Veilig experimenten in optische levitatie van geladen druppels met behulp van externe Labs

Het feit dat licht impuls draagt was eerst voorgesteld door Kepler toen hij verklaarde waarom de staart van een komeet wijst altijd weg van de zon. Het gebruik van een laser om te bewegen en macroscopische objecten overlappen werd eerst gemeld door A. Ashkin en J. M. Dziedzic in 1971 toen zij aangetoond dat het mogelijk is te zweven micrometer formaat diëlektrische objecten¹. Het ingesloten object werd blootgesteld aan een opwaartse geregisseerd laserstraal. Deel van de laserstraal kwam tot uiting op het object die opgelegd een stralingsdruk daarop dat voldoende was als tegenwicht tegen de zwaartekracht. De meeste van het licht, werd echter gebroken door de diëlektrische object. De verandering van de richting van het licht zorgt ervoor dat een terugslag van het object.  Het netto-effect van de terugslag voor een deeltje in een Gaussiaanse bundel profiel geplaatst is dat de druppel naar de regio van hoogste lichtintensiteit^{2 bewegen zal}. Vandaar, de positie van een stabiele overlapping ontstaat in het midden van de laserstraal op een positie iets boven het focal point waar stralingsdruk saldi zwaartekracht.

Aangezien de optische levitatie methode kan kleine objecten worden gevangen en gecontroleerd zonder in contact met alle objecten, kunnen verschillende fysische verschijnselen worden bestudeerd met behulp van een levitated druppel. Het experiment kampt echter twee beperkingen worden gereproduceerd en toegepast op scholen of universiteiten, aangezien niet alle instellingen zich niet de benodigde apparatuur veroorloven kunnen en er bepaalde risico’s in de praktische werking van de laser zijn.

Externe laboratoria (RLs) bieden online externe toegang tot de echte laboratoriumapparatuur voor experimentele activiteiten. RLs verscheen voor het eerst aan het eind van de jaren ‘ 90, met de komst van het Internet, en hun belang en het gebruik zijn gegroeid door de jaren heen, aangezien de technologie is verbeterd en sommige van hun belangrijkste zorgen opgelost^{3 zijn}. Echter, de kern van RLs is hetzelfde gebleven na verloop van tijd: het gebruik van een elektronisch apparaat met internetverbinding toegang tot een lab, en te beheersen en te controleren van een experiment.

Als gevolg van hun afgelegen karakter, kunnen de RLs worden gebruikt voor experimentele activiteiten aan gebruikers aanbieden zonder dat zij worden blootgesteld aan de risico’s die gekoppeld aan de realisatie van dergelijke experimenten worden kunnen. Deze hulpmiddelen laten studenten te besteden meer tijd werken met laboratoriumapparatuur, en dus betere laboratorium vaardigheden te ontwikkelen. Andere voordelen van RLs zijn dat zij 1) voor gehandicapten uitvoeren van experimenteel werk vergemakkelijken, 2) Vouw de catalogus van experimenten aangeboden aan studenten door het delen van RLs tussen universiteiten en 3) verhogen de flexibiliteit bij het plannen van laboratoriumwerk, Aangezien het kan worden uitgevoerd vanuit huis als is een fysieke laboratorium gesloten. Ten slotte, RLs bieden ook trainingen in besturingssystemen computergestuurde, die tegenwoordig een belangrijk onderdeel van onderzoek, ontwikkeling en industrie. Daarom, RLs kunnen niet alleen een oplossing bieden voor zowel de financiële en veiligheid kwesties dat traditionele labs presenteren, maar ook interessanter experimentele mogelijkheden bieden.

Met de experimentele opstelling in dit werk gebruikt, is het mogelijk de grootte meten en rekenen van een gevangen droplet, onderzoeken van de beweging van geladen deeltjes in elektrische velden en analyseren hoe een radioactieve bron kan worden gebruikt voor het wijzigen van de lading op een druppel⁴ .

