Sikker eksperimenter i optisk Levitation opladet dråber ved hjælp af Remote Labs

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

Optisk levitation er en metode til svævende mikrometer mellemstore dielektrisk objekter ved hjælp af laserlys. Udnytte computere og automatiseringssystemer, et eksperiment på optiske levitation kan fjernstyres. Her præsenterer vi en fjernbetjent optisk levitation system, der er brugt både for uddannelsesmæssige og forskningsmæssige formål.

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

Værket præsenterer et eksperiment, der giver mulighed for undersøgelse af mange fundamentale fysiske processer, såsom photon pres, diffraktion af lys eller bevægelse af ladede partikler i elektriske felter. I dette eksperiment, en fokuseret laser stråle peger opad levitate flydende dråber. Dråberne er svæve af photon trykket af den fokuserede laserstråle, som afbalancerer den gravitationelle kraft. Diffraktion mønsteret oprettet når belyst med laserlys kan hjælpe med at måle størrelsen af en fanget slipværktøj. Ansvaret for den fangne droplet kan bestemmes ved at undersøge dens bevægelse, når en lodret styret elektrisk felt anvendes. Der er flere grunde motiverer dette eksperiment at fjernstyres. De investeringer, der kræves for opsætningen overstiger det beløb, der normalt findes i undergraduate undervisning laboratorier. Eksperimentet kræver en laser af klasse 4, som er skadelige for både hud og øjne og eksperimentet bruger spændinger, som er skadelige.

Introduction

Det faktum, at lys bærer momentum blev først foreslået af Kepler, da han forklarede hvorfor halen af en komet altid peger væk fra solen. Brug af en laser til at flytte og fælde makroskopiske objekter blev først rapporteret af A. Ashkin og J. M. Dziedzic i 1971, når de viste, at det er muligt at levitere mikrometer størrelse dielektrisk objekter1. Den fanget objekt blev udsat for en opadgående instrueret laserstråle. En del af laserstrålen blev afspejlet på det objekt, som pålægges en stråling pres på det, der var tilstrækkelig til at opveje tyngdekraften. De fleste af lys, dog var brydes gennem de dielektriske objekt. Ændring af retning af lys forårsager en rekyl af objektet.  Nettoeffekten af rekyl for en partikel, der er placeret i en Gaussisk beam profil er at slipværktøjet vil bevæge sig mod højeste lysintensitet2-regionen. Derfor skabt en stabil fældefangst stilling i centrum af laserstrålen på en position lidt over omdrejningspunktet hvor stråling pres saldi tyngdekraften.

Da den optiske levitation metode giver mulighed for små genstande at være fanget og kontrolleret uden at være i kontakt med andre objekter, kan forskellige fysiske fænomener studeres ved hjælp af en levitated dråbe. Men eksperimentet præsenterer to begrænsninger for at blive gengivet og anvendes på skoler eller universiteter, da ikke alle institutioner har råd til det nødvendige udstyr og da der er visse risici i den praktiske drift af laser.

Remote laboratorier (RLs) tilbyder online fjernadgang til den virkelige laboratorieudstyr til eksperimentelle aktiviteter. RLs dukkede første gang op i slutningen af 90 ' erne, med fremkomsten af internettet, og deres betydning og brug har været stigende gennem årene, som teknologien har udviklet sig, og nogle af deres største problemer er blevet løst3. Men kernen i RLs er forblevet det samme over tid: anvendelse af en elektronisk enhed med internetforbindelse til at få adgang til en lab, og styre og overvåge et eksperiment.

På grund af deres remote karakter, kan RLs bruges til at give brugerne eksperimentelle aktiviteter uden at udsætte dem for de risici, der kan være forbundet med realiseringen af sådanne eksperimenter. Disse værktøjer tillade studerende at tilbringe mere tid på at arbejde med laboratorieudstyr, og dermed udvikle bedre laboratorium færdigheder. Andre fordele ved RLs er at de 1) gøre det lettere for handicappede at udføre eksperimentelt arbejde, 2) udvide kataloget over eksperimenter som deling RLs mellem universiteter tilbyder studerende og 3) øge fleksibilitet i planlægningen laboratoriearbejde, da det kan udføres fra hjem, da er en fysisk laboratorium lukket. Endelig tilbyde RLs også uddannelse i opererer computerstyrede systemer, som i dag er en vigtig del af forskning, udvikling og industri. Derfor kan ikke RLs kun tilbyde en løsning til både de finansielle og sikkerhed spørgsmål at traditionelle labs præsentere, men også give mere interessant eksperimentelle muligheder.

