Caja fuerte experimentación en levitación óptica de gotitas cargadas usando laboratorios remotos
Summary
Levitación óptica es un método para levitar objetos dieléctricos tamaño micrómetro utilizando luz láser. Utilizando equipos y sistemas de automatización, un experimento de levitación óptica puede ser controlado remotamente. Aquí, presentamos un sistema de levitación óptica controlado remotamente que es utilizado tanto para la educación y propósitos de investigación.
Abstract
La obra presenta un experimento que permite el estudio de muchos procesos físicos fundamentales, tales como presión del fotón, la difracción de la luz o el movimiento de partículas cargadas en campos eléctricos. En este experimento, un haz de láser centrado apuntando hacia arriba levitar gotitas líquidas. Las gotitas son levitación por la presión de fotones del haz láser enfocado que equilibra la fuerza gravitacional. El patrón de difracción creado cuando se ilumina con la luz del láser puede ayudar a medir el tamaño de una gota de atrapados. La carga de la gota atrapada puede determinarse mediante el estudio de su movimiento cuando se aplica un campo eléctrico dirigido verticalmente. Hay varias razones que motivan este experimento para controlar de forma remota. Las inversiones necesarias para la configuración superior a la normalmente disponible en laboratorios de docencia de pregrado. El experimento requiere un láser de clase 4, que es perjudicial para la piel y los ojos y el experimento utiliza tensiones que son perjudiciales.
Introduction
El hecho de que la luz lleva ímpetu primero fue sugerido por Kepler cuando explicó por qué la cola de un cometa apunta siempre lejos del sol. El uso de un láser para moverse y atrapar objetos macroscópicos primero fue divulgado por A. Ashkin y J. M. Dziedzic en 1971 cuando demostró que es posible levitar micrómetro de tamaño objetos dieléctricos1. El objeto atrapado fue expuesto a un ascendente dirigida de rayo láser. Parte del haz láser se refleja en el objeto que impone una presión de la radiación en lo que fue suficiente para contrarrestar la gravedad. La mayoría de la luz, sin embargo, fue refractada a través del objeto dieléctrico. El cambio de la dirección de la luz causa un retroceso del objeto. El efecto neto de retroceso para una partícula en un perfil de rayo gausiano es que la gota se moverá hacia la región de máxima intensidad de la luz2. Por lo tanto, se crea una posición estable de la captura en el centro del haz láser en una posición ligeramente por encima el punto focal donde presión equilibra la gravedad.
Dado que el método de levitación óptica permite pequeños objetos a ser atrapado y controlado sin estar en contacto con los objetos, fenómenos físicos diferentes pueden estudiarse utilizando una gota de levitación. Sin embargo, el experimento presenta dos limitaciones para ser reproducido y aplicado en las escuelas o las universidades puesto que no todas las instituciones pueden permitirse el equipo necesario y hay ciertos riesgos en la operación práctica del láser.
Laboratorios remotos (RLs) ofrecen online acceso remoto a los equipos de laboratorio real para las actividades experimentales. RLs apareció por primera vez a finales de los años 90, con el advenimiento de Internet, y su importancia y su uso han ido creciendo con los años, como ha avanzado la tecnología y algunos de sus principales preocupaciones han sido resueltos3. Sin embargo, el núcleo de la RLs sigue siendo igual con el tiempo: el uso de un dispositivo electrónico con conexión a Internet para acceder a un laboratorio y control y seguimiento de un experimento.
Debido a su naturaleza remota, RLs pueden utilizarse para ofrecer actividades experimentales a usuarios sin exponerlos a los riesgos que pueden estar asociados con la realización de tales experimentos. Estas herramientas permiten que los estudiantes pasan más tiempo trabajando con equipos de laboratorio y por lo tanto, desarrollan mejores habilidades de laboratorio. Otras ventajas de RLs son que 1) facilitan para que personas con discapacidad a realizar trabajo experimental, 2) ampliar el catálogo de experimentos ofrecida a los estudiantes compartiendo RLs entre universidades y 3) aumentar la flexibilidad en la programación de trabajo de laboratorio, ya que puede realizarse desde casa cuando se cierra un laboratorio de físico. Por último, RLs también ofrecen capacitación en la operación de sistemas controlados por computadora, que hoy en día son una parte importante de la investigación, desarrollo e industria. Por lo tanto, RLs no pueden ofrecer sólo una solución a los problemas financieros y de seguridad que los laboratorios tradicionales presentan, pero también proporcionan oportunidades experimentales más interesantes.
Con el montaje experimental utilizado en este trabajo, es posible medir el tamaño y la carga de una gota de atrapados, investigar el movimiento de partículas cargadas en campos eléctricos y analizar cómo una fuente radiactiva se puede utilizar para cambiar la carga en la gotita4 .
