Berichten geplaatst door treodude

Hey Caspar,

Even ter bevestiging, dit betekent dat ik de B in ∇B^2 > 2µ_0 ρg/χ aan de hand van B=µH + µM, met de µ van het pyrolitisch grafiet?

Dan heb ik enkele vragen, die misschien in een ander gebied moet worden beantwoord; lasers.

1. Hoe kan men het vermogen van een laser bepalen? (Andere manier dan met een laser power meter)
2. Ken jij bedrijven of instellingen die eventueel een eerder genoemde laser tot hun beschikking hebben?
3. Wat kan de TU Delft aan apparatuur uitlenen? (Lees, IR-camera, veiligheidsbrillen, laser power meter.)

We proberen namelijk onze school zo ver te krijgen dat ze apparatuur (deels) sponsoren.
(zie e.g. http://www.lichtenlaser.nl/nl/39-krachtige-groene-laserpen-pointer-in-penvorm.html)

Trevor

• Een idee betreffend het vermogen. Kan je aan de hand van afstand vermogen bepalen? Als in, neem een laser, kijk hoever hij straalt, plak hem deels af, kijk hoever hij nu reikt enzovoort.

Hi Caspar,

Ik kan me er wat bij voorstellen, maar ik weet niet precies wat de gradient is, iets met een veranderende situatie?

En over het verband tussen B en H. Zelf heb ik eerder gevonden dat B=µH + B=µM, waarbij M = X_m* H, met X_m = μ/μ_0 - 1 = μ_r- 1. Echter, is in dit verband de μ gelijk aan die van een lege ruimte, het medium, of het materiaal waarvan B bepaald moet worden, in dit geval pyrolitisch grafiet?

En gezien er sprake is van ∇B^2, betekent dit dat de waarde B^2 op elke locatie anders is?

PS: Is er nog mogelijkheid dat we ooit dat practicum komen doen?

Hey Caspar,

Met de eerste vraag verwijs ik graag naar onze opstelling, waarbij pyrolitisch grafiet leviteert boven een magnetisch veld. Eigenlijk wil ik dus weten; als ik een stuk pyrolitisch grafiet heb met bekende massa en volume, hoe sterk moet mijn magnetische veld dan zijn om het te laten leviteren? Dat probeer ik te berekenen, indien haalbaar.

Over de Laplaciaan; vectoren zijn mij wel bekend, dat wordt ons nog net wel geleerd op school. Partieel afgeleide is echter nieuw, maar ik zocht het even op en kwam op het volgende uit; een afgeleide van een functie met meerdere variabelen, waarbij er slechts EEN variabele werkelijk wordt afgeleid en de rest als constante wordt beschouwd.

Groeten,

Trevor

Hey TU Delft,

Met ons PWS hebben we het oa over diamagnetisme, en daarover heb ik 2 vragen;

1. Hoe kan men de kracht berekenen die een magnetisch veld op een diamagnetisch materiaal uitoefend? Ik weet dat dit gelijk is aan de zwaartekracht (wanneer in stabiele toestand), maar is er een manier om dit te voorspellen of te berekenen?
   Momenteel heb ik de formule hier beschreven http://www.ru.nl/hfml/research/levitation/diamagnetic/

2. Enkele formules waarbij aan diamagnetisme werd gerekend bevatten de Laplaciaan. Ik heb een vaag idee wat dit is, maar kan iemand het kort en krachtig uitleggen?

Alvast bedankt,

Trevor

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

Ha Caspar,

We wachten het af.

Groeten Trevor

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.

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

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

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

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

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

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:

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

Alvast bedankt voor de moeite!

Groeten,
Trevor