Eksperimentelle opsætningen brugt i dette arbejde, er det muligt at måle størrelsen og opladning af en fanget slipværktøj, undersøge bevægelse af ladede partikler i elektriske felter og analysere hvordan en radioaktiv kilde kan bruges til at ændre afgiften på en droplet4 .

I den eksperimentelle setup præsenteret, er en kraftfuld laser rettet opad og fokuseret ind i midten af et glas celle4. Laser er en 2 W 532 nm diode-pumpet solid-state laser (CW), hvor normalt omkring 1 Watt (W) bruges. Brændvidden af diffusering linsen er 3,0 cm. dråber er genereret med et piezo dråbe pengeautomat og ned gennem laserstrålen, indtil de er fanget lige over fokus i laser. Diffusering opstår når kraft fra den opadgående instrueret stråling pres er lig med den nedadgående styret gravitationel kraft. Der er ingen øvre tidsgrænse observeret for diffusering. Den længste en droplet er blevet fanget er 9 timer, derefter, fælden var slukket. Samspillet mellem denne droplet og feltet laser producerer et diffraktionsmønster, som bruges til at bestemme størrelsen af dråberne.

Dråberne udsendes fra dispenseren består af 10% glycerol og 90% vand. En del vand fordamper hurtigt, forlader en 20-30 µm mellemstore glycerol droplet i fælden. Den maksimale størrelse på en droplet, som kan blive fanget er omkring 40 µm. Der er ingen fordampning observeret efter omkring 10 s. På dette tidspunkt forventes alle vand at have fordampet. Den lange fældefangst tid uden nogen observerbare fordampning angiver minimal absorption, og at denne droplet hovedsagelig er ved stuetemperatur. Overfladespænding af dråberne gør dem sfæriske. Beregning af dråberne genereret af dråbe pengeautomat afhænger de miljømæssige forhold i laboratorium, hvor de oftest blive negativt ladede. Toppen og bunden af cellen fældefangst består af to elektroder placeret 25 mm fra hinanden. De kan bruges til at anvende en lodret elektriske jævnstrøm (DC) eller vekselstrøm (AC) felt over slipværktøjet. Det elektriske felt er ikke stærk nok til at oprette alle buer, selvom 1000 volt (V) er anvendt over elektroderne. Hvis en DC felt bruges, slipværktøjet bevæger sig op eller ned i laserstrålen til en ny stabil ligevægt stilling. Hvis en AC felt anvendes i stedet, svinger denne droplet omkring sin ligevægt stilling. Omfanget af svingningerne afhænger af størrelse og ansvaret for slipværktøj, intensiteten af det elektriske felt og stivhed af laser fælden. Et billede af en droplet er projiceret op på en holdning-følsomme detektor (PSD), hvilke tillader brugernes hen til spore den lodrette placering af slipværktøjet.

