PWS Manipulatie dmv Straling/Temperatuur van Diamagnetisch Grafiet

treodude

Beste TU Delft,

Het fenomeen wat wij willen onderzoeken is pyrolitisch grafiet, wat leviteert op een magnetisch veld, kunnen aansturen dmv licht of hitte (laser eg). Wat nou er precies voor zorgt weten we nog niet, maar dat gaan we dus nog onderzoeken! Dit is nog een vrij nieuw onderwerp, maar de fundamentelen bestaan al een tijd (Straling, diamagnetsiem etc)
Voor een iets grotere uitleg, zie http://phys.org/news/2012-12-magnetically-levitating-graphite-laser.html

Als eerste willen wij dit experiment op ongeveer dezelfde schaal uitvoeren. Wij willen onderzoeken:

Of dit ook in een vacuum kan.
Kijken hoeveel vermogen je laser nodig zou hebben. We hebben dus lasers nodig, mogelijk instelbaar tot ongeveer 0,5 of 1W.
Ook zouden we graag met verschillende kleuren experimenteren.

Alvast bedankt voor de moeite!

Groeten,
Trevor

Caspar

Ha Trevor,

Een heel interessant onderwerp dat erg belangrijk gaat worden in de toekomst. Ik wil je graag helpen bij het uitvoeren met die PWS, maar wat is nu precies je vraag? Wil je weten of je het experiment op de TU Delft kunt uitvoeren, wil je weten hoe het kan dat een pyrolytisch grafiet over magneten wordt voortbewogen met behulp van licht? Kortom: probeer je vraag iets gerichter te stellen, zodat ik je beter kan helpen.

Groet,

Caspar

Caspar

Trevor,

Ja dit kan in sommige gevallen. Als scholieren een uitzonderlijk experiment willen uitvoeren waarvoor zij de middelen niet op school kunnen verkrijgen zijn wij als ScholierenLab zeker bereid om ze te helpen bij de uitvoering. Voorwaarde is wel dat het experiment goed is uitgedacht en dat duidelijk is welke materialen jullie zouden willen gebruiken en welke eisen er aan deze materialen gesteld worden.
Stuur mij dus een zo gedetailleerd mogelijke omschrijving van het experiment dat je wil gaan uitvoeren en de materialen die je daarbij wil gebruiken. Dan kan ik dit aan een technicus van de faculteit Technische Natuurwetenschappen laten zien, zodat hij kan beoordelen of het haalbaar is.
Stel dat je een mooi experiment hebt uitgewerkt dat niet haalbaar is, dan kan ik altijd kijken of ik je kan helpen met aanpassen zodat het wel haalbaar wordt.
Ik ben benieuwd!

Groet,

Caspar

treodude

Hey Caspar,

Ik wil graag weten of we dit experiment op TU Delft kunnen uitvoeren.
Uit het artikel hebben we al kunnen opmaken wat ervoor zorgt dat het grafiet zich voortbeweegt.

Groeten,

Trevor

treodude

Hey Caspar,

Het is een tijd stil geweest, maar we zijn druk bezig geweest met een omschrijving van het experiment.
Experimenten, eigenlijk. Hieronder volgt de omschrijving.

Alvast bedankt!

Trevor

Experiment: Optische manipulatie van diamagnetisch leviterend pyrolitisch grafiet

