati a distanza che è utilizzato sia per la didattica e scopi di ricerca.

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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

Il lavoro presenta un esperimento che permette lo studio di molti processi fisici fondamentali, quali la pressione del fotone, diffrazione della luce o il movimento di particelle cariche in campi elettrici. In questo esperimento, un fascio laser focalizzato che punta verso l'alto levitare delle gocce liquide. Le goccioline sono levitated dalla pressione del fotone del raggio laser focalizzato che bilancia la forza gravitazionale. Il modello di diffrazione creato quando illuminato con la luce laser può aiutare a misurare la dimensione di una gocciolina intrappolata. La carica della goccia intrappolata può essere determinata studiando il movimento quando viene applicato un campo elettrico diretto verticalmente. Ci sono diverse ragioni che motivano questo esperimento per essere controllata in remoto. Gli investimenti necessari per l'installazione supera la quantità normalmente disponibile nei laboratori di insegnamento universitario. L'esperimento richiede che un laser di classe 4, che è nocivo per la pelle e gli occhi e l'esperimento utilizza tensioni dannose.

Introduction

Il fatto che la luce porta slancio fu suggerito da Kepler quando ha spiegato perché la coda di una cometa sempre punti lontano dal sole. L'uso di un laser per spostare e intrappolare oggetti macroscopici in primo luogo è stato segnalato da r. Ashkin e J. M. Dziedzic nel 1971 quando hanno dimostrato che è possibile per far levitare micrometro dimensioni dielettrico oggetti1. L'oggetto intrappolato è stato esposto a un ascendente diretto il raggio laser. Parte del fascio laser è stata riflessa sull'oggetto che ha imposto una pressione di radiazione esercitata su di esso che era sufficiente a controbilanciare la gravità. La maggior parte della luce, tuttavia, era rifratta attraverso l'oggetto dielettrico. Il cambiamento della direzione della luce provoca un rinculo dell'oggetto.  L'effetto netto del rinculo per una particella collocato in un profilo di fascio gaussiano è che la goccia si muoverà verso la regione di più alta intensità della luce2. Quindi, una posizione di cattura stabile è creata al centro del fascio laser in una posizione leggermente sopra il punto focale dove la pressione di radiazione equilibra gravità.

Poiché il metodo di levitazione ottico consente piccoli oggetti intercettati e controllati senza essere in contatto con eventuali oggetti, fenomeni fisici differenti possono essere studiati utilizzando una gocciolina sospesi. Tuttavia, l'esperimento presenta due limitazioni per essere riprodotto e applicato alle scuole o università, poiché non tutte le istituzioni possono permettersi l'attrezzatura necessaria e ci sono alcuni rischi nell'operazione di hands-on del laser.

Laboratori remoti (RLs) offrono accesso remoto online per l'apparecchiatura di vero e proprio laboratorio per attività sperimentali. RLs per la prima volta alla fine degli anni 90, con l'avvento di Internet, e la loro importanza e l'uso sono cresciuti nel corso degli anni, come la tecnologia è progredita e alcune delle loro principali preoccupazioni sono state solved3. Tuttavia, il nucleo di RLs è rimasta la stessa nel tempo: l'uso di un dispositivo elettronico con connessione a Internet per accedere a un laboratorio e controllare e monitorare un esperimento.

A causa della loro natura remota, RLs può essere utilizzato per offrire attività sperimentali per utenti senza esporli a rischi che possono essere associati con la realizzazione di tali esperimenti. Questi strumenti consentono agli studenti di trascorrere più tempo al lavoro con attrezzature di laboratorio e quindi sviluppano migliori capacità di laboratorio. Altri vantaggi di RLs sono che 1) facilitano per portatori di handicap eseguire lavoro sperimentale, 2) espandere il catalogo degli esperimenti offerti agli studenti condividendo RLs tra università e 3) aumentare la flessibilità nella pianificazione del lavoro di laboratorio, dal momento che può essere eseguito da casa quando è chiuso un laboratorio di fisica. Infine, RLs offrono anche formazione in sistemi controllati da computer, che al giorno d'oggi sono una parte importante della ricerca, lo sviluppo e l'industria di funzionamento. Di conseguenza, RLs solo non può offrire una soluzione per entrambi i problemi finanziari e di sicurezza che tradizionali laboratori presentano, ma anche forniscono opportunità sperimentali più interessanti.