Dette arbejde præsenterer et vellykket initiativ for modernisering af undervisning og forskning, der anvender informations- og kommunikationsteknologier gennem en innovativ RL på optiske levitation opladet dråber, som illustrerer moderne begreber i fysik. Figur 1 viser arkitekturen i RL. Tabel 1 viser de mulige skader, som lasere kan forårsage ifølge deres klasse; I denne opsætning er blevet brugt en klasse IV laser, som er mest farlig. Det kan operere med op til 2,0 W af synlige laserstråling, så sikkerheden af handlingen remote er klart egnet til dette eksperiment. Den optiske levitation opladet dråber RL blev præsenteret i D. Galan et al. i 20185arbejde. I dette arbejde, er det påvist, hvordan det kan bruges online af lærere, der ønsker at indføre deres studerende til moderne begreber af fysik uden at være bekymret over omkostningerne, logistik eller sikkerhedsmæssige spørgsmål. Studerende adgang til RL via en webportal kaldet Universitet netværk af interaktive laboratorier (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) i som de kan finde al dokumentation vedrørende teorien relateret til eksperimentet og brugen af den eksperimentelle Installationsprogrammet ved hjælp af en web-applikation. Ved hjælp af konceptet med en ekstern laboratorium, kan eksperimentelt arbejde i moderne fysik, der kræver dyrt og farligt udstyr være stillet til rådighed til nye grupper af studerende. Desuden, det øger den formelle læring via traditionelle studerende med mere laboratorium tid og med eksperimenter, der normalt er utilgængelige udenfor forskningslaboratorier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bemærk: Laser bruges i dette eksperiment er en laser af klasse IV levere op til 1 W af synlige laserstråling. Alt personel i laser laboratoriet skal har foretaget tilstrækkelig laser sikkerhedsuddannelse.

