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Analysis of the operating characteristics of a dielectric elastomer actuator (DEA) submount for the high-precision positioning of optical components in one dimension is presented. Precise alignment of a single-mode fiber is demonstrated and variation of the sensitivity of the submount motion by changing the bias voltage is confirmed. A comparison of the performance of the DEA submount with a piezoelectric alignment stage is made, which demonstrates that DEAs could present a very attractive, low-cost alternative to currently used manual technologies in overcoming the hurdle of expensive packaging of single-mode optical components.
This paper investigates the effect of chemical surface modification of polytetrafluoroethylene (PTFE) and low density polyethylene (LDPE) films on their electret properties. PTFE films were subjected to wet treatment with three different chemicals: orthophosphoric acid, tetrabutyl titanate and tetraethoxysilane. The technique based on the principles of molecular layer deposition (MLD) method was used to modify the surface of LDPE films with phosphorus trichloride vapors. The surfaces of the films were then corona charged, and the electret charge stability was studied by means of isothermal and thermally stimulated surface potential decay. Both PTFE and LDPE films, after the surface treatment, displayed a considerable enhancement in the charge stability compared to the virgin samples. It is important to note that the enhancement of the charge stability was achieved in the positively charged PTFE films, a result important to practical applications. We attribute this effect of charge stabilization to the formation of new energetically deep traps on the modified surface. Decrease in molecular mobility, due to attachment of new chemical structures to the surface macromolecules, may also contribute to the overall growth of the charge stability.
Breakdown threshold of dielectric barrier discharges in ferroelectrