Expérimentation sécuritaire en lévitation optique de gouttelettes chargées à l’aide de Remote Labs
Summary
Levitation optique est une méthode de lévitation d’objets diélectriques micromètre en utilisant la lumière laser. Utilisant des ordinateurs et systèmes d’automatisation, une expérience sur la levitation optique peut être commandé à distance. Ici, nous présentons un système télécommandé levitation optique qui est utilisé aussi bien pour l’éducation et de recherche.
Abstract
L’ouvrage présente une expérience qui permet l’étude de nombreux processus physiques fondamentales, telles que la pression des photons, la diffraction de la lumière ou le mouvement des particules chargées dans les champs électriques. Dans cette expérience, un faisceau de laser focalisé pointant vers le haut léviter des gouttelettes de liquide. Les gouttelettes sont fait de la lévitation par la pression des photons du faisceau laser focalisé qui équilibre la force gravitationnelle. Le patron de diffraction créé lorsque illuminé par la lumière laser peut aider à mesurer la taille d’une gouttelette piégée. La charge de la gouttelette piégée peut être déterminée en étudiant sa requête lorsqu’un champ électrique verticale dirigé est appliqué. Il y a plusieurs raisons motivant cette expérience d’être contrôlé à distance. Les investissements requis pour l’installation dépasse le montant normalement disponible dans les laboratoires d’enseignement de premier cycle. L’expérience nécessite un laser de classe 4, qui est nocif pour la peau et les yeux et l’expérience utilise des tensions qui sont nocifs.
Introduction
Le fait que la lumière transporte élan a été tout d’abord suggéré par Kepler lorsqu’il a expliqué pourquoi la queue d’une comète pointe toujours loin du soleil. L’utilisation d’un laser pour déplacer et piéger des objets macroscopiques a été signalée par A. Ashkin et J. M. Dziedzic en 1971 quand ils ont démontré qu’il est possible de faire de la lévitation micromètre taille objets diélectriques1. L’objet piégé a été exposé à une hausse dirigé le faisceau laser. Partie du faisceau laser a été reflétée sur l’objet qui a imposé une pression de radiation sur ce qui était suffisante pour contrebalancer la gravité. La plupart de la lumière, cependant, a été réfractés par le biais de l’objet diélectrique. Le changement de la direction de la lumière provoque un recul de l’objet. L’effet net du recul pour une particule placée dans un profil de faisceau gaussien est que la goutte s’orientera vers la région de plus forte intensité lumineuse2. Par conséquent, une position stable de piégeage est créée dans le centre du faisceau laser à une position légèrement au-dessus du point de contact où la pression de radiation soldes gravité.
Étant donné que la méthode de la lévitation optique permet aux petits objets d’être pris au piège et contrôlés sans être en contact avec des objets, différents phénomènes physiques peuvent être étudiés à l’aide d’une goutte de sustentation. Toutefois, l’expérience présente deux limites pour être reproduits et appliqué dans les écoles ou les universités puisque pas de toutes les institutions peuvent se permettre l’équipement requis et qu’il y a certains risques dans le fonctionnement pratique du laser.
Laboratoires distants (RLs) offrent accès à distance online de l’équipement de laboratoire réel pour des activités expérimentales. RLs est apparue à la fin des années 90, avec l’avènement de l’Internet, et leur importance et leur utilisation ont augmenté au cours des années, comme la technologie a progressé et certaines de leurs préoccupations majeures ont été résolu3. Cependant, le noyau du SJSR est resté le même au fil du temps : l’utilisation d’un dispositif électronique avec une connexion Internet pour accéder à un laboratoire et de contrôler et de suivre une expérience.
En raison de leur éloignement, RLs permet d’offrir des activités expérimentales aux utilisateurs sans les exposer à des risques qui peuvent être associés à la réalisation de telles expériences. Ces outils permettent aux étudiants de passer plus de temps à travailler avec le matériel de laboratoire et donc développent de meilleures habiletés de laboratoire. Autres avantages du SJSR sont qu’ils 1) facilitent aux personnes handicapées effectuer des travaux expérimentaux, 2) élargir le catalogue d’expériences offertes aux étudiants en partageant des RLs entre universités et 3) accroître la flexibilité dans la planification des travaux de laboratoire, car elle peut être réalisée de maison quand un laboratoire physique est fermé. Enfin, RLs offrent également une formation en systèmes d’exploitation contrôlé par ordinateur, qui aujourd’hui sont une partie importante de la recherche, de développement et de l’industrie. Par conséquent, RLs ne peuvent offrir seulement une solution à la fois les questions financières et de sécurité que les laboratoires traditionnels présentent, mais offrent aussi des possibilités expérimentales plus intéressantes.
Avec le montage expérimental utilisé dans ce travail, il est possible de mesurer la taille et charger d’une gouttelette piégée, étudier le mouvement des particules chargées dans les champs électriques et analyser comment une source radioactive peut être utilisée pour modifier la charge sur une goutte4 .