1. hands-On forsøgsplan

  1. Sikkerhed
    1. Sørg for at alle i laboratoriet er klar over, at en laser vil være tændt.
    2. Tænd laser advarselslampe i laboratoriet.
    3. Kontrollere, at ingen ur eller metal ringe er slidt og sætte på laser beskyttelsesbriller.
    4. Kontrollere, at de fire lys absorberende boards, tættest på eksperimentet, er på plads.
    5. Kontroller afstanden mellem laser og absorberende bestyrelsen for forhindringer. Også er kontrollere, at blokere for mellemrummet mellem cellen diffusering og strålen gratis fra objekter.
  2. Forberede softwaren og eksperimentet.
    1. Tænde computeren for lab. Vent, indtil det er klar til at betjene.
    2. Åbn mappen Remote Start fra skrivebordet og klik på ikonet Main1806.vi. Køre programmet ved at trykke på pilen i øverste venstre hjørne.
      Bemærk: Dette åbner Kontrolprogram (fxLabview) vist i figur 2 og figur 3 og tænder automatisk på begge strømforsyningen til laser og det elektriske felt. Alle knapper der refereres til fra nu af i dette afsnit henviser til dem, der vises i disse tal.
    3. Under "EJS variabler", markere afkrydsningsfeltet opkaldt "Laser Remote Enable2" magt og angive "laser current2" til 25, så laser power slide til højre ender på 25%. Observere den laserstråle ved hjælp af justering laser beskyttelsesbriller for at sikre, at strålen ender i stråle dump. Hvis ikke, justere placeringen af beam dump.
    4. Check Drops2 og flytte spidsen af dråbe pengeautomat, indtil dråberne falder ind i laserstrålen. Gøre dette ved at justere oversættelse scenen markeret med bogstavet A i figur 4. Til dette formål, drej forsigtigt de drivende skruer i bunden af den oversættelse fase indtil den ønskede position er nået.
      1. Hvis ingen dråber kommer, anvende pres på sprøjten, indtil en dråbe er vist i spidsen af dispenseren. Tør omhyggeligt (skrøbelige tip) ved hjælp af et papir med acetone. Dråberne bør nu begynde at komme. Når dette sker, starte forfra fra punkt 1.2.4.
    5. Hæve laser power til omkring 66% ved hjælp af Laser nuværende 2 input felt og fælde et slipværktøj. Uncheck Drops2 , så snart en droplet er fanget.
      Bemærk: Figur 5 viser et slipværktøj, fanget i den eksperimentelle miljø. Den nederste grønne prik svarer til de reelle slipværktøj, mens den øverste ene er sine overvejelser på glas af den celle, hvor slipværktøjet er beliggende. Fra dette øjeblik på bliver de fanget droplet er nu afbildet på PSD.
  3. Bestemme størrelsen af en droplet.
    1. Justere laser power, indtil PSD holdning er så tæt som muligt på nul.
      Bemærk: som dråber kan være fanget under eller over tidligere fældefangst positioner, afhængigt af laser power eller størrelse/vægt. Dette trin er udført for at flytte droplet billedet til midten af PSD.
    2. Observere diffraktionsmønster lavet på skærmen (Se figur 1). Tage et billede med den web-kamera, der er positioneret til at observere skærmen fra nedenunder.
      Bemærk: Mønsteret er forårsaget af laserlys diffrakteres af fanget slipværktøjet.
    3. Brug billede til at bestemme afstande fra linjen markeret 1 til to vilkårlige minima i billedet. Afstanden er positiv, hvis det er længere væk fra dråben end linjen markeret 1, ellers negativt. Derefter tilføje 40 cm til begge distancer. Kalde den korteste en1, og den længste en2. Bruge ligningen 1 til at beregne størrelsen af denne droplet:
      Equation 1(1)
      hvor x er den lodrette afstand fra slipværktøjet til skærmen (x = 23,5 cm), λ er bølgelængden af laser lyset (λ = 532 nm) og Δn er antallet af frynser (heltal) mellem de to minima bruges i beregningen.
      Bemærk: Når en droplet er afbildet midt i PSD, afstand (x), fra denne droplet til skærmen er 23,5 ± 0,1 cm. En mere detaljeret forklaring af processen kan findes i J. Swithenbank et al. arbejde 6.
  4. Bestemme polariteten af ansvaret for slipværktøjet.
    1. Vælg fanen Kør til højre for EJS variabler og indstille E-feltet DC kontrolelement2 til + 2 V (Se figur 3). Vær forsigtig, da spændingen på elektroden er nu 200 V.
      Bemærk: Polaritet vederlagsfrit droplet bestemmes ved at observere, hvordan denne droplet reagere på et anvendt lodret elektrisk felt. En skitse af hvordan det elektriske felt anvendes kan ses i figur 6
  5. Fastlægge ansvaret for slipværktøjet
    Bemærk: Hvis du vil beregne afgiften af dråben, det er nødvendigt først at måle størrelsen på denne droplet. Vægten af denne droplet kan derefter bestemmes, da tætheden af væsken er kendt. Fig. 7 beskrives proceduren for skematisk.
    1. Angive E-feltet DC kontrolelement2 til nul.
    2. Skøn og bemærke en gennemsnitlig værdi for slipværktøjet stilling af PSD normalisere placering sporing i Diagrammet bølgeform.
    3. Bemærk værdien af laser power. Denne værdi vil være FRad1 i ligning 2.
    4. Indstille E-feltet DC kontrolelement2 mellem + 1 og + 5 volt eller -1 og -5 volt således at drop flytter opad. Dråben er nu på en ny position. Langsomt reducere laser power indtil dråben er tilbage i sin oprindelige stilling som noterede taktfast 1.5.2. Nedskrive den nye laser power (FRad2).
      Hvis denne droplet er tabt, tjekke Drops2 og starte forfra fra trin 1.2.4.
    5. Benyt følgende fremgangsmåde til at beregne afgiften. Først, beregne kraften fra det elektriske felt:
      Equation 2(2)
    6. Bestemme den absolutte afgift ved hjælp af udtrykket
      Equation 3(3)
      Her d er afstanden mellem elektroderne og U er den anvendte spænding.