Con la messa a punto sperimentale utilizzato in questo lavoro, è possibile misurare la dimensione e carica di una gocciolina intrappolata, studiare il moto delle particelle cariche in campi elettrici e analizzare come una sorgente radioattiva può essere utilizzata per modificare la carica su una goccia4 .

Nel setup sperimentale presentato, un potente laser è diretto verso l'alto e messo a fuoco nel centro di una cella di vetro4. Il laser è un 2 W 532 nm pompato a diodi laser a stato solido (CW), dove di solito circa 1 Watt (W) è usato. La lunghezza focale della lente dell'intrappolamento è 3,0 cm. goccioline vengono generate con un dispenser per gocce piezo e scendono attraverso il raggio laser fino a quando sono intrappolati appena sopra il fuoco del laser. Intrappolamento si verifica quando la forza da verso l'alto diretto pressione di radiazione è uguale alla forza gravitazionale diretta verso il basso. Non c'è alcun limite di tempo osservato per il trapping. Il più lungo tempo che è stato intrappolato un droplet è 9 ore, da allora in poi, la trappola è stata disattivata. L'interazione tra la goccia e campo laser produce un pattern di diffrazione che viene utilizzato per determinare le dimensioni delle goccioline.

Le goccioline emesse dal dispenser è costituito da 10% glicerolo e 90% di acqua. La parte di acqua evapora rapidamente, lasciando una goccia di glicerolo dimensioni 20-30 µm nella trappola. La dimensione massima di una goccia che può essere intercettata è circa 40 µm. Non c'è nessuna evaporazione osservato dopo circa 10 s. A questo punto, tutta l'acqua dovrebbe avere evaporato. Il tempo di cattura lungo senza qualsiasi evaporazione osservabile indica che c'è un assorbimento minimo e che la goccia è essenzialmente a temperatura ambiente. La tensione superficiale delle gocce li rende sferica. La carica delle goccioline generate dal dispenser per gocce dipende dalle condizioni ambientali in laboratorio, dove hanno più comunemente diventare caricati negativamente. La parte superiore e parte inferiore della cella intrappolamento è costituito da due elettrodi posti 25 mm apart. Essi può essere utilizzati per applicare un verticale elettrico corrente (continua CC) o corrente alternata (AC) campo sopra la goccia. Il campo elettrico non è abbastanza forte per creare qualsiasi archi anche se 1000 Volt (V) è applicato sopra gli elettrodi. Se viene utilizzato un campo DC, la goccia si muove verso l'alto o verso il basso nel raggio laser in una nuova posizione di equilibrio stabile. Se invece è applicato un campo di AC, la gocciolina oscilla intorno alla sua posizione di equilibrio. L'ampiezza delle oscillazioni dipende dalla dimensione e carica della goccia, l'intensità del campo elettrico e sulla rigidità della trappola laser. Un'immagine della goccia è proiettata su un rivelatore sensibile alla posizione (PSD), che consente agli utenti di tenere traccia della posizione verticale della goccia.

Questo lavoro presenta un'iniziativa di successo di modernizzare l'insegnamento e la ricerca utilizzando tecnologie dell'informazione e comunicazione attraverso un innovativo RL sulla levitazione ottica di goccioline cariche che illustra concetti moderni in fisica. Figura 1 illustra l'architettura del RL. La tabella 1 Mostra le possibili lesioni che possono causare i laser in base alla loro classe; In questa configurazione, è stato utilizzato un laser di classe IV, che è quella più pericolosa. Può funzionare con fino a 2.0 W della radiazione laser visibile, così la sicurezza fornita dall'operazione remota è chiaramente adatta per questo esperimento. La levitazione ottica di goccioline cariche di RL è stato presentato nell'opera di D. Galan et nel 20185. In questo lavoro, è dimostrato come può essere utilizzato online da insegnanti che vogliono introdurre gli studenti ai moderni concetti di fisica senza dover essere preoccupati per i costi, la logistica o i problemi di sicurezza. Il RL di accesso gli studenti attraverso un portale web chiamato rete di laboratori interattivi di Università (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) in cui si possono trovare tutti i documenti riguardanti la teoria relazionato all'esperimento e l'uso di sperimentale installazione per mezzo di un'applicazione web. Utilizzando il concetto di un laboratorio remoto, lavoro sperimentale nella fisica moderna che richiede attrezzature costose e pericolose possono essere resi disponibile a nuovi gruppi di studenti. Inoltre, migliora l'apprendimento formale fornendo agli studenti tradizionali con più tempo di laboratorio e con esperimenti che normalmente non sono accessibili all'esterno di laboratori di ricerca.

