التجريب آمنة في استرفاع الضوئية من قطرات مشحونة باستخدام مختبرات بعيد
Summary
استرفاع الضوئية أسلوب للرفع ميكرومتر الحجم كهرونافذية الكائنات باستخدام ضوء الليزر. استخدام أجهزة الكمبيوتر ونظم التشغيل الآلي وتجربة في استرفاع الضوئية يمكن التحكم عن بعد. هنا، نحن هذا نظام استرفاع بصرية الخاضعة لمراقبة عن بعد التي يتم استخدامها سواء بالنسبة للتعليم وأغراض البحث.
Abstract
ويعرض العمل تجربة تسمح دراسة العديد من العمليات الفيزيائية الأساسية، مثل ضغط فوتون، حيود الضوء أو حركة الجسيمات المشحونة في المجالات الكهربائية. في هذه التجربة، شعاع الليزر المركزة مشيراً إلى أرفع صعودا قطيرات. هي مرفوع القطرات من الضغط فوتون لشعاع الليزر مركزة الذي يوازن قوة الجاذبية. نمط الحيود التي تم إنشاؤها عند مضيئة بضوء الليزر يمكن أن تساعد على قياس حجم معالجة تجميعية المحاصرين. يمكن تحديد المسؤول عن الحبرية المحاصرين بواسطة دراسة عن الحركة عندما يتم تطبيق حقل كهربائي موجهة عمودياً. وهناك العديد من الأسباب التي تحفز هذه التجربة يتم التحكم فيها عن بعد. الاستثمارات اللازمة للإعداد يتجاوز المبلغ المتاح عادة في المختبرات التعليمية الجامعية. التجربة يتطلب ليزر من الفئة 4، التي تضر بالجلد والعينين ويستخدم التجربة الفولتية الضارة.
Introduction
حقيقة أن الضوء يحمل الزخم الذي اقترح أولاً كبلر عندما أوضح لماذا يشير ذيل المذنب دائماً بعيداً عن الشمس. وأبلغت أشكين ألف أولاً استخدام الليزر للتحرك وتعويض اللون للكائنات العيانية ودزيدزيك م. ج. في عام 1971 عندما أظهروا أن من الممكن أن أرفع ميكرومتر الحجم كهرونافذية كائنات1. تعرض الكائن المحاصرين التصاعدي توجيه شعاع الليزر. وانعكس جزء من شعاع الليزر على الكائن الذي فرض ضغط إشعاع على ذلك أن يكفي لموازنة الثقل. ومع ذلك، كان يتخلله معظم الضوء، من خلال كائن عازل. تغيير اتجاه الضوء أسباب ارتداد للكائن. الأثر الصافي للارتداد لجسيمات وضعها في ملف تعريف حزمة ضبابي أن الحبرية سوف تتحرك نحو منطقة أعلى كثافة الضوء2. ومن ثم، يتم إنشاء موقف محاصرة مستقرة في مركز شعاع الليزر في موضع أعلى قليلاً من الجهة حيث يوازن ضغط الإشعاع الجاذبية.
نظراً للأسلوب استرفاع الضوئية يسمح الكائنات الصغيرة إلى المحاصرين والتحكم دون أن تكون على اتصال مع أي كائنات، يمكن دراسة الظواهر الفيزيائية المختلفة باستخدام المعالجة تجميعية ليفيتاتيد. ومع ذلك، يعرض التجربة تقييدان استنساخها وتطبيقها في المدارس أو الجامعات حيث تستطيع المؤسسات ليست كافة المعدات المطلوبة وأن هناك مخاطر معينة في عملية التدريب العملي الليزر.
المختبرات البعيدة (ريال) تتيح الوصول عن بعد عبر الإنترنت إلى معدات المختبرات الحقيقية للأنشطة التجريبية. ريال أول ما ظهرت في نهاية التسعينات، ومع ظهور الإنترنت، وأهميتها واستخدامها ظلت تنمو على مر السنوات، حيث تطورت التكنولوجيا وبعض شواغلها الرئيسية قد تم حلها3. ولكن جوهر ريال قد ظلت على حالها على مر الزمن: استخدام جهاز إلكتروني مع اتصال إنترنت الوصول إلى مختبر، ومراقبة ورصد تجربة.