2. Fjern eksperimenter protokol

  1. Adgang til det eksterne laboratorium.
    1. Åbn UNILabs webside på en web-browser: https://unilabs.dia.uned.es/
    2. Vælg det ønskede sprog, hvis det er nødvendigt. Indstillingen er fundet på det første element i menuen under overskriften.
    3. Logge ind med følgende data:
      Brugernavn: test
      Adgangskode: test
      Bemærk: Login rammen er under Nyheder og introduktion info af websiden.
    4. Kursus-beliggenhed tæt på login-området, venstre klik på logoet for universitetet i Göteborg (GU).
    5. Klik på Optiske Levitation adgang til materialet af dette eksperiment.
    6. Adgang remote laboratoriet ved at klikke på Fjern laboratorium af optiske Levitation. Efter at sikre, at hovedrammen webside viser brugergrænseflade fra det eksterne laboratorium, som vist i figur 8.
  2. Oprette forbindelse til den optiske Levitation laboratorium.
    Bemærk: Alle instruktionerne her henvise til figur 8.
    1. Klik på knappen Tilslut . Hvis forbindelsen er vellykket, skifter knappen tekst til tilsluttet.
      Bemærk: Når en bruger opretter forbindelse til den eksterne laboratorium, det udsender et akustisk signal, der advarer andre mennesker i det omkringliggende område, at nogen vil tænde og manipulere laseren fjernt.
    2. Klik på sporing dråber og kontrollere, at PSD data modtages.
      Bemærk: Der er ingen dråber fanget på dette punkt, den opnåede værdi er ikke relevant.
    3. Klik på generelle opfattelse at identificere alle elementer af opsætning: laser, dråbe pengeautomat, cellen diffusering og PSD.
  3. Fælde en droplet.
    Bemærk: Alle instruktionerne her henvise til figur 8.
    1. Når det eksterne laboratorium er forbundet, klik på knappen diffusering droplets til at visualisere pipetten og dråbe pengeautomat dyse.
    2. Klik på knappen slå laser til at oprette forbindelse til laser.
      Bemærk: Laser er startet manuelt og uafhængigt af resten af instrumenterne, fordi det kan skade miljøet, hvis det ikke er justeret korrekt.
    3. Indstille laser effekt omkring den første fjerdedel af kontrollinjen, som ligger under knappen Tænd laser . Vent, indtil det grøn lys er synlig.
    4. Tjek laser justeringen.
      Bemærk: Hvis laseren er korrekt justeret, en tynd grøn lysstråle vil ses. Ellers vil en spredte grøn plet blive opfattet. I tilfælde af forkert justering, lukke systemet ned, og kontakt lab vedligeholdelsesservices. At kontakte Vedligeholdelsesservices, klik på det ikon, der repræsenterer en taleboble, placeret i øverste venstre hjørne af UNILabs webside. Klik på Admin-brugeren besked, nedskrive besked nederst beskriver problemet, og tryk på Send. Det sker normalt ikke, da alle optik er faste.
    5. Øge laser power til 3/4 af baren.
      Bemærk: En strøm af 60% (550 mW) er nok til at fange og holde et slipværktøj svæve.
    6. Tryk på knappen Start dråber at tænde dråbe pengeautomat.
    7. Se webcambillede og vente, indtil en flash er produceret. I øjeblikket, er en droplet blevet fanget. Kontrollere webcam billedet igen og kontrollere, at en droplet svævende i midten af cellen diffusering. Tryk på knappen Stop dråber at slukke dråbe pengeautomat.
      Bemærk: Hvis det ønskes, det er muligt at opnå en større dråbe af fange flere af dem og venter for dem at fusionere med den allerede fanget. Det er nødvendigt at huske på, at hvis flere er fanget, droplet masse øges således at laser power ikke kan være nok til at holde det svæve.
  4. Bestemme størrelsen af en droplet.
    Bemærk: Alle instruktioner her henvise til figur 9.
    1. Tryk på knappen dimensionering droplets til at observere diffraktionsmønster dannet af de fangne slipværktøj.
    2. Følg den samme procedure som i hands-on eksperimenter protokol (trin 1.3) til at bestemme størrelsen af denne droplet gennem diffraktionsmønster.
  5. Bestemmelse af droplet afgift polaritet.
    Bemærk: Alle instruktioner her henvise til figur 10.
    1. Klik på knappen sporing dråber at se PSD grafen og webcam visningen af en pipette.
    2. Klik på fanen elektrisk felt nederst til venstre i brugerfladen.
    3. Angive DC spænding på 100 V. For at gøre dette, skal du klikke på den numeriske felt til højre for etiketten DC (V) og indtaste værdien 100.
    4. Kontroller PSD grafen viser placeringen af denne droplet og observere om denne droplet bevæger sig opad eller nedad, når den elektriske felt anvendes.
      Bemærk: Polariteten af pladerne er indrettet således, at hvis en positiv spænding er anvendt, et negativt ladede slipværktøj vil bevæge sig nedad og et positivt ladede slipværktøj vil bevæge sig opad.
    5. Nu ændre værdien af det elektriske felt og kontrollere, at denne droplet bevæger sig i modsat retning; til dette formål, skal du indtaste -100 i DC (V) numerisk felt.
  6. Fastlægge ansvaret for slipværktøjet.
    Bemærk: Alle instruktioner her henvise til figur 10.
    1. At have et slipværktøj fanget, klik på visningen Tracking dråber .
    2. Vælg menuen elektrisk felt .
    3. Angive DC elektrisk felt til nul med DC (V) numerisk felt.
    4. Skøn og Bemærk gennemsnitsværdien af droplet position givet af diagrammet og Bemærk laser power.
    5. Angive DC elektrisk felt til en værdi mellem + 500 V og-500 V at gøre denne droplet ændre sin holdning.
    6. Reducere eller øge laser power med skyderen, indtil denne droplet er tilbage i sin oprindelige holdning og nedskrive den nye værdi af laser power.
    7. Følg fremgangsmåden i trin 1.5.5 til at beregne den dråbe.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Da laserstrålen er godt afstemt, og bundplade er ren, er dråberne næsten straks fanget. Når en droplet er fanget kan det blive i fælden i flere timer, giver masser af tid til undersøgelserne. Radius r af dråberne er i rækken af 25 ≤ r ≤ 35 µm og tillægget er blevet målt mellem 1.1x10-17 ±1.1 x10– 18 C og 5.5x10-16 ±5.5 x10-17 C. Størrelsen af dråberne forbliver, ifølge vores målinger, konstant over tid, men afgiften vil langsomt diffuse væk, giver mindre og mindre reaktioner fra placeringen af dråben, når du anvender et elektrisk felt. Dette giver brugeren mulighed for at måle forskellige afgifter på den samme slipværktøj, hvis han eller hun er tålmodig nok.