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Protocol

Nota: Il laser utilizzato in questo esperimento è un laser di classe IV consegna fino a 1 W di radiazione laser visibile. Tutto il personale presente in laboratorio laser devono hanno condotto la formazione sulla sicurezza laser adeguata.

1. protocollo sperimentale hands-on

  1. Sicurezza
    1. Assicurarsi che tutti nel laboratorio è consapevoli che un laser si accende.
    2. Accendere la lampada spia laser in laboratorio.
    3. Verificare che nessun orologio o metallo anelli sono indossati e mettere gli occhiali laser.
    4. Controllare che le quattro tavole, più vicina all'esperimento di assorbimento della luce, sono a posto.
    5. Controllare lo spazio tra il laser e la piastra assorbente per ostacoli. Anche di verificare che lo spazio tra la cella di intrappolamento e il blocco del fascio sia libero da oggetti.
  2. Preparare il software e l'esperimento.
    1. Accendere il computer di laboratorio. Attendere fino a quando è pronto per funzionare.
    2. Aprire la cartella di Avvio remoto dal desktop e fare clic sull'icona Main1806.vi. Eseguire il programma premendo la freccia in alto a sinistra.
      Nota: Verrà aperto il programma di controllo (per esempio, Labview) mostrato in Figura 2 e Figura 3 e si accende automaticamente l'alimentazione per il laser e il campo elettrico. Tutti i pulsanti a cui fa riferimento d'ora in avanti in questa sezione si riferiscono a quelli che compaiono in queste figure.
    3. Sotto "variabili di EJS", contrassegnare la casella di controllo denominato "Laser remoto Enable2" potenza e impostare "laser current2" a 25 in modo che la diapositiva di potenza laser a destra finisce al 25%. Osservare il fascio laser utilizzando occhiali laser di allineamento per assicurarsi che il fascio finisce nella discarica della trave. In caso contrario, regolare la posizione del dump fascio.
    4. Verifica versamento accidentale di liquidi2 e spostare la punta dell'erogatore goccia fino a quando le goccioline sono in calo il raggio laser. Eseguire questa operazione regolando la fase di traduzione contrassegnata con la lettera A nella Figura 4. A tale scopo, girare delicatamente le viti guida alla base della fase di traduzione fino a quando non viene raggiunta la posizione desiderata.
      1. Se non arrivano gocce, applicare un po' di pressione nella siringa fino a quando una gocciolina è mostrata nella punta dell'erogatore. Asciugarlo accuratamente (punta fragile) utilizzando una carta con acetone. Le goccioline dovrebbero ora cominciano ad arrivare. In questo caso, ricominciare dal punto 1.2.4.
    5. Aumentare la potenza del laser circa il 66% utilizzando il campo di input di corrente 2 Laser e trappola una gocciolina. Deselezionare il versamento accidentale di liquidi2 appena una gocciolina è intrappolata.
      Nota: La figura 5 Mostra una gocciolina catturata nell'ambiente sperimentale. Il punto verde inferiore corrisponde alla goccia reale, mentre quella superiore è suo riflesso sul vetro della cella in cui si trova la goccia. Da questo momento in poi, sarà che la goccia intrappolata ora è ripreso sul PSD.
  3. Determinare la dimensione di una goccia.
