Sichere Experimente in optischen Levitation des geladenen Tröpfchen mit Remote Labs

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 gelöst^{3 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.