Det eksterne laboratorium er blevet udviklet ved hjælp af let Java/JavaScript simuleringer7 og er tilgængeligt via UNILabs hjemmeside8. Hvad angår lokal kontrol software i laboratoriet, er blevet udviklet ved hjælp af control softwareprogram. Tilslutning af den eksterne og lokale software er udviklet efter den, bredt testet, arbejde af D. kaos et al. 9. tanken om at oprette en ekstern laboratorium for optisk droplet levitation er baseret på to søjler: 1) at give forskere fra andre dele af verden, der ikke har dette setup til at arbejde med det og 2) at gøre denne form for eksperiment rådighed for fysik studerende.

Miljøet har været grundigt testet både lokalt og fjernt at støtte forskere. Det har vist sig at droplet capture kan tage mellem 2 sekunder og 1 minut. Denne variation skyldes pipette rengøring og laser justering. Af denne grund, er en lille mængde af vedligeholdelse udføres hver dag for at aktiverer laboratorium til at fungere korrekt. Når en droplet er blevet fanget, det kan modstå svævende i lang tid, at nå frem til mere end en halv time, en periode tilstrækkelige til at udføre alle de opgaver, som systemet giver. Det faktum, at flere dråber kan bryde sammen og blive fanget, kan brugerne hurtigt tjekke korrektion af protokollerne vedrørende beregningen af masse og elektriske ladning, som forskel i resultaterne mellem to dråber kollapsede, og en enkelt dråbe er mere betydningsfuld, end hvis de kun sammenligne to unikke dråber fanget på forskellige tidspunkter. Derudover tjener givet stabilitets- og rekonfigurerbarhed af miljøet, det som grundlag for at tilføje ny instrumentering og dermed giver ny funktionalitet. Et eksempel på dette faktum er en analyse, der gennemføres i dag ved universitetet i Göteborg, at studere radioaktive prøver indflydelse på fænomenet med optisk levitation.