    1. Regolare la potenza del laser fino a quando la posizione di PSD è il più vicina possibile a zero.
      Nota: poiché le goccioline possono essere intrappolate sotto o sopra le posizioni precedenti di intrappolamento, a seconda della potenza del laser o le dimensioni/peso. Questo passaggio viene eseguito per spostare l'immagine di goccia al centro del PSD.
    2. Osservare il modello di diffrazione creato sullo schermo (Vedi Figura 1). Scattare una foto con la webcam che è posizionata per osservare lo schermo da sotto.
      Nota: Il modello è causato da luce laser diffratto dalla gocciolina intrappolata.
    3. Utilizzare l'immagine per determinare distanze dalla riga contrassegnata 1 o due minimi arbitrari nell'immagine. La distanza è positiva se è più lontano la goccia che la riga contrassegnata 1, altro negativo. Quindi, aggiungere 40 cm per entrambe le distanze. Chiamare il più breve un1e la più lunga un2. Utilizzare 1 equazione per calcolare la dimensione della goccia:
      Equation 1(1)
      dove x è la distanza verticale dal droplet per lo schermo (x = 23,5 cm), λ è la lunghezza d'onda della luce laser (λ = 532 nm) e Δn è il numero di frange (integer) tra i due minimi utilizzati nel calcolo.
      Nota: Quando la goccia è immaginata nel mezzo del PSD, la distanza (x), dalla goccia alla schermata è 23,5 ± 0,1 cm. Una spiegazione più dettagliata del processo può essere trovata nell'opera di J. Swithenbank et al. 6.
  4. Determinare la polarità delle cariche della goccia.
    1. Scegliere la scheda esecuzione a destra delle variabili EJS e impostare il campo E DC control2 + 2 V (Vedi Figura 3). Fare attenzione, poiché la tensione sull'elettrodo è ora 200 V.
      Nota: La polarità della carica gocciolina è determinata osservando come la goccia rispondono a un campo elettrico verticale applicato. Uno schizzo di come viene applicato il campo elettrico può essere visto nella Figura 6
  5. Determinare la carica della goccia
    Nota: Per calcolare la carica della goccia, è prima necessario misurare la dimensione della goccia. Il peso della goccia può essere determinato quindi poiché la densità del liquido è conosciuta. Figura 7 descrive schematicamente la procedura.
    1. Impostare il campo E DC control2 a zero.
    2. Stimare e prendere nota di un valore medio per la posizione della goccia dalla traccia PSD normalizzare posizione nel Grafico della forma d'onda.
    3. Nota il valore della potenza del laser. Questo valore sarà FRad1 nell'equazione 2.
    4. Impostare il campo E DC control2 tra + 1 e + 5 volt o -1 e -5 volt modo che la goccia si muove verso l'alto. La goccia è ora in una nuova posizione. Lentamente ridurre la potenza del laser fino a quando la goccia è tornato nella sua posizione originale come indicato nel passaggio 1.5.2. Annotare la nuova potenza del laser (FRad2).
      Se la goccia viene persa, verifica versamento accidentale di liquidi2 e ricominciare dal punto 1.2.4.
    5. Utilizzare la procedura seguente per calcolare la carica. In primo luogo, calcolare la forza del campo elettrico:
      Equation 2(2)
    6. Determinare il carico assoluto utilizzando l'espressione
      Equation 3(3)
      Qui d è la distanza tra gli elettrodi e U è la tensione applicata.