Dans le montage expérimental présenté, un puissant laser est dirigé vers le haut et porté au centre d’une cellule de verre4. Le laser est un 2 L 532 nm pompé par diode laser solide (CW), où habituellement environ 1 Watt (W) est utilisé. La distance focale de la lentille de piégeage est 3,0 cm. gouttelettes sont générées avec un distributeur de gouttelettes piezo et descendent par le faisceau laser, jusqu’à ce qu’ils sont pris au piège juste au-dessus de la mise au point du laser. Piégeage survient lorsque la force de l’ascendant réalisé la pression de radiation est égale à la force gravitationnelle dirigée vers le bas. Il n’y a aucune limite de temps supérieure observée pour le piégeage. Le plus long temps qu’une goutte a été pris au piège est de 9 heures, par la suite, le piège a été désactivé. L’interaction entre la goutte et le champ laser produit un motif de diffraction qui sert à déterminer la taille des gouttelettes.
Les gouttelettes émises par le distributeur se composent de 10 % glycérol et 90 % d’eau. La partie de l’eau s’évapore rapidement, laissant une goutte de glycérol taille de 20 à 30 µm dans le piège. La taille maximale d’une gouttelette qui peut être pris au piège est environ 40 µm. Il n’y a aucune évaporation observée après environ 10 s. À ce stade, toute l’eau est censé avoir évaporé. Le temps de piégeage long sans aucune évaporation observable indique qu’il y a absorption minime et que la goutte est essentiellement à la température ambiante. La tension de surface des gouttelettes rend sphérique. La charge des gouttelettes générées par le distributeur de gouttelettes dépend des conditions environnementales dans le laboratoire, où ils deviennent plus souvent négativement chargés. Le haut et le bas de la cellule de piégeage est constituée de deux électrodes placés à part 25 mm. Ils peuvent être utilisés pour appliquer une verticale courant direct (DC) ou un champ de courant alternatif (ca) sur la goutte. Le champ électrique n’est pas assez fort pour créer des arcs même si 1000 volts (V) est appliquée sur les électrodes. Si un champ continu est utilisé, la gouttelette se déplace vers le haut ou vers le bas dans le faisceau laser vers une nouvelle position d’équilibre stable. Si un champ d’AC est appliqué au lieu de cela, la gouttelette oscille autour de sa position d’équilibre. L’amplitude des oscillations dépend de la taille et la charge de la goutte, l’intensité du champ électrique et de la rigidité de la trappe de laser. Une image de la gouttelette est projetée sur un détecteur sensible à la position (PSD), qui permet aux utilisateurs de suivre la position verticale de la goutte.
Cet ouvrage présente une initiative réussie de moderniser l’enseignement et recherche à l’aide de Information and Communication Technologies grâce à un innovant RL sur levitation optique de gouttelettes chargées qui illustre les concepts modernes de physique. La figure 1 illustre l’architecture de la RL. Le tableau 1 indique les éventuelles blessures qui peuvent causer des lasers selon leur catégorie ; Dans cette configuration, un laser de classe IV a été utilisé, qui est le plus dangereux. Il peut fonctionner avec jusqu’à 2,0 W de rayonnement laser visible, donc la sécurité fournie par la commande à distance est bien adaptée pour cette expérience. La lévitation optique de gouttelettes chargées RL a été présenté dans les travaux de D. Galan et coll. en 20185. Dans ce travail, il est démontré comment il peut être utilisé en ligne par les enseignants qui veulent présenter à leurs élèves des concepts modernes de la physique sans avoir à se préoccuper des coûts, la logistique ou les questions de sécurité. Étudiants accéder la RL grâce à un portail web, appelé réseau de laboratoires Interactive universitaires (UNILabs – https://unilabs.dia.uned.es) dans lequel ils peuvent trouver toute la documentation concernant la théorie liée à l’expérience et l’utilisation de l’expérimental installation au moyen d’une application web. En utilisant le concept de laboratoire, les travaux expérimentaux dans la physique moderne qui nécessite un équipement coûteux et dangereux peuvent mis à la disposition de nouveaux groupes d’étudiants. En outre, elle améliore l’apprentissage formel en fournissant des étudiants traditionnels avec plus de temps laboratoire et à des expériences qui sont normalement inaccessibles en dehors des laboratoires de recherche.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cet ouvrage présente une configuration pour mener à bien une expérience de physique moderne où les gouttelettes sont optiquement lévitation. L’expérience peut être effectuée soit dans une façon traditionnelle, soit à distance. Avec la création du système distant, étudiants et chercheurs du monde entier peuvent accédez au montage expérimental. Cela garantit également la sécurité des utilisateurs, car ils n’ont pas besoin d’être en présence de la laser de haute puissance et champs électriques né…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le Conseil de recherche suédois, Carl Trygger´s Fondation pour la recherche scientifique et le ministère espagnol de l’économie et la compétitivité dans le cadre du projet CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. Merci à Sannarpsgymnasiet pour laisser nous essayer la RL avec les élèves.
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
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