Den eneste effektive måde at give mange studerende til at få adgang til denne type erfaring er gennem en ekstern laboratorium, primært af sikkerhedsmæssige årsager. Forskning som Lundgren et al. viser også, at elevernes erfaring med at arbejde med en ekstern laboratorium er så nyttig som en traditionel laboratorium10. Miljøet tillader yngre studerende til at opdage begrebet optisk levitation ved at observere hvor laserstrålen effektivt kan levitate sag. Læreren kan også indføre elektrisk ladning til studerende ved at studere polariteten af dråberne. For mere avancerede studerende, beregningen af slipværktøjet masse og ladning kan medtages i arbejde-protokollen.

Dette laboratorium er blevet brugt i en fysik klasse i Halmstad, Sverige, med studerende fra International Baccalaureate (IB) Diploma Program (www.ibo.org). Læreren efterfulgt af remote protokollen beskrevet i trin 2. Efter oplevelsen, blev kursisterne interviewet ved at stille dem spørgsmål om miljøet, de målinger, de underliggende fysiske begreber, de havde lært, og fordele og ulemper de opfattes fra ved hjælp af remote laboratoriet. Samlet set forstået studerende processen følges og beregnes størrelsen af dråberne, at opnå resultater tæt på den reelle størrelse af fanget drop. De forstod risikoen ved hjælp af high-powered lasere, og nogle foreslog tilføjer forbedringer til visualisering af eksperimentet, som køber bedre kameraer eller herunder augmented reality elementer.

Figure 1
Figur 1: arkitektur af remote laboratorie eksperimenter. Internet-brugere oprette forbindelse til websiden UNILabs bruger deres computer eller mobile enheder. Web-miljø serverer den remote lab JavaScript-program, der giver mulighed for at fjernstyre operere eksperimentet. Dette program opretter forbindelse til en computer placeret i laboratoriet gennem JIL server middleware, der muliggør kommunikation mellem JavaScript-applikationer og LabVIEW programmer. Endelig, lab computeren kommunikerer med den eksperimentelle opsætning ved hjælp af de nødvendige DAQ kort og en LabVIEW program. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: LabView program: konfigurationspanel. Fanen konfiguration i LabView program bruges i hands-on tilstand eksperimenter for at starte eksperimentet ved at dreje på laser på og starter dråber. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: LabView program: køre panel. Fanen konfiguration i LabView program bruges i hands-on tilstand forsøg til bestemmelse af afgiften af de fangne dråber. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: detalje af opsætningen af eksperimenterende. Dråbe pengeautomat er vist øverst i billedet, celle i midten og i bunden, web-kamera. Brevet A: Oversættelse scenen bruges til at justere placeringen af dispenser inde i cellen. Bogstavet B: linsen bruges af PSD til at opfatte den fangne slipværktøj. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: en fanget droplet svævende. I billedet er det muligt at se en af dråberne svævende inde i cellen af opsætningen. Den grønne farve skyldes laser og omstændighed, at se to prikker i stedet for én er at denne droplet afspejles på glas af cellen. I dette tilfælde det øverste punkt er overvejelser og det nederste punkt er slipværktøjet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: elektrode konfiguration for at anvende elektriske felter. Eksperimentel opsætning for at anvende det elektriske felt på en droplet. Når en positiv spænding er anvendt, negativt ladede dråber vil bevæge sig nedad og dråber med positiv ladning vil bevæge sig opad. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: bestemmelse af droplets afgift. En skematisk skitse af proceduren til at bestemme den absolutte afgift af en optisk levitated slipværktøj. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8: Remote lab interface: diffusere et slipværktøj. I remote eksperimenter bruges denne web overførelse grænseflade til at fælde en droplet. En fanget droplet kan ses i billedet af lab webcam på grund af det spredte lys. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: Remote lab interface: dimensionering et slipværktøj. I remote eksperimenter bruges denne web overførelse grænseflade til at bestemme størrelsen af en fanget slipværktøj. Diffraktionsmønster vises af lab webcam og skalaen tillade brugere at bestemme størrelsen af de fangne slipværktøj. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 10
Figur 10: Remote lab interface: anvender et elektrisk felt. I remote eksperimenter bruges denne web overførelse grænseflade til at anvende et elektrisk felt til den fangne slipværktøj. I dette eksempel anvendes en 200 V AC elektrisk felt. Lab PSD signal vises på grafen til højre og det viser den oscillerende bevægelse af droplet efter et elektrisk felt Skift, som blev anvendt på omkring t = 10 s. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Laser klasse Eventuel skade
Klasse 1 Stand til at forårsage nogen skade under en normal drift
Klasse 1M Ikke forårsage nogen form for skade hvis ingen optiske samlere bruges.
Klasse 2 Synlige lasere, der ikke forårsager skader på 0,25 s
Klasse 2M Benyttes ingen optiske samlere, de er i stand til at forårsage skade på 0,25 s.
Klasse 3R Lidt usikker for intrabeam visning; op til 5 gange klassen begrænse 2 for synlige lasere eller 5 gange klasse 1 grænseværdi for usynlig lasere
Klasse 3B Direkte vision, normalt ikke et øje fare for diffus vision øjet fare
Klasse 4 Øjen- og fare for både direkte og spredte eksponering