2. remoto sperimentazione protocollo

  1. Accesso al laboratorio remoto.
    1. Aprire la pagina Web di UNILabs su un browser web: https://unilabs.dia.uned.es/
    2. Se necessario, selezionare la lingua desiderata. L'opzione si trova presso il primo elemento del menu sotto l'intestazione.
    3. Il login con i seguenti dati:
      Username: prova
      Password: prova
      Nota: Il telaio di login è sotto le informazioni notizie e introduzione della pagina Web.
    4. In zona corso, accanto all'area di login, clicca sul logo della Università di Göteborg (GU).
    5. Fare clic sulla Levitazione ottica per accedere al materiale di questo esperimento.
    6. Accesso remoto laboratorio cliccando sul Laboratorio remoto della levitazione ottica. Dopo di che, assicurarsi che il telaio principale della pagina Web Mostra l'interfaccia utente del laboratorio remoto, come mostrato in Figura 8.
  2. Collegare al laboratorio ottico levitazione.
    Nota: Tutte le istruzioni qui fare riferimento alla Figura 8.
    1. Fare clic sul pulsante Connetti . Se la connessione ha esito positivo, il testo del pulsante cambia in connesso.
      Nota: Quando un utente si connette al laboratorio remoto, emette un segnale acustico che avvisa altre persone nella zona circostante che qualcuno accende e manipolare il laser in modalità remota.
    2. Fare clic su rilevamento delle goccioline e verifica che i dati PSD viene ricevuti.
      Nota: Come non ci sono nessun goccioline catturate a questo punto, il valore ottenuto non è pertinente.
    3. Fare clic su vista generale per identificare tutti gli elementi del programma di installazione: il laser, il dispenser per gocce, la cella di intrappolamento e PSD.
  3. Intercettare una gocciolina.
    Nota: Tutte le istruzioni qui fare riferimento alla Figura 8.
    1. Una volta collegato il laboratorio remoto, fare clic sul pulsante catturare gocce di visualizzare la pipetta e l'ugello erogatore della gocciolina.
    2. Fare clic sul pulsante attivare laser per stabilire la connessione al laser.
      Nota: Il laser viene avviato manualmente e indipendentemente dal resto degli strumenti perché può danneggiare l'ambiente se non è correttamente allineato.
    3. Impostare la potenza del laser intorno al primo trimestre la striscia di controllo, che si trova sotto il pulsante attivare laser . Attendere che la luce verde è visibile.
    4. Controllare l'allineamento del laser.
      Nota: Se il laser è correttamente allineato, un fascio di luce sottile verde sarà visibili. In caso contrario, sarà percepita una macchia verde sparso. In caso di allineamento non corretto, arrestare il sistema e contattare i servizi di manutenzione del laboratorio. Per contattare i servizi di manutenzione, fare clic sull'icona che rappresenta una bolla di discorso, situato nell'angolo superiore sinistro della pagina Web UNILabs. Quindi fare clic su messaggio l'utente Admin , scrivere il messaggio nella parte inferiore che descrive il problema e premere Invia. Questo solitamente non accade, poiché tutte le ottiche sono fissi.
    5. Aumentare la potenza del laser a 3/4 della barra.
      Nota: Una potenza di 60% (550 mW) è sufficiente per catturare e mantenere una goccia levitava.
    6. Premere il pulsante Start gocce per accendere il dispenser per gocce.
    7. Guarda l'immagine della webcam e attendere fino a quando viene prodotto un flash. In quel momento, una gocciolina è stata catturata. Controllare di nuovo l'immagine della webcam e verificare che una gocciolina è levitante nel centro della cella dell'intrappolamento. Premere il tasto Stop gocce per spegnere il dispenser per gocce.
      Nota: Facoltativamente, è possibile ottenere una goccia più grande cattura molti di loro e in attesa di loro di fondersi con quella già catturato. È necessario tenere a mente che se molti sono catturati, l'aumenta la massa della gocciolina affinché la potenza del laser potrebbe non essere sufficiente per mantenerlo levitava.
  4. Determinare la dimensione di una goccia.
    Nota: Tutte le istruzioni qui fare riferimento alla Figura 9.
    1. Premere il pulsante di dimensionamento goccioline per osservare il modello di diffrazione formato dalla gocciolina intrappolata.
    2. Seguire la stessa procedura come il protocollo di sperimentazione pratica (passaggio 1.3) per determinare la dimensione della goccia mediante il modello di diffrazione.
  5. Determinare la polarità di carica gocciolina.
    Nota: Tutte le istruzioni qui fare riferimento alla Figura 10.
    1. Fare clic sul pulsante monitoraggio delle goccioline per visualizzare il grafico PSD e la visualizzazione di webcam della pipetta.
    2. Fare clic sulla scheda campo elettrico in basso a sinistra dell'interfaccia utente.
    3. Impostare la tensione di CC a 100 V. Per effettuare questa operazione, fare clic sul campo numerico a destra dell'etichetta DC (V) e immettere il valore 100.
    4. Controllare il grafico PSD che mostra la posizione della goccia e osservare se la goccia si muove verso l'alto o verso il basso quando il campo elettrico è applicato.
      Nota: La polarità delle piastre è organizzata in modo che se viene applicata una tensione positiva, una gocciolina di carica negativa si sposterà verso il basso e una gocciolina di carica positiva si sposterà verso l'alto.
    5. Ora modificare il valore del campo elettrico e verificare che la goccia si muove nella direzione opposta; per questo scopo, è necessario immettere -100 nel campo numerico di CC (V) .
  6. Determinare la carica della goccia.
    Nota: Tutte le istruzioni qui fare riferimento alla Figura 10.
    1. Avendo una gocciolina intrappolata, fare clic su visualizzazione monitoraggio delle goccioline .
    2. Selezionare il menu di campo elettrico .
    3. Impostare il campo elettrico DC a zero con il campo numerico di CC (V) .
    4. Stimare e nota un valore medio della posizione della gocciolina dato dal grafico e nota la potenza del laser.
    5. Impostare il campo elettrico DC su un valore compreso tra + 500 V e -500 V per rendere la goccia di modificarne la posizione.
    6. Ridurre o aumentare la potenza del laser con il dispositivo di scorrimento fino a quando la goccia è tornato nella sua posizione originale e annotare il nuovo valore della potenza del laser.
    7. Seguire la procedura descritta al punto 1.5.5 per calcolare la carica di goccia.

