दूरस्थ प्रयोगशालाओं का उपयोग कर चार्ज की गई बूंदों के ऑप्टिकल उत्तोलन में सुरक्षित प्रयोग
Summary
ऑप्टिकल उत्तोलन उड़ती माइक्रोमीटर के लिए एक विधि-आकार अचालक लेजर प्रकाश का उपयोग कर वस्तुओं है । कंप्यूटर और स्वचालन प्रणालियों का उपयोग, ऑप्टिकल उत्तोलन पर एक प्रयोग दूर से नियंत्रित किया जा सकता है । यहां, हम एक दूर से नियंत्रित ऑप्टिकल उत्तोलन प्रणाली है कि दोनों शैक्षिक और अनुसंधान प्रयोजनों के लिए प्रयोग किया जाता है वर्तमान ।
Abstract
काम एक प्रयोग है कि कई मौलिक शारीरिक प्रक्रियाओं के अध्ययन की अनुमति देता है प्रस्तुत करता है, जैसे फोटॉन दबाव, प्रकाश की विवर्तन या बिजली के खेतों में चार्ज कणों की गति । इस प्रयोग में, एक केंद्रित लेजर बीम ऊपर की ओर इशारा करते हुए उड़ जाना तरल बूंदों । बूंदों को पछाड़कर लेजर बीम के फोटॉन दबाव से levitated जाता है जो गुरुत्वाकर्षण बल को संतुलित करता है । विवर्तन पैटर्न बनाया जब लेजर प्रकाश के साथ प्रबुद्ध एक फंस छोटी बूंद के आकार को मापने में मदद कर सकते हैं । फंस छोटी बूंद के प्रभारी अपनी गति का अध्ययन करके निर्धारित किया जा सकता है जब एक खड़ी निर्देशित बिजली क्षेत्र लागू है । इस प्रयोग को दूर से नियंत्रित करने के लिए प्रेरित करने के कई कारण हैं । सेटअप के लिए आवश्यक निवेश स्नातक शिक्षण प्रयोगशालाओं में सामान्य रूप से उपलब्ध राशि से अधिक है । प्रयोग कक्षा 4 के एक लेजर की आवश्यकता है, जो दोनों त्वचा और आंखों के लिए हानिकारक है और प्रयोग वोल्टेज है कि हानिकारक है का उपयोग करता है ।
Introduction
तथ्य यह है कि प्रकाश गति वहन सबसे पहले केपलर ने सुझाव दिया था जब उन्होंने बताया कि क्यों एक धूमकेतु की पूंछ हमेशा सूरज से दूर अंक । एक लेजर का उपयोग करने के लिए कदम है और जाल macroscopic वस्तुओं पहले १९७१ में ए. Ashkin और जे. एम. Dziedzic द्वारा सूचित किया गया था जब वे दिखा दिया कि यह उड़ जाना माइक्रोमीटर आकार अचालक1वस्तुओं के लिए संभव है । फंस वस्तु एक ऊपर की ओर निर्देशित लेजर बीम के संपर्क में था । लेजर बीम का हिस्सा वस्तु है जो उस पर एक विकिरण दबाव लगाया है कि गुरुत्वाकर्षण counterbalance करने के लिए पर्याप्त था पर परिलक्षित किया गया था । प्रकाश के अधिकांश, तथापि, अचालक वस्तु के माध्यम से refracted था । प्रकाश की दिशा के परिवर्तन के कारण वस्तु का हटना होता है । एक गाऊसी बीम प्रोफ़ाइल में रखा एक कण के लिए हटना के शुद्ध प्रभाव यह है कि छोटी बूंद उच्चतम प्रकाश की तीव्रता2के क्षेत्र की ओर कदम होगा । इसलिए, एक स्थिर फँसाने की स्थिति में लेजर बीम केंद्र बिंदु से थोड़ा ऊपर एक स्थिति में बनाया गया है जहां विकिरण दबाव संतुलन गुरुत्वाकर्षण ।
चूंकि ऑप्टिकल उत्तोलन विधि छोटी वस्तुओं के किसी भी वस्तु के साथ संपर्क में होने के बिना फंस गया है और नियंत्रित करने के लिए अनुमति देता है, अलग शारीरिक घटना एक levitated छोटी बूंद का उपयोग कर अध्ययन किया जा सकता है । हालांकि, प्रयोग दो सीमाएं प्रस्तुत करने के लिए reproduced किया जाएगा और स्कूलों या विश्वविद्यालयों में लागू नहीं के बाद से सभी संस्थानों आवश्यक उपकरण खरीद सकते है और के बाद से वहां हाथ में कुछ जोखिम लेजर के आपरेशन पर हैं ।
दूरस्थ प्रयोगशालाओं (आरएलएस) प्रयोगात्मक गतिविधियों के लिए वास्तविक प्रयोगशाला उपकरणों के लिए ऑनलाइन दूरदराज के उपयोग की पेशकश करते हैं । आरएलएस पहले 90 के दशक के अंत में दिखाई दिया, इंटरनेट के आगमन के साथ, और उनके महत्व और उपयोग वर्षों से बढ़ गया है, के रूप में प्रौद्योगिकी और प्रगति की है उनके प्रमुख चिंताओं में से कुछ3हल किया गया है । हालांकि, आरएलएस के कोर समय के साथ ही रह गया है: इंटरनेट कनेक्शन के लिए एक प्रयोगशाला का उपयोग, और नियंत्रण और एक प्रयोग की निगरानी के साथ एक इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस का इस्तेमाल करते हैं ।