Tabel 1: Laser klassificering sammenfattende. Forskellige laserne på markedet kan klassificeres efter deres farlighed og risiko i deres brug. Tabellen viser de forskellige typer af lasere (i den venstre kolonne) og deres potentielle fare (i den højre kolonne).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dette arbejde præsenterer en installation for at udføre en moderne fysik eksperiment hvori dråber er optisk svæve. Eksperimentet kan udføres enten i en traditionel hands-on måde eller fjernt. Med fjernsystemet etablering, kan studerende og forskere over hele verden få adgang til den eksperimentelle set-up. Dette sikrer også brugernes sikkerhed, da de ikke behøver at være i tilstedeværelse af high-power laser og elektriske felter kræves for eksperimentet. Derudover kan brugerne interagere med Instrumenteringen i en meget enkel måde, ved at sende højtstående kommandoer via computer på grund af automatisering af set-up. I forhold til den praktiske procedure, tilbyder den remote eksperimenter en meget lignende oplevelse. En af hovedpunkter af eksperimentet præsenteret er at få størrelsen af droplets, da det har en stor indflydelse på beregninger af den absolutte afgift. Tre forskellige metoder har været anvendt til at bestemme størrelsen, og de alle er enige om meget godt: (1) metoden beskrevet ovenfor (benytter diffraktionsmønster) (2) for at svinge droplet med en lodret elektrisk felt og bruger fase forskel mellem elektriske felt og holdning og (3) at visualisere skyggen af droplet på en skærm, og med et kamera, bestemmer størrelsen. Opsætningen er også at være forberedt til forskningsinstitutionen fanget dråber i vakuum. Først en droplet er fanget i luften, så cellen er lukket, og luften er fjernet. På denne måde, vil det være muligt at undersøge egenskaberne af en fanget droplet i vakuum.

Med den præsenteres remote lab, kan anklagen og størrelsen af mikrometer mellemstore dielektrisk partikler bestemmes. En videreudvikling af setup har givet en måde at studere mikrometer mellemstore droplet kollisioner med høj hastighed kameraer11. Med den eksperimentelle set-up som base, er det blevet undersøgt som en følsom måde at spore placeringen af partikler ved hjælp af en Sagnac Interferometer12. Vores metode anvendes til at opnå betaling og størrelsen af droplets én efter én. Målingerne tage temmelig lang tid at udføre, så det er først og fremmest et værktøj til at arbejde med enkelt dråber. Hvis målet er en god statistik fanger stort antal dråber, andre metoder er bedre, som metoden præsenteret af Polat13.

Når målingerne er foretaget, slipværktøjet er frigivet og ned på bunden af den celle, desværre gør de nederste glas beskidt. Dette er en langsigtet begrænsning, da laserlys kan scatter, gør sværere at fælde den næste droplet. Men det er nemt løses med en periodisk rengøring af cellen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgements

Dette arbejde er blevet støttet af det svenske Forskningsråd, Carl Trygger´s Institut for videnskabelig forskning og det spanske ministerium for økonomi og konkurrenceevne under projekt CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. Takket være Sannarpsgymnasiet for at lade prøve os RL hos studerende.

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