En la configuración experimental presentada, un potente láser es dirigido hacia arriba y centrado en el centro de una celda de vidrio4. El láser es un 2 532 W nm diodo-bombeó el láser de estado sólido (CW), donde generalmente se utiliza alrededor de 1 vatio (W). La distancia focal de la lente de captura es gotitas de 3,0 cm. se generan con un dispensador de gota piezo y descienden por el rayo láser hasta que se encuentran atrapados justo encima del foco del laser. Captura se produce cuando la fuerza del ascendente dirigido a presión de la radiación es igual a la fuerza gravitacional dirigida hacia abajo. No hay ningún límite de tiempo observado para la captura. El tiempo más largo que una gota ha sido atrapada es 9 horas, después de eso, la trampa fue dado vuelta apagado. La interacción entre la gota y el campo del láser produce un patrón de difracción que se utiliza para determinar el tamaño de las gotas.
Las gotitas emitidas desde el dispensador consisten en 10% glicerol y el 90% de agua. La parte del agua se evapora rápidamente, dejando una gota de glicerol tamaño de 20 a 30 μm en la trampa. El tamaño máximo de una gota que puede quedar atrapado es el μm cerca de 40. No hay ninguna evaporación observada después de unos 10 s. En este punto, toda el agua se espera que hayan desaparecido. El tiempo de captura largo sin cualquier evaporación observable indica que hay una mínima absorción y que la gota es esencialmente a temperatura ambiente. La tensión superficial de las gotas son esféricas. La carga de las gotas generadas por el dispensador de gotas depende de las condiciones ambientales en el laboratorio, donde ellos más comúnmente ser cargados negativamente. La parte superior y la parte inferior de la celda de captura consiste en dos electrodos colocados 25 mm aparte. Pueden ser utilizados para aplicar a un campo de corriente alterna (CA) o corriente eléctrica vertical (continua) sobre la gota. El campo eléctrico no es lo suficientemente fuerte como para crear cualquier arcos aunque 1000 voltios (V) es aplicada sobre los electrodos. Si se utiliza un campo de DC, la gota se mueve hacia arriba o hacia abajo en el rayo láser a una nueva posición de equilibrio estable. Si en su lugar se aplica un campo de AC, la gota oscila alrededor de su posición de equilibrio. La magnitud de las oscilaciones depende el tamaño y la carga de la gota, la intensidad del campo eléctrico y en la rigidez de la trampa láser. Una imagen de la gota se proyecta sobre un detector sensible a posición (PSD), que permite a los usuarios rastrear la posición vertical de la gota.
Este trabajo presenta una exitosa iniciativa de modernización de la enseñanza y la investigación con tecnologías de información y comunicación a través de un innovador RL en levitación óptica de gotitas cargadas que ilustra conceptos modernos en la física. La figura 1 muestra la arquitectura de la RL. La tabla 1 muestra las posibles lesiones que pueden causar los láseres según su clase; En esta configuración, se ha utilizado un láser clase IV, que es el más peligroso. Puede operar con hasta 2.0 W de radiación láser visible, así la seguridad de la operación remota es claramente conveniente para este experimento. La levitación óptica de gotitas cargadas de RL fue presentado en la obra de D. Galán et al. en 20185. En este trabajo, se demuestra cómo puede utilizarse Internet por profesores que deseen presentar a sus alumnos a conceptos modernos de la física sin tener que preocuparse por los costos, la logística o las cuestiones de seguridad. Los estudiantes acceder a la RL a través de un portal de Internet llamado red de laboratorios interactivos de la Universidad (UNILabs – https://unilabs.dia.uned.es) en que puede encontrar toda la documentación con respecto a la teoría relacionada con el experimento y el uso de lo experimental configuración por medio de una aplicación web. Utilizando el concepto de un laboratorio remoto, trabajo experimental en la física moderna que requiere equipo costoso y peligroso puede hacerse disponible a nuevos grupos de estudiantes. Además, mejora el aprendizaje formal al proporcionar a los estudiantes tradicionales con más tiempo de laboratorio y experimentos que normalmente son inaccesibles fuera de los laboratorios de investigación.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este trabajo presenta una configuración para llevar a cabo un experimento de física moderna en la que las gotas son ópticamente levitación. El experimento se puede realizar en forma práctica tradicional o remotamente. Con el establecimiento del sistema remoto, estudiantes e investigadores en todo el mundo pueden acceder a la configuración experimental. Esto también garantiza la seguridad de los usuarios, ya que no necesitan estar en presencia de campos eléctricos requeridos para el experimento de los láser de al…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo ha sido apoyado por el Consejo de investigación sueco, Carl Trygger´s Fundación para la investigación científica y el Ministerio de economía y competitividad dentro del proyecto CICYT DPI2014-55932-C2-2-R. Gracias a Sannarpsgymnasiet por dejar que nos trate de la RL con los estudiantes.
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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