Materiaalkeuze:
Een ronde schijf pyrolitisch grafiet, diameter ±1,0cm. Tevens moet er een herkenningspunt opzitten (inkeping, wit lijntje), zoals in figuur.
Een laser met een vermogen van waarschijnlijk 0,4 tot 1,5 watt die pyrolithisch grafiet kan opwarmen tot een temperatuur van 40 graden C of 313 K. Hieronder volgt een berekening van het exacte nodige vermogen van de laser, gebaseerd op de warmtecapaciteit van het materiaal (specifiek).
High speed camera voor een exacte documentatie van de rotatiesnelheid en de bewegingsrichting en snelheid van het schijfje grafiet.
Een laser die in staat is ons plaatje pyrolitisch grafiet kan verwarmen tot 35 graden C
Een grote hoeveelheid magneten om een opstelling te creëren(zoals te zien in afbeelding 2), waarbij de lengte en de breedte van het oppervlak van magneten 10 keer de diameter van het schijfje grafiet is. Vorm is onbelangrijk, vierkant heeft de voorkeur.
Ronde magneten met een rond gat in het midden, met de diameter van het gat kleiner dan de diameter van de schijf pyrolitisch grafiet, en kleinere ronde magneten met een diameter gelijk aan het gat. De diameter van de grotere magneten moet ruim groter zijn dan de diameter van het schijfje grafiet. (Zie afbeelding 1a)
Infraroodcamera voor het meten van temperatuur (een laserthermometer zal ook volstaan maar is minder informatief voor ons onderzoek).
Een high speed camera dicht langs het magneetoppervlak om de hoogte van het leviterende grafiet boven het magneetoppervlak te kunnen meten (we willen hypothetiseren dat de laser de diamagnetische eigenschappen van het materiaal wijzigd).
Een variabele UV-lamp
Lux-meter

Opstelling
Opstelling 1(Experiment 1-4)
Plaats de ronde magneten, diegene met een gat in het midden, op elkaar totdat men een kolom van magneten hebt. Neem vervolgens de kleinere ronde magneten, zonder gat, en plaats deze zo in de kolom dat de dipolen tegenovergesteld zitten van elkaar. Hierdoor ontstaat er een magnetisch veld wat aan de ene kant van de buitenste magneet naar binnen gaat, en aan de andere kant precies andersom. Dit is vereist, wil het pyrolitisch grafiet leviteren. Plaats vervolgens het grafiet op de kolom, en mits goed gedaan, zal het gaan leviteren. Plaats vervolgens de laser boven het grafiet op zo’n manier, dat het op de randen schijnt. (Zie afbeelding 1a)

Bij elk experiment behoort de high speed camera op de opstelling gericht te zijn, zodat de rotatiesnelheid bepaald kan worden aan de hand van omwentelingen per frame. Ook zou een camera gericht op de ruimte tussen de magneten en het schijfje grafiet handig zijn, omdat het dan mogelijk is variaties in zweefhoogte te meten.

Opstelling 2(Experiment 5 - 6)
Neem de grote hoeveelheid magneten en plaats deze om en om naast elkaar totdat er een groot rechthoekig oppervlak is gecreëerd van magneten. Door de magneten om en om te plaatsen ligt er bij de eerst de Noordkant boven, bij de volgende de Zuidkant enzovoort. Plaats de schijf aan de ene kant van het oppervlak, wat vervolgens gaat leviteren, en schijn er vervolgens met de laser op, aan de rand wederom. Door de laser zal het grafiet naar de des betreffende kant bewegen. Indien we continue beweging willen, moet de laser kunnen bewegen. (Zie afbeelding 2)
Bij elk experiment behoort de high speed camera op de opstelling gericht te zijn, zodat de snelheid bepaald kan worden aan de hand van de verplaatsing per frame.

Omschrijving
Experiment 1; Vacuüm
Er zijn meerdere hypotheses over de oorzaak van de beweging van het grafiet.
twee daarvan zijn in het kort dat (1) er licht word omgezet in warmte, waardoor de lucht onder het stukje grafiet uitzet en voor beweging zorgt, en (2) dat door middel van stralingsdruk en momentumoverdracht van fotonen het stukje grafiet gaat bewegen. Door het experiment in een vacuüm te doen elimineren we de eerste hypothese, hiermee kunnen we bepalen hoe groot de invloed van stralingsdruk is. De laser dient boven het grafiet en de magneten ingesteld te worden, maar de invalshoek van de laserstraal moet variabel zijn, dus bijvoorbeeld met een statief voor de laser waarvan de hoogte en hoek gewijzigd kunnen worden. In een ruimte of tank met een vacuüm (of een gedeeltelijk vacuüm) zou een effect al duidelijk moeten zijn.

Experiment 2; Invalshoek vs Rotatiesnelheid
Bij dit experiment willen wij de dichtheid van de fotonen in de laserbundel uitzetten tegen de rotatiesnelheid van het schijfje grafiet. Dit kunnen wij variëren de invalshoek van de laserbundel te veranderen. Echter zal door de invalshoek ook de invloed van het momentum van de fotonen veranderen, maar dit komt ten goede aan ons experiment omdat we hierdoor de invloeden van zowel stralingsdruk als warmte.