In de experimentele opzet gepresenteerd, is een krachtige laser naar boven gericht en geconcentreerd in het midden van een cel glas⁴. De laser is een 2 W 532 nm diode gepompte vaste-stof laser (CW), waar meestal ongeveer 1 Watt (W) wordt gebruikt. De brandpuntsafstand van de lens van de overlapping is 3,0 cm. druppels worden gegenereerd met een piëzo druppel dispenser en afdalen via de laserstraal totdat zij net boven de focus van de laser zitten. Overlapping optreedt wanneer de kracht van de opwaartse gericht stralingsdruk is gelijk aan de neerwaartse gestuurde zwaartekracht. Er is geen bovengrens met een korte tijd die wordt waargenomen voor overvulling. De langste tijd die een droplet heeft gevangen is 9 uur, daarna, de val was uitgeschakeld. De interactie tussen de druppel en de laser veld produceert een diffractie patroon dat wordt gebruikt om te bepalen van de grootte van de druppels.

De druppels uitgestoten uit het zeepbakje bestaan uit 10% glycerol en 90% water. Het deel water verdampt snel, een 20 tot 30 µm formaat glycerol droplet verlaten in de val. De maximale grootte van een druppel die kan worden onderschept is ongeveer 40 µm. Er is geen verdamping waargenomen na ongeveer 10 s. Op dit punt verwacht alle water verdampt. De overlapping van de lange tijd zonder waarneembare verdamping geeft aan dat er minimale absorptie is en dat de druppel in wezen bij kamertemperatuur. De oppervlaktespanning van de druppels maakt ze sferische. De last van de druppels gegenereerd door de druppel dispenser is afhankelijk van de milieuomstandigheden in het laboratorium, waar ze meestal worden negatief geladen. De bovenkant en de onderkant van de cel van de overlapping bestaat uit twee elektroden Geplaatst 25 mm uit elkaar. Ze kunnen worden gebruikt om het toepassen van een verticale elektrische gelijkstroom (DC) of wisselstroom (AC) veld over de druppel. Het elektrisch veld is niet sterk genoeg om elke bogen maken zelfs als 1000 volt (V) wordt toegepast op de elektroden. Als een DC-veld wordt gebruikt, beweegt de druppel omhoog of omlaag in de laserstraal naar een nieuwe positie stabiel evenwicht. Als een veld AC in plaats daarvan wordt toegepast, schommelt de druppel rond de positie van haar evenwicht. De omvang van de trillingen zijn, is afhankelijk van de grootte en de last van de druppel, op de intensiteit van het elektrisch veld en op de stijfheid van de val van de laser. Een afbeelding van de droplet wordt geprojecteerd op een positie-gevoelig-detector (PSD), die gebruikers toestaat om spoor van de verticale positie van de druppel.

Dit werk presenteert een geslaagd initiatief van modernisering van onderwijs en onderzoek met behulp van informatie- en communicatietechnologieën via een innovatieve RL op optische levitatie van geladen druppels die illustreert van moderne concepten in de natuurkunde. Figuur 1 toont de architectuur van de RL. Tabel 1 toont de mogelijke verwondingen die lasers volgens hun klasse veroorzaken kunnen; Bij deze instelling is een laser klasse IV gebruikt, die de meest gevaarlijke is. Het kan werken met maximaal 2.0 W van zichtbare laserstraling, zodat de veiligheid geboden door de bediening op afstand duidelijk geschikt is voor dit experiment. De optische levitatie van geladen druppels RL werd gepresenteerd in het werk van D. Galan et al. in 2018⁵. In dit werk wordt aangetoond hoe het online kan worden gebruikt door docenten die hun leerlingen kennismaken met moderne begrippen van de natuurkunde willen zonder te zijn bezorgd over de kosten, de logistiek of de veiligheidskwesties. Studenten toegang krijgen tot de RL via een webportal genaamd universitaire netwerk van interactieve laboratoria (UNILabs – https://unilabs.dia.uned.es) in die ze alle documentatie met betrekking tot de theorie gerelateerd aan het experiment en het gebruik van de experimentele vinden kunnen installatie door middel van een web-applicatie. Met behulp van het concept van een extern laboratorium, kan experimenteel werk in de moderne natuurkunde die vereist dat gevaarlijke en dure apparatuur beschikbaar worden gesteld aan nieuwe groepen van studenten. Bovendien verbetert het het formele leren door middel van traditionele studenten met meer laboratorium tijd en experimenten die normaal niet toegankelijk zijn buiten onderzoekslaboratoria zijn.