ניסויים בטוח רחיפה אופטי של Droplets טעונה באמצעות מעבדות מרחוק
Summary
ריחוף אופטי הוא שיטה פרוגרסיבי בגודל מיקרומטר אובייקטים מבודד באמצעות אור לייזר. יכול להיות נשלט מרחוק ניצול מחשבים ומערכות אוטומציה, ניסוי בתליה אופטי. כאן, אנו מציגים ממערכת וטלמכניים ריחוף אופטי המשמש הן עבור החינוך לצרכי עיון ומחקר.
Abstract
העבודה מציג ניסוי זה מאפשר חקר תהליכים פיזיקליים בסיסיים רבים, כגון פוטון ללחץ, בשבירת קרני האור או את התנועה של חלקיקים טעונים בשדות חשמליים. בניסוי זה, קרן לייזר ממוקדת מצביע כלפי מעלה לרחף טיפות נוזל. טיפות הם התרוממתי על ידי לחץ פוטון של קרן לייזר ממוקדת אשר מאזן את כוח הכבידה. התבנית עקיפה נוצרת כאשר מואר עם אור לייזר יכולה לעזור למדוד את הגודל של droplet לכוד. המטען של ה-droplet לכוד יכול להיקבע על ידי לימוד בתנועה כאשר שדה חשמלי מכוון אנכית מוחל. ישנן מספר סיבות עידוד הניסוי הזה בפני שליטה מרחוק. ההשקעות הנדרשים עבור ההתקנה עולה על הסכום זמין בדרך כלל במעבדות הוראה לתואר ראשון. הניסוי דורש לייזר של מחלקה 4, שהינו מזיק העור והעיניים ומשתמש הניסוי המתחים כי הם מזיקים.
Introduction
העובדה כי אור נושאת מומנטום הוצע לראשונה על ידי קפלר כשהוא הסביר למה הזנב של כוכב שביט שתמיד מצביע הרחק מן השמש. השימוש בלייזר כדי להזיז השמנה של אובייקטים מאקרוסקופית דווחה לראשונה על ידי Ashkin א, ג’ מ דז’ידז’יק בשנת 1971 כאשר הם הפגינו שזה אפשרי להתרומם מיקרומטר בגודל חפצים מבודד1. האובייקט לכוד נחשף קרן לייזר מכוונת כלפי מעלה. חלק של קרן הלייזר בא לידי ביטוי על האובייקט שהטיל לחץ קרינה על זה, זה היה מספיק לאזן את כוח המשיכה. רוב האור, עם זאת, היה נשברות דרך האובייקט מבודד. שינוי הכיוון של האור גורם רתיעה של האובייקט. השפעת נטו הרתע עבור חלקיק להציב בפרופיל קרן גאוסיאנית היא כי ה-droplet לנוע לעבר האזור של עוצמת האור הגבוהה2. לפיכך, עמדה יציבה השמנה נוצרת במרכז של קרן הלייזר במיקום מעט מעל מוקד שבו לחץ קרינה מאזן את כוח המשיכה.
שכן השיטה ריחוף אופטי מאפשר אובייקטים קטנים ילכדו אותך, מבוקר מבלי להיות בקשר עם אובייקטים כלשהם, ניתן יהיה ללמוד פיסיקליות שונות levitated droplet. עם זאת, הניסוי מציג שתי מגבלות לשכפל ו שיוחלו בתי ספר או אוניברסיטאות מוסדות לא כל יכול להרשות לעצמו את הציוד הדרוש, מאחר שישנם סיכונים בתפעול על הידיים של הלייזר.
מעבדות מרחוק (RLs) מציעים גישה מרחוק באינטרנט לציוד מעבדה אמיתי עבור פעילויות ניסיוני. RLs הופיע לראשונה בסוף שנות ה-90, עם כניסתו של האינטרנט, ואת החשיבות שלהם ולהשתמש יש כבר גדל במשך השנים, כמו הטכנולוגיה התקדמה, חלק הדאגות העיקריות שלהם היה פתור3. עם זאת, הליבה של RLs נותרו כפי שהיו לאורך זמן: השימוש של מכשיר אלקטרוני עם חיבור לאינטרנט כדי לגשת למעבדה, לשלוט ולפקח על ניסוי.
בשל טבעם מרחוק, RLs ניתן להציע פעילויות ניסיוני למשתמשים מבלי לחשוף אותם הסיכונים עשויה להיות קשורה המימוש של ניסויים אלה. כלים אלה לאפשר לסטודנטים להקדיש יותר זמן עבודה עם ציוד מעבדה, ומכאן לפתח מיומנויות מעבדה טובה יותר. יתרונות נוספים של RLs הם כי הם 1) מאפשרים לאנשים נכים לבצע עבודה ניסויית, 2) להרחיב את הקטלוג של הניסויים המוצעים לסטודנטים על ידי שיתוף RLs בין אוניברסיטאות ו 3) להגדיל את הגמישות לתזמון עבודת מעבדה, מאחר וניתן לבצעה ממתי הפיזי מעבדה סגורה. לבסוף, RLs מציעים גם הדרכה בתפעול מערכות מבוקרת מחשב, המהווים כיום חלק חשוב של מחקר, פיתוח ותעשייה. לכן, RLs לא יכול רק להציע פתרון לנושאים פיננסיים ובטיחות שניהם כי מעבדות מסורתי להציג, אך גם לספק הזדמנויות ניסיוני יותר מעניין.
עם הגדרת הניסוי נעשה שימוש בעבודה זו, זה ניתן למדוד את הגודל גובה של droplet לכוד, לחקור את התנועה של חלקיקים טעונים בשדות חשמליים ולנתח כיצד ניתן להשתמש כדי לשנות את החיוב על droplet4 מקור רדיואקטיבי .