Experiment 3; Temperatuur vs Rotatiesnelheid
Met dit experiment willen we de maximumtemperatuur die het schijfje grafiet behaalt, dus de temperatuur van het punt waarop de laser gericht staat, uitzetten tegen de rotatiensnelheid. Dit is te meten door de intensiteit van de fotonenbundel aan te passen. (Zie afbeelding 1b)

Experiment 4; Lichtsterkte vs Rotatiesnelheid
Voor dit experiment vervangen we de laser door een UV-lamp. Volgens onze bron zou de schijf grafiet ook al gaan draaien door simpel ongeconcentreerd zonlicht. Er is op het oppervlak geen verschil in intensiteit of wat dan ook, het is overal gelijk. Plaats de UV-lamp boven de opstelling en zet hem aan. Wacht enkele momenten totdat de schijf op een constante rotatiesnelheid is gekomen, en meet deze vervolgens met de high speed camera af. Voer de verlichtingssterkte op en herhaal de meting.

Experiment 5; Beweging
Voor dit experiment dient men de 2e opstelling die hierboven beschreven word te gebruiken. Bij dit experiment willen we wrijvingsloze beweging over het magnetische veld creëren door het schijfje pyrolitisch grafiet te beschijnen met een laser. Hierbij word de invalshoek constant gehouden. Met de laser schijnt men op de rand van het schijfje grafiet waardoor deze over het veld van magneten zal gaan bewegen. De snelheid van het schijfje kan gemeten worden aan de hand van de beelden van de high speed camera. Ook zal bekeken worden wat er gebeurt wanneer we de laserstraal precies op het midden van het schijfje richten.

Experiment 6; Bewegingssnelheid vs invalshoek
Voor dit experiment laten we het schijfje grafiet weer over het magnetische veld glijden. Dit keer zullen we de intensiteit van de lichtsterkte en dus de intensiteit van de fotonenstraal variëren. Dit word gedaan door de laser op een andere intensiteit te zetten, of door een laser met een lager vermogen te gebruiken. De snelheid word bepaalt door aan de hand van de high speed camera beelden kijken hoeveel cm het schijfje verschuift per frame. De invalshoek en grootte van de straal zullen constant blijven.

Opmerkingen
Wij beschikken zelf al over een schijfje grafiet, met een diameter van ±0,7cm en nog een plak van ongeveer 0,1 * 3 * 2 cm.
Ook hebben we de 30 kubusvormige magneetjes voor levitatie van ongeveer 333 mm.
Het zou handig zijn als de laser een kleurstoflaser was, om de golflengte en daarmee de energie van de individuele fotonen bij te kunnen stellen.
Om te onderzoeken hoe groot de invloed van het momentum van fotonen is zou het ideaal zijn om de opstelling in een ruimte te maken die vacuüm gezogen kan worden
[img=PunBB bbcode test]http://cdn.physorg.com/newman/gfx/news/2012/maglevgraphitecontrol1.jpg[/img]
Afbeelding 1
[img=PunBB bbcode test]http://cdn.physorg.com/newman/gfx/news/2012/maglevgraphitecontrol2.jpg[/img]
Afbeelding 2

treodude

Hey Caspar,

Ik zal het melden wanneer we zover zijn, weet niet precies hoelang dit gaat duren...
Maar alvast bedankt voor de moeite!

Groeten,

Trevor

Caspar

Ha Treveor,

Goed dat je mij nog even een herinnering stuurt ik had je bericht inderdaad over het hoofd gezien. Wat heel gek is, want het is een enorm bericht en er staan heleboel goede dingen in. Sorry dus voor mijn late reactie!
Om te beginnen wil ik zeggen dat jullie het allemaal goed hebben uitgezocht!
Dan zal ik jullie verzoek even samenvatten om te checken of ik goed begrijp wat jullie willen.
Een ronde schijf pyrolitisch grafiet, diameter ±1,0cm. Tevens moet er een herkenningspunt opzitten (inkeping, wit lijntje), zoals in figuur.