उनके दूरदराज के प्रकृति के कारण, आरएलएस उन जोखिम है कि इस तरह के प्रयोगों की प्राप्ति के साथ जुड़ा हो सकता है को उजागर बिना उपयोगकर्ताओं के लिए प्रयोगात्मक गतिविधियों की पेशकश करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । इन उपकरणों के छात्रों को और अधिक समय खर्च प्रयोगशाला उपकरणों के साथ काम करने की अनुमति है, और इसलिए बेहतर प्रयोगशाला कौशल का विकास । आरएलएस के अंय लाभ है कि वे 1) विकलांग लोगों के लिए प्रयोगात्मक कार्य करने की सुविधा, 2) विश्वविद्यालयों और 3 के बीच आरएलएस साझा करने के द्वारा छात्रों के लिए पेशकश की प्रयोगों की सूची का विस्तार) निर्धारण प्रयोगशाला काम में लचीलापन बढ़ाने के लिए, जब से यह घर से प्रदर्शन किया जा सकता है जब एक भौतिक प्रयोगशाला बंद कर दिया है । अंत में, आरएलएस भी ऑपरेटिंग कंप्यूटर नियंत्रित प्रणाली है, जो आजकल अनुसंधान, विकास और उद्योग का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है में प्रशिक्षण प्रदान करते हैं । इसलिए, आरएलएस केवल वित्तीय और सुरक्षा के मुद्दों है कि पारंपरिक प्रयोगशालाओं मौजूद है, लेकिन यह भी अधिक दिलचस्प प्रयोगात्मक अवसर प्रदान करने के लिए एक समाधान प्रदान नहीं कर सकते ।
प्रायोगिक सेटअप इस काम में इस्तेमाल के साथ, यह आकार और एक फंस छोटी बूंद के आरोप को मापने के लिए संभव है, बिजली के क्षेत्रों में आरोप लगाया कणों की गति की जांच और विश्लेषण कैसे एक रेडियोधर्मी स्रोत एक छोटी बूंद4 पर आरोप बदलने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है .
प्रस्तुत प्रयोगात्मक सेटअप में, एक शक्तिशाली लेजर ऊपर की ओर निर्देशित है और एक ग्लास सेल4के केंद्र में केंद्रित है । लेजर एक 2 डब्ल्यू ५३२ एनएम डायोड है-ठोस राज्य लेजर पंप (CW), जहां आम तौर पर के बारे में 1 वाट (डब्ल्यू) का प्रयोग किया जाता है । फंसाने लेंस की फोकल लंबाई ३.० सेमी है । बूंदों एक पीजो छोटी बूंद मशीन के साथ उत्पंन कर रहे है और लेजर बीम के माध्यम से उतरना जब तक वे सिर्फ लेजर के ध्यान से ऊपर फंस रहे हैं । फँसाना तब होता है जब ऊपर की ओर निर्देशित विकिरण दबाव से बल नीचे गुरुत्वाकर्षण बल के निर्देश के बराबर है । ट्रैपिंग के लिए कोई ऊपरी समय सीमा स्वीकार्य नहीं है । सबसे लंबे समय तक एक छोटी बूंद फंस गया है 9 घंटे, उसके बाद, जाल बंद कर दिया गया था । छोटी बूंद और लेजर क्षेत्र के बीच बातचीत एक विवर्तन पैटर्न जो बूंदों के आकार का निर्धारण करने के लिए प्रयोग किया जाता है पैदा करता है ।
मशीन से उत्सर्जित बूंदों 10% ग्लिसरॉल और ९०% पानी से मिलकर बनता है । पानी का हिस्सा जल्दी से भाप बन जाता है, जाल में एक 20 से 30 µm आकार ग्लिसरॉल छोटी बूंद छोड़ने । एक छोटी बूंद है कि फंस सकता है की अधिकतम आकार के बारे में ४० µm है । कोई वाष्पीकरण के बारे में 10 एस के बाद मनाया जाता है । इस बिंदु पर, सभी पानी की उंमीद है काफूर हो गया है । किसी भी चौकस वाष्पीकरण के बिना लंबे समय फँसाना इंगित करता है कि वहाँ न्यूनतम अवशोषण है और कि छोटी बूंद अनिवार्य रूप से कमरे के तापमान पर है. बूंदों की सतह तनाव उंहें गोलाकार बनाता है । छोटी बूंद मशीन द्वारा उत्पंन की बूंदों के प्रभारी प्रयोगशाला, जहां वे सबसे अधिक नकारात्मक आरोप लगाया बन में पर्यावरण की स्थिति पर निर्भर करता है । ऊपर और ट्रैपिंग सेल के नीचे दो इलेक्ट्रोड के अलावा 25 मिमी रखा के होते हैं । वे एक ऊर्ध्वाधर