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Representative Results

Quando il raggio laser è ben allineato e la piastra inferiore è pulita, le gocce sono intrappolate quasi immediatamente. Quando una gocciolina è intrappolata può rimanere nella trappola per diverse ore, dando un sacco di tempo per le indagini. Il raggio r delle goccioline è nella gamma di 25 ≤ r ≤ 35 µm e la carica è stata misurata tra 1.1x10-17 ±1.1 x10-18 C e 5.5x10-16 ±5.5 x10-17 C. Le dimensioni delle goccioline rimangono, secondo le nostre misurazioni, costante nel tempo, ma la carica si diffonderà lentamente via, dando sempre più piccole reazioni dalla posizione della goccia quando applicando un campo elettrico. Questo dà all'utente la possibilità di misurare diverse cariche sulla goccia stessa, se lui o lei è abbastanza paziente.

Il laboratorio remoto è stato sviluppato utilizzando simulazioni Java/JavaScript facile7 ed è accessibile tramite il sito Web di UNILabs8. Per quanto riguarda il software di controllo locale del laboratorio, è stato sviluppato utilizzando il programma di software di controllo. La connessione del software remoto e locale è stata sviluppata secondo, ampiamente collaudato, opera di D. caos et al. 9. l'idea di creare un laboratorio remoto per levitazione gocciolina ottico si basa su due pilastri: 1) per permettere ai ricercatori di altre parti del mondo che non hanno questa installazione per lavorare con esso e 2) per rendere disponibile questo tipo di esperimento di fisica studenti.

L'ambiente è stato ampiamente testato sia localmente che in remoto per supportare il lavoro di ricercatori. È stato dimostrato che cattura gocciolina può prendere tra 2 secondi e 1 minuto. Questa variazione è dovuta all'allineamento laser e pulizia di pipetta. Per questo motivo, una piccola quantità di manutenzione viene effettuata ogni giorno affinché il laboratorio per il corretto funzionamento. Una volta che la goccia è stata catturata, essa può resistere levitante per lunghi periodi di tempo, raggiungendo più di mezz'ora, un periodo sufficiente per eseguire tutte le attività fornite dal sistema. Il fatto che alcune gocce possono comprimere ed essere intrappolati, consente agli utenti di verificare rapidamente la correzione dei protocolli relativi al calcolo della carica elettrica e massa, come la differenza nei risultati tra due gocce è crollato, e una sola goccia è più significativo se si confrontano solo due goccioline uniche catturate in momenti diversi. Inoltre, data la stabilità e la riconfigurabilità dell'ambiente, serve come base per l'aggiunta di nuova strumentazione e consentendo in tal modo nuove funzionalità. Un esempio di questo fatto è un'analisi, essendo effettuata oggi presso l'Università di Göteborg, per studiare l'influenza di campioni radioattivi sul fenomeno della levitazione ottica.

L'unico modo efficace per permettere molti studenti di accedere a questo tipo di esperienza è attraverso un laboratorio remoto, principalmente per motivi di sicurezza. Ricerca anche, come che di Lundgren et al. dimostra che l'esperienza degli studenti di lavorare con un laboratorio remoto è utile come quella di un tradizionale laboratorio10. L'ambiente permette gli studenti più giovani a scoprire il concetto di levitazione ottica osservando come il raggio laser può efficacemente levitare la questione. L'insegnante può anche introdurre la carica elettrica agli studenti di studiare la polarità delle goccioline. Per saperne di più avanzati studenti, il calcolo della goccia di massa e carica possono essere inclusi nel protocollo di lavoro.