Laser (P=0,4 tot 1,5 W). Liefst kleurstoflaser, zodat de golflengte kan worden bijgesteld. ** (Jullie hebben het over een berekening van het vermogen maar die zie ik niet)**
High speed camera
Infraroodcamera
Een variabele UV-lamp
Lux-meter
6*. Opstelling in vacuum (eventueel, lijkt me lastig)

Het is me niet helemaal duidelijk welke magneten jullie zelf hebben en welke niet.

Jullie hebben een heleboel geavanceerde materialen nodig, dus ik kan niet zomaar zeggen of ik hieraan kan komen voor jullie. Maar ik ga mijn best doen!
Ik heb voor aanstaande maandag een afspraak gemaakt met de man een technicus van mijn faculteit. We gaan dan kijken of we aan al jullie benodigdheden kunnen komen.

Groet,

Caspar

treodude

Even een vraagje: is dit doorgekomen of is dit topic in de vergetelheid vervallen?

treodude

Ha Caspar,

Helemaal super!
Qua materialen klopt het wat je hebt samengevat inderdaad.
Wat de magneten en grafiet betreft, diegene die staan beschreven hebben wij al, hieronder zet ik de webshops waar we ze hebben besteld, om een beter beeld te creeeren;

http://www.mindsetsonline.co.uk/Catalogue/ProductDetail/graphite-levitation-kit?productID=7be7d02c-b3a7-4601-9137-c7315e7cb8b3&catalogueLevelItemID=00000000-0000-0000-0000-000000000000

http://www.mindsetsonline.co.uk/Catalogue/ProductDetail/pyrolytic-graphite?productID=8bad68b4-f562-4d95-8744-72e1f4cddd75&catalogueLevelItemID=00000000-0000-0000-0000-000000000000

http://dx.com/p/8-x-3-3mm-ndfeb-neodymium-magnet-circular-cylinder-diy-puzzle-set-silver-20-pcs-228162

http://dx.com/p/diy-3x3mm-ndfeb-magnet-cylinder-silver-50-pcs-235457

Over de berekening van vermogen, ik zal het vanavond/morgenochtend met de groep behandelen, en meteen een berichtje sturen met de berekening.

Nogmaals enorm bedankt voor jouw hulp!

Trevor

treodude

Hey Caspar,

Dit geeft een boel om over na te denken, maar ik zal even kort reageren.

Ten eerste hebben wij berekent dat een laser van 0,2W al genoeg zou moeten zijn. Tevens betreft het een continue laser. De berekening staat hieronder (in Engels, vanwege onze TTO-opleiding. Hopelijk geen al te groot probleem!)
Als er wel een laser van dit formaat aanwezig is zou dat experiment 5 en 6 mogelijk kunnen maken, anders houdt het op voor deze experimenten denk ik dan.
Wat betreft het experiment met de luxmeter, daarbij zouden wij graag de Temperatuur willen meten, wederom met behulp van een IR-camera.
Ook zouden wij graag het experiment met de invalshoek en rotatiesnelheid willen behouden.
Voor de variabele laser hebben we iets simpels bedacht; We activeren de laser en meten continu zowel de Temperatuur als de rotatiesnelheid, indien dit mogelijk is. Is dit mogelijk?
Wat betreft de laser weer, wij hebben dit al eens geprobeerd met een bouwlaser, zonder resultaat helaas. Het ging hier om enkele mW, 3 of 5.
Een normale camera (meestal 30 a 60 fps) is genoeg, aangezien we eigenlijk geen enorme snelheden verwachten.

Ik hoop dat het zo haalbaar(der) wordt!

Hartstikke bedankt voor je advies en de moeite!

Groeten,

Trevor

Calculation of Specified Laser Power

Physical quantities to be addressed: Units to be addressed:

Heat (Q) J (Joule)
Heat capacity (C ) J/K (Joule div. by Kelvin)
Temperature increase (ΔT) K/ °C (Kelvin or K – 273 °C)
Specific heat capacity ([C]) J/kg-K (Joule div. by (Kelvin x Kilograms)
Dissipating power in heat (P) W (Watts)
Laser Power (P) W (Watts)
Area (A) m2 (square meters)
Heat transfer coefficient (K) W/m2-K (Joule div. by (square meters x Kelvin)
Formulae:

The Formulae to work with are those for the amount of Joules taken up by the material as heat in relation to the temperature in Kelvin. This relation corresponds to a fixed value, the heat capacity, that is specific for the material. For this material, Pyrolythic graphite the specific heat capacity corresponds to 712 J/kg-K. When the material is heated by the laser, a large amount of heat is lost immediately due to the diffusion of heat from the material to the surrounding air. This is where the formula for heat transfer is addressed, since for the amount of heat that is taken in by the pyrolythic graphite is transferred out at a specific rate. Finally an equilibrium is achieved, resulting in a constant temperature. Since laser power does not alter before or during the equilibrium, a time and energy output of the specified laser can be found by solving and substituting these equations, and with these two quantities the power of the specified laser can be calculated.
The formula for the capacitive heat increase is expressed as: , and the formula for the heat lost due to diffusion is expressed as: . In order to ease calculation, the formulas can be reconstructed as:

As both the units of heat (Q) and Energy (E) are Joule (J) these formulae can be substituted. However the meaning of ΔT is different in both formulae, in the formula for capacitive heat increase, the ΔT can be described as the temperature difference from before the increase and the end temperature. However in the formula for the diffusing heat, subtracting an amount of energy from the energy in the material, uses ΔT as the difference between the temperature of the surrounding matter and the temperature of the material.
When the equilibrium between the energy loss and the energy gain is instated, a certain amount of time will have passed and a certain amount of energy will have been used, therefore the time, and the resulting amount of energy can be solved with the two mentioned equations.
Given amounts:
Pyrolythic Graphite:
[C]: 712 J/kg-K at 278 K[1]
K: 300 W/m2-K[2]
ΔT (formula 1): 15,0 K (temperature of graphite before heating)
ΔT (formula 2): 20,0 K (temperature of air in standard experiment conditions)
A: 5,5364 * 10-5 m2 (total area exposed to the air around the pyrolythic graphite)
m: 1,846 * 10-5 kg
Calculation:
Filling in the variables in this equation to solve for time gives:
(712 * 15,0)/ 300 * 5,5364 * 10-5 * 20,0 = 3,67 * 104 seconds. Filling this into the formula for the diffusion of heat solves for the amount of energy that is in this point of equilibrium equal to the energy needed. However a correction for the additional unit of weight in the specific heat capacity constant, so the result is multiplied by the weight of the graphite sample. This method gives:
300 * 5,5364 * 10-5 * 20,0 * 3,67 * 104 = 10680 W * 0,01846 * 10-3 = 0,197 W
This calculation proves that over time a 0,2 W laser will be sufficient to heat the material to 313K from 288K. However since the equilibrium takes a very long time to achieve according to these formulae, a stronger laser should suffice to heat the material. Not taking the equilibrium into account, simply solving the equation: (formula 1) will give the immediate energy gain in the material. This method gives the calculation:
712 * 15,0 = (W/kg) = 10680 * 0,01846 * 10-3 = 0,197 W
This calculation proves that for the immediate energy gain by the laser in the material, a laser of 0,2 Watt (minimal value) will suffice. However a 0,3 Watt – 0,4 Watt laser will do equally well if not better.
Additional Notes
Because we will in several of our experiments vary the angle of the laser beam while being shun onto the pyrolythic graphite, the concentration of parallel light waves and thus the concentration of photons will change, changing the division of power over area of the laser dot. This in turn will cause a change in temperature. To cope for this difference a laser with a power of more than 0,2 Watt is desirable, in order to prevent the Temperature from dropping below the specified temperature of 40 degrees Celsius or 303K. Typically the laser power should therefore be around 0,25 W to 0,3 W.