בכיוונון ניסיוניים שהוצגו, לייזר רבת עוצמה מכוונת כלפי מעלה, ממוקד אל מרכז תא זכוכית4. הלייזר הוא 2 W 532 ננומטר דיודת-שאוב solid-state לייזר (CW), שבו בדרך כלל נעשה שימוש בערך 1 וואט (W). אורך המוקד של העדשה השמנה היא 3.0 ס מ. טיפות נוצרים עם מתקן droplet piezo לסרו קרן הלייזר עד שהם לכודים מעל המוקד של הלייזר. השמנה מתרחשת כאשר הכוח שמפיקים כלפי מעלה ביים לחץ קרינה שווה לכוח הכבידה מכוונת כלפי מטה. יש ללא הגבלת זמן העליון ציין להשמנה. הזמן הארוך ביותר שהיה לכוד droplet 9 שעות, לאחר מכן, המלכודת היה כבוי. האינטראקציה בין ה-droplet ואת השדה לייזר יוצרת תבנית עקיפה אשר משמש כדי לקבוע את גודלו של טיפות.
טיפות הנפלטים מנפק מורכבות של 10% גליצרול ו 90% מים. החלק המים מתאדה במהירות, עוזב droplet גליצרול בגודל 20-30 מיקרומטר במלכודת. הגודל המרבי של droplet זה יכול לבצע עליו השמנה הוא כ-40 מיקרומטר. יש אין אידוי נצפתה לאחר בערך 10 s. בשלב זה, כל המים צפוי להיות התאדו. הפעם השמנה ארוך ללא כל אידוי הנצפה מציין כי הספיגה מינימלית וכי ה-droplet במהותה היא בטמפרטורת החדר. מתח הפנים של טיפות גורם להם כדורית. המטען של טיפות שנוצר על ידי מנפק droplet תלוי בתנאים הסביבתיים במעבדה, איפה הם הנפוצים ביותר להיות אניון. החלק העליון והחלק התחתון של התא השמנה מורכב שתי אלקטרודות להציב 25 מ מ אחד מהשני. הם יכולים לשמש כדי להחיל אנכי חשמליים זרם ישר (DC) או זרם חילופין (AC) שדה מעל ה-droplet. השדה החשמלי אינה חזקה מספיק כדי ליצור קשתות כלשהי גם אם 1000 וולט (V) מוחל על האלקטרודות. אם שדה DC, ה-droplet להעברת למעלה או למטה בתוך הקרן עמדה יציבה שיווי משקל חדש. אם שדה AC מוחל במקום, ה-droplet מתנדנד סביב מעמדה שיווי משקל. סדר הגודל של תנודות תלוי בגודל המטען של ה-droplet, על עוצמת השדה החשמלי ועל את הנוקשות של המלכודת לייזר. תמונה של ה-droplet מוקרן על גבי גלאי רגיש עמדה (PSD), המאפשרת למשתמשים לאתר את המיקום האנכי של ה-droplet.
עבודה זו מציגה יוזמה מוצלחת של מודרניזציה הוראה ומחקר באמצעות מידע וטכנולוגיות תקשורת דרך RL חדשני בתליה אופטי של droplets טעונה, אשר ממחיש את המושגים המודרניים בפיזיקה. איור 1 מציג את הארכיטקטורה של RL. טבלה 1 מציגה את הפציעות אפשרי לייזרים שיכולים לגרום לפי מחלקות שלהם; בהגדרת הזה, לייזר Class IV כבר בשימוש, אשר הוא המסוכן ביותר. זה יכול לפעול עד 2.0 W של קרינת לייזר גלוי, אז הבטיחות שסופקו על-ידי הפעולה מרחוק מתאים בבירור את הניסוי הזה. רחיפה אופטי של droplets טעונה RL הוצגה העבודה של גלאן ד. et al. ב 20185. בעבודה זאת, הוכח כיצד ניתן להשתמש באינטרנט על ידי המורים שרוצים לחבר את הסטודנטים המושגים המודרניים של פיזיקה ללא צורך להיות מודאגים לגבי העלויות, הלוגיסטיקה או על בעיות בטיחות. התלמידים לגשת RL את דרך פורטל אינטרנט בשם אוניברסיטת רשת של מעבדות אינטראקטיביים (UNILabs – https://unilabs.dia.uned.es), שבו הם יכולים למצוא את כל התיעוד לגבי התיאוריה הקשורים הניסוי ואת השימוש ניסיוני תוכנית ההתקנה של יישום אינטרנט. באמצעות המושג של מעבדה מרחוק, עבודה ניסויית הגדיל הדורש ציוד יקר ומסוכן יהיה זמין כדי קבוצות חדשות של תלמידים. יתר על כן, היא מגבירה את הלמידה הפורמלית על-ידי מתן תלמידים מסורתיים עם עוד פעם מעבדה ועם ניסויים שאינם נגישים בדרך כלל מחוץ מעבדות מחקר.
Protocol
Representative Results
Discussion
עבודה זו מציגה הכנה ביצוע ניסוי בפיסיקה המודרנית שבה הן טיפות שטיחות התרוממתי. ניתן לבצע את הניסוי דרך תרגולים מסורתית או מרחוק. עם הקמת המערכת המרוחקת, סטודנטים וחוקרים מכל העולם יכול לקבל גישה שיבנו ניסיוני. זה גם מבטיח הבטיחות של המשתמשים, מכיוון שהם לא צריכים להיות בנוכחותו של לייזר וב…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכו על ידי מועצת המחקר השבדי, קארל Trygger´s קרן מחקר מדעי, ספרדית משרד הכלכלה ואת התחרותיות תחת הפרויקט CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. הודות Sannarpsgymnasiet על שנתת לנו לנסות את RL עם תלמידים.
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).