نظراً لطبيعتها البعيدة، يمكن استخدام ريال لعرض الأنشطة التجريبية للمستخدمين دون تعريضهم للمخاطر التي قد تكون مرتبطة بأعمال مثل هذه التجارب. هذه الأدوات السماح للطلاب بقضاء المزيد من الوقت في العمل مع معدات المختبرات، ومن ثم تطوير مهارات المختبر أفضل. المزايا الأخرى للمتلازمة 1) تيسر للأشخاص المعاقين القيام بأعمال تجريبية، 2) توسيع النشرة مصورة التجارب التي تقدم للطلاب عن طريق تبادل ريال بين الجامعات و 3) زيادة المرونة في جدولة أعمال المختبرات، حيث يمكن أداؤها من المنزل عندما يتم إغلاق مختبر مادية. وأخيراً، تقدم ريال أيضا التدريب في تشغيل أنظمة الكمبيوتر التي تسيطر عليها، هي في الوقت الحاضر جزءا هاما من البحث والتطوير والصناعة. ولذلك، ريال فقط لا تقدم حلاً لكلا من المسائل المالية وسلامة أن المعامل التقليدية الحالية، ولكن أيضا توفير فرص تجريبية أكثر إثارة للاهتمام.
مع الإعداد التجريبية المستخدمة في هذا العمل، فمن الممكن قياس الحجم وتوجيه الاتهام لمعالجة تجميعية المحاصرين والتحقيق فيها حركة الجسيمات المشحونة في المجالات الكهربائية وتحليل كيف يمكن استخدام مصدر مشعة لتغيير التهمة في الحبرية4 .
في الإعداد التجريبية المقدمة، توجه صعودا ليزر قوية وتركز في وسط الخلية الزجاج4. الليزر 2 ث 532 nm ضخ صمام ثنائي الحالة الصلبة ليزر (CW)، حيث عادة ما يتم استخدام حوالي 1 واط (W). البعد البؤري للعدسة الملائمة هو 3.0 سم. قطرات يتم إنشاؤها مع موزع الحبرية بيزو وتنزل عن طريق شعاع الليزر حتى أنهم محاصرون تماما فوق تركيز الليزر. تعويض اللون يحدث عندما توجه قوة إلى الأعلى ضغط الإشعاع مساوياً للقوة التجاذبية الموجهة نحو الانخفاض. لا يكون هناك حدود الوقت العلوي لاحظ لتعويض اللون. أطول وقت معالجة تجميعية وقد حوصر 9 ساعات، وبعد ذلك، تم إيقاف تشغيل في الفخ. التفاعل بين الحبرية ومجال الليزر ينتج نمط حيود الذي يستخدم لتحديد حجم القطرات.
تتكون قطرات تنبعث من الموزع المياه والغليسيرول و 90% 10%. بسرعة تبخر الجزء المياه، تاركاً معالجة تجميعية والغليسيرول حجم 20 إلى 30 ميكرومتر في الفخ. الحد الأقصى لحجم التجميعية التي يمكن المحاصرين من حوالي 40 ميكرومتر. هناك لا التبخر ولاحظت بعد حوالي 10 ثانية. عند هذه النقطة، أن جميع المياه قد تبخرت. الوقت محاصرة طويلة دون أي التبخر يمكن ملاحظتها يشير إلى أن هناك امتصاص الحد الأدنى وأن الحبرية أساسا في درجة حرارة الغرفة. التوتر السطحي للقطرات يجعلهم كروية. المسؤول عن قطرات الناتجة عن موزع الحبرية يعتمد على الظروف البيئية في المختبر، حيث أنهم الأكثر شيوعاً أصبح سلبيا اتهم. الأعلى وأسفل الخلية الملائمة يتكون من قطبين وضعت 25 مم عن بعضها البعض. يمكن استخدامها لتطبيق العمودية الكهربائية التيار المباشر (DC) أو حقل التيار المتردد (AC) عبر الحبرية. الحقل الكهربائي ليست قوية بما يكفي لإنشاء أي أقواس، حتى إذا تم تطبيق 1000 فولت (V) عبر أقطاب كهربائية. إذا كان يتم استخدام حقل DC، الحبرية يتحرك صعودا أو هبوطاً في شعاع الليزر إلى موضع توازن مستقر جديد. إذا تم تطبيق حقل AC بدلاً من ذلك، يتذبذب الحبرية حول موقفها التوازن. حجم الذبذبات يعتمد على حجم والمسؤول عن الحبرية، شدة الحقل الكهربائي، وصلابة من فخ الليزر. يتم إسقاط صورة الحبرية على المراعية لموقف كاشف (مديرية الأمن العام)، الذي يتيح للمستخدمين لتعقب الموضع العمودي للمعالجة التجميعية.