बिजली प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) या छोटी बूंद पर वर्तमान (एसी) क्षेत्र बारी लागू करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । १००० वोल्ट (V) इलेक्ट्रोड पर लागू किया जाता है, भले ही बिजली के क्षेत्र में किसी भी आर्क्स बनाने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं है. एक डीसी क्षेत्र का उपयोग किया जाता है, तो छोटी बूंद ऊपर या नीचे लेजर बीम में एक नया स्थिर संतुलन की स्थिति के लिए ले जाता है । एक एसी क्षेत्र के बजाय लागू किया जाता है, तो छोटी बूंद अपनी संतुलन स्थिति के आसपास झूलती है । दोलनों की भयावहता के आकार और छोटी बूंद के प्रभारी पर निर्भर करता है, बिजली के क्षेत्र की तीव्रता पर, और लेजर जाल की कठोरता पर. छोटी बूंद की एक छवि एक स्थिति के प्रति संवेदनशील डिटेक्टर (PSD) है, जो उपयोगकर्ताओं को छोटी बूंद की ऊर्ध्वाधर स्थिति को ट्रैक करने की अनुमति देता है पर पेश है ।
यह काम भौतिकी में आधुनिक अवधारणाओं को दिखाता है जो आरोपी बूंदों की ऑप्टिकल उत्तोलन पर एक अभिनव आर एल के माध्यम से सूचना और संचार प्रौद्योगिकियों का उपयोग शिक्षण और अनुसंधान के आधुनिकीकरण की एक सफल पहल प्रस्तुत करता है । चित्रा 1 आरएल की वास्तुकला से पता चलता है । तालिका 1 संभव चोटों कि पराबैंगनीकिरण उनके वर्ग के अनुसार पैदा कर सकता है दिखाता है; इस सेटअप में, एक वर्ग IV लेजर इस्तेमाल किया गया है, जो सबसे खतरनाक एक है । यह दृश्य लेजर विकिरण के २.० डब्ल्यू करने के लिए के साथ काम कर सकते हैं, इसलिए दूरदराज के आपरेशन द्वारा प्रदान की सुरक्षा इस प्रयोग के लिए स्पष्ट रूप से उपयुक्त है । आरोपी बूंदों की ऑप्टिकल उत्तोलन आरएल २०१८5में डी. गलां एट अल. के कार्य में प्रस्तुत किया गया । इस काम में, यह प्रदर्शन किया है कि यह कैसे शिक्षकों को लागत, रसद या सुरक्षा के मुद्दों के बारे में चिंतित होने के बिना भौतिक विज्ञान की आधुनिक अवधारणाओं के लिए अपने छात्रों को लागू करना चाहते द्वारा ऑनलाइन किया जा सकता है । छात्रों को एक वेब पोर्टल के माध्यम से आर एल का उपयोग इंटरएक्टिव प्रयोगशालाओं के विश्वविद्यालय नेटवर्क बुलाया (UNILabs-https://unilabs.dia.uned.es) जिसमें वे सभी प्रयोग और प्रायोगिक के उपयोग से संबंधित सिद्धांत के बारे में प्रलेखन पा सकते है एक वेब अनुप्रयोग के माध्यम से सेटअप । एक दूरदराज के प्रयोगशाला की अवधारणा का उपयोग करके, आधुनिक भौतिकी में प्रयोगात्मक काम है कि महंगा और खतरनाक उपकरणों की आवश्यकता है छात्रों के नए समूहों के लिए उपलब्ध कराया जा सकता है । इसके अलावा, यह और अधिक प्रयोगशाला समय और प्रयोगों है कि आम तौर पर अनुसंधान प्रयोगशालाओं के बाहर दुर्गम है साथ पारंपरिक छात्रों को उपलब्ध कराने के द्वारा औपचारिक सीखने को बढ़ाता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह काम एक आधुनिक भौतिकी प्रयोग जिसमें बूंदों ऑप्टिकली levitated है बाहर ले जाने के लिए एक सेटअप प्रस्तुत करता है । प्रयोग या तो पारंपरिक हाथों में या दूर किया जा सकता है । दूरदराज के सिस्टम स्थापना के साथ, सभी …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम स्वीडिश रिसर्च काउंसिल, कार्ल Trygger ´ एस फाउंडेशन फॉर साइंटिफिक रिसर्च और स्पेन की अर्थव्यवस्था और प्रतिस्पर्धात्मकता मंत्रालय के तहत परियोजना CICYT DPI2014-55932-C2-2-R के तहत किया गया है । हमें बताने के लिए Sannarpsgymnasiet के लिए धंयवाद छात्रों के साथ आर एल की कोशिश करो ।
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 |
Referências
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