Questo laboratorio è stato utilizzato in una classe fisica ad Halmstad, in Svezia, con gli studenti del programma di Diploma di International Baccalaureate (IB) (www.ibo.org). L'insegnante ha seguito il protocollo remoto descritto nel passaggio 2. Dopo l'esperienza, gli studenti sono stati intervistati da chiedere loro domande circa l'ambiente, le misure effettuate, i concetti fisici sottostanti che avevano imparato, e vantaggi e svantaggi che hanno percepito da utilizzando il laboratorio remoto. Nel complesso, gli studenti capirono il processo seguito e calcolato le dimensioni delle gocce, ottenendo risultati vicino alla reale dimensione della goccia intrappolata. Hanno capito i rischi coinvolti nell'utilizzo di laser ad alta potenza, e alcuni hanno suggerito che l'aggiunta di miglioramenti per la visualizzazione dell'esperimento, ad esempio l'acquisto di telecamere migliore o compresi elementi di realtà aumentata.

Figure 1
Figura 1: architettura della sperimentazione laboratorio remoto. Internet gli utenti connettersi alla pagina Web UNILabs utilizzando il proprio computer o dispositivi mobili. L'ambiente web serve il laboratorio remoto applicazione JavaScript che permette di operare in remoto l'esperimento. Questa applicazione si connette a un computer che si trova in laboratorio attraverso la JIL server middleware, che consente la comunicazione tra applicazioni JavaScript e programmi in LabVIEW. Infine, il computer di laboratorio comunica con la messa a punto sperimentale tramite le schede DAQ necessarie e un programma di LabVIEW. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: programma LabView: Pannello di configurazione. La scheda di configurazione nel programma LabView è utilizzata nella sperimentazione di modalità hands-on per iniziare l'esperimento di accendere il laser e le goccioline di partenza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: programma LabView: eseguire pannello. Scheda di configurazione nel programma LabView è utilizzata nella sperimentazione di modalità hands-on per determinare la carica delle goccioline intrappolate. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: dettaglio del setup sperimentale. Il dispenser per gocce è indicato nella parte superiore dell'immagine, la cella nel mezzo e, in fondo, la web camera. Lettera r: la fase di traduzione utilizzata per regolare la posizione dell'erogatore all'interno della cellula. Lettera b: la lente utilizzata dal PSD per percepire la gocciolina intrappolata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: una gocciolina intrappolata levitante. Nell'immagine è possibile vedere uno delle goccioline levitante all'interno della cellula del setup. Il colore verde è dovuto il laser e il fatto di vedere due punti anziché uno è che la goccia si riflette sul vetro della cella. In questo caso, il punto più alto è il riflesso e il punto più basso è la goccia. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: configurazione di elettrodo per l'applicazione di campi elettrici. Messa a punto sperimentale per l'applicazione del campo elettrico sulla gocciolina. Quando viene applicata una tensione positiva, le goccioline di caricate negative si sposterà verso il basso e goccioline con carica positiva si sposterà verso l'alto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: determinazione della carica di goccioline. Uno schizzo schematico della procedura per determinare il costo assoluto di una gocciolina otticamente sospesi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8: interfaccia laboratorio remoto: intrappolando una gocciolina. In remoto sperimentazione, questa interfaccia di applicazione web viene utilizzata per intrappolare una gocciolina. Una gocciolina intrappolata può essere visto nell'immagine fornita dalla webcam laboratorio a causa della diffusione della luce. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 9
Figura 9: interfaccia laboratorio remoto: dimensionamento di una gocciolina. Nella sperimentazione remoto, questa interfaccia di applicazione web viene utilizzata per determinare la dimensione di una gocciolina intrappolata. Il modello di diffrazione visualizzate dalla webcam lab e la scala consentono agli utenti di determinare la dimensione della goccia intrappolata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 10
Figura 10: interfaccia laboratorio remoto: applicando un campo elettrico. Nella sperimentazione remoto, questa interfaccia di applicazione web viene utilizzata per applicare un campo elettrico per la gocciolina intrappolata. In questo esempio, viene applicato un campo elettrico di V AC 200. Il segnale PSD di laboratorio viene visualizzato sul grafico a destra e si vede il movimento oscillante della goccia seguendo un campo elettrico di cambiamento che è stato applicato alle intorno t = 10 s. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Classe laser Possibili lesioni
Classe 1 Incapace di causare danni durante una normale operazione
Classe 1m Non causano alcun tipo di lesione se nessun collettori ottici sono utilizzati.
Classe 2 Laser visibile che non causano lesioni in 0.25 s
Classe 2m Se nessun collettori ottici sono utilizzati, sono incapaci di causare lesioni a 0,25 s.
Classe 3R Un po' pericoloso per intrabeam visualizzazione; fino a 5 volte la classe 2 limitare per laser visibili o 5 volte il limite di classe 1 per i laser invisibile
Classe 3B Pericolo di occhio per la visione diretta, di solito non un pericolo, occhio per diffondere visione
Classe 4 Pericolo dell'occhio e della pelle per l'esposizione sia diretta che sparsa