ويعرض هذا العمل مبادرة ناجحة لتحديث التعليم والبحث باستخدام تكنولوجيات المعلومات والاتصالات من خلال RL مبتكرة في استرفاع الضوئية من قطرات المشحون الذي يوضح المفاهيم الحديثة في الفيزياء. ويبين الشكل 1 هيكل RL. ويبين الجدول 1 الإصابات الممكنة التي يمكن أن تسبب أشعة الليزر طبقاً لهذه الفئة؛ في هذا الإعداد، قد استخدم ليزر “الصف الرابع”، وهو أحد أخطر. يمكن أن تعمل مع تصل إلى 2.0 ث ليزر مرئية الإشعاع، حيث سلامة توفرها العملية البعيدة وضوح مناسبة لهذه التجربة. استرفاع الضوئية من قطرات مشحونة RL قدم في أعمال “غالان دال” et al. في عام 20185. في هذا العمل، يتضح كيف يمكن استخدامه على الإنترنت من المعلمين الذين يرغبون في إدخال الطلاب إلى المفاهيم الحديثة للفيزياء دون الحاجة إلى أن تشعر بالقلق إزاء التكاليف اللوجستية أو قضايا السلامة. الطلاب الوصول RL عن طريق إنشاء بوابة على الإنترنت يسمى “شبكة الجامعة من مختبرات التفاعلية” (أونيلابس-https://unilabs.dia.uned.es) الذي يمكن أن يجد جميع الوثائق المتعلقة بالنظرية المتعلقة بالتجربة واستخدام التجريبية برنامج الإعداد عن طريق تطبيق ويب. باستخدام مفهوم مختبر البعيد، العمل التجريبي في الفيزياء الحديثة التي تتطلب معدات مكلفة وخطيرة يمكن أن تتاح لمجموعات جديدة من الطلاب. وعلاوة على ذلك، لأنه يعزز التعلم الرسمي بتقديم الطلاب التقليدية مع المزيد من الوقت في المختبر والتجارب التي عادة لا يمكن الوصول إليها من خارج مختبرات البحوث.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويعرض هذا العمل إعداد للقيام بتجربة فيزياء حديثة التي هي قطرات مرفوع بصريا. يمكن إجراء هذه التجربة في طريقة التدريب العملي على تقليدية أو عن بعد. مع إنشاء نظام بعيد، يمكن الحصول على الطلاب والباحثين في جميع أنحاء العالم الوصول إلى الإعداد التجريبية. وهذا يضمن أيضا سلامة المستخدمين، نظراً …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل قد حظي “المجلس السويدي للبحوث”، و “كارل Trygger´s مؤسسة” للبحث العلمي والإسبانية وزارة الاقتصاد والقدرة التنافسية في إطار مشروع مركز DPI2014-55932-C2-2-ر. بفضل ساناربسجيمناسيت للسماح لنا في محاولة RL مع الطلاب.
Materials
| 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 |
References
- Ashkin, A., Dziedzic, J. Optical levitation by radiation pressure. Applied Physics Letters. 19, 283-285 (1971).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Christian, W., Esquembre, F. Modeling physics with easy java simulations. The Physics Teacher. 45, 475-480 (2007).
- 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).
- Chaos, D., Chacon, J., Lopez-Orozco, J. A., Dormido, S. Virtual and remote robotic laboratory using ejs, matlab and labview. Sensors. 13, 2595-2612 (2013).
- 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).
- 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).
- Galinskiy, I., et al. Measurement of particle motion in optical tweezers embedded in a Sagnac interferometer. Optics express. 23, 27071-27084 (2015).
- Polat, M., Polat, H., Chander, S. Electrostatic charge on spray droplets of aqueous surfactant solutions. Journal of Aerosol Science. 31, 551-562 (2000).