Caspar

Ha Trevor,

Vanmiddag heb ik jullie experimenten besproken met een technicus van de afdeling optica hier op Natuurkunde. Over het algemeen is de strekking dat jullie plan erg ambitieus is en dat we sowieso niet alles wat jullie voorstellen mogelijk is. Wel zijn de meeste materialen aanwezig, maar ook daar zitten wat haken en ogen aan.
Ten eerste is een opstelling in vacuüm niet mogelijk.
Dan de laser. Bedenk dat de intensiteit die je noemt (0,4W - 1,5W) erg hoog is! Er zijn wel zulke lasers op de Faculteit Technische Natuurwetenschappen (TNW). Een experiment hiermee vraagt wel om een heleboel verplichte (ARBO) veiligheidsmaatregelen. Bijvoorbeeld brillen, een kamer die afgesloten kan worden, zodat mensen niet zomaar kunnen binnenlopen en er moet voortdurend een technicus bij zijn (omdat jullie en ikzelf niet bevoegd zijn om hiermee te werken).
Dan nog een paar vragen en opmerkingen over de laser:

Moet het een continue- of impuls-laser zijn.
Hoeveel moet de golflengte verschillen. Enkele picometers is mogelijk, maar je gaat dit verschil niet opmerken als kleurverschil.
Dit apparaat is zeer groot en kan dus niet zomaar boven het magnetisch veld heen en weer bewogen worden.
De laser moet uit een andere opstelling worden verwijderd (geeft dus een hoop ellende voor de technici, dit betekent vooral dat het niet van de ene op de andere dag geregeld kan worden).
Highspeed camera
Hoe 'highspeed' om het simpel te zeggen. Hoeveel beeldjes per seconde heb je nodig? Een normale camera meet volgens mij al 25 beeldjes per seconde. Een highspeedcamera (1000 beeldjes per seconde) is beschikbaar, maar om deze te gebruiken moeten weer allerlei maatregelen genomen worden die ik niet precies kan uitleggen, maar in elk geval kan hier niet zomaar mee gefilmd worden.
Luxmeter
De luxmeter wordt eigenlijk bijna niet meer gebruikt bij ons omdat het een vervelende eenheid is om mee te rekenen. Er zijn wel manieren om de intensiteit te meten.
Infraroodcamera
Weer de vraag welk infrarood gebied wil je precies meten? Een gewone camera filmt ook infrarood, maar dit wordt gefilterd. Er zijn infraroodcamera's beschikbaar die tot op een golflengte 10 micron meten.

Verder vraag ik me af in hoeverre jullie opstelling nog ter plekke gemaakt zou moeten worden. Zoals je merkt aan mijn verhaal hierboven, lijkt het erop dat jullie proef zeer tijdrovend zou worden. En dit is iets wat ik probeer te voorkomen (omdat dit nou eenmaal niet het enige is wat ik doe) en de technici (die vrijwillig zouden helpen) niet aan wil doen.
Feit blijft dat ik jullie proef interessant vind en dat ik jullie graag wil helpen. Maar de proef moet wel wat eenvoudiger gemaakt worden. En het beste zou zijn als wij alleen nog een bepaald apparaat moeten aanleveren en de rest van de opstelling klaar is. Mijn advies is dus om een of twee experimenten te laten vervallen en daarna voor een aantal experimenten een opstelling te maken.
Daarbij vroeg ik mij af of er echt zo'n sterke laser nodig is. Kun je niet gewoon een sterke laserpen kopen (zo een waarmee ze altijd in het voetbalstadion op het hoofd van de speler die een vrije trap neemt schijnen).
In principe moet je bedenken dat hoe geavanceerder materiaal je gebruikt hoe meer randvoorwaarden erbij komen kijken waarmee je rekening moet houden.

Ik hoop dat ik je hiermee een goed idee heb gegeven van wat wij kunnen aanbieden. Misschien komt mijn visie op jullie proef enigszins pessimistisch over, maar dat is niet de bedoeling. Wel wil ik ervoor zorgen dat ik jullie geen dingen voorspiegel die we niet waar kunnen maken.

Ik hoor graag van je hoe jullie over dit alles denken!

Grt. Caspar

treodude

Ha Caspar,

We wachten het af.

Groeten Trevor

Caspar

Hi Trevor,

Berekening in het Engels is geen enkel probleem. Ziet er keurig uit.
Om te kijken wat er mogelijk is zal ik veel moeten overleggen met technici. Dit kan wel tijd gaan kosten, omdat dergelijke dingen voor hen naast hun dagelijkse werk komen.

Groet,

Caspar

treodude

Hey Caspar,

Even snel tussendoor, wat is de huidige situatie?
Wij moeten namelijk zo snel mogelijk doorgeven of we dit voort kunnen zetten.

Groeten,

Trevor