Tabella 1: classificazione sommaria Laser. I laser differenti sul mercato possono essere classificati secondo la loro pericolosità e i rischi nel loro uso. La tabella mostra i diversi tipi di laser disponibili (nella colonna a sinistra) e loro potenziale pericolo (nella colonna di destra).

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Discussion

Questo lavoro presenta un programma di installazione per lo svolgimento di un esperimento di fisica moderna in cui goccioline sono otticamente levitava. L'esperimento può essere eseguito sia in modo tradizionale e hands-on che in remoto. Con l'istituzione del sistema remoto, studenti e ricercatori in tutto il mondo possono ottenere accesso alla messa a punto sperimentale. Questo garantisce anche la sicurezza degli utenti, poiché non è necessario essere in presenza del laser ad alta potenza e campi elettrici necessari per l'esperimento. Inoltre, gli utenti possono interagire con la strumentazione in modo molto semplice, mediante l'invio di comandi ad alto livello tramite il computer a causa dell'automazione dell'allestimento. Rispetto alla procedura Hands-on, la sperimentazione remota offre un'esperienza molto simile. Uno dei punti chiave dell'esperimento presentato è ottenere la dimensione delle goccioline, dato che ha una grande influenza sul calcolo della carica assoluto. Tre diversi metodi sono stati utilizzati per determinare le dimensioni, e tutti d'accordo molto bene: (1) il metodo descritto sopra (utilizzando il modello di diffrazione) (2) per oscillare la goccia con un campo elettrico verticale e utilizzare la differenza di fase tra l'elettrico campo e la posizione e (3) visualizzare l'ombra della goccia su uno schermo e con una fotocamera di determinare le dimensioni. L'installazione è in fase di preparazione per ricerca goccioline intrappolate nel vuoto. In primo luogo la gocciolina è intrappolata in aria, poi la cella è racchiuso, e l'aria viene rimossa. In questo modo, sarà possibile studiare le proprietà di una gocciolina intrappolata nel vuoto.

Con il laboratorio remoto presentato, la carica e la dimensione delle particelle di dielettrico micrometro-dimensioni può essere determinati. Un ulteriore sviluppo del programma di installazione ha fornito un modo per studiare le collisioni di dimensioni micrometriche gocciolina con l'uso di telecamere ad alta velocità11. Con il set-up sperimentale come base, è stato studiato per tenere traccia della posizione delle particelle usando un interferometro di Sagnac12in modo sensibile. Il nostro metodo è utilizzato per ottenere la carica e la dimensione delle goccioline uno per uno. Le misurazioni richiedere molto tempo per eseguire, quindi è principalmente uno strumento per lavorare con le goccioline di singole. Se l'obiettivo è una buona statistica l'acquisizione di un gran numero di goccioline, altri metodi sono meglio, ad esempio il metodo presentato da Polat13.

Quando le misurazioni sono effettuate, la goccia viene rilasciata e scende sul fondo della cella, purtroppo sporcare il fondo di vetro. Si tratta di un vincolo a lungo termine, poiché la luce laser può disperdersi, rendendo più difficile da intercettare la goccia successiva. Tuttavia, esso è facilmente risolvibile con una periodica pulizia della cella.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgements

Quest'opera è stata sostenuta dal Consiglio di ricerca svedese, Carl Trygger´s Fondazione per la ricerca scientifica e il Ministero spagnolo dell'economia e competitività nell'ambito del progetto CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. Grazie a Sannarpsgymnasiet per avermi permesso noi provare il RL con gli studenti.

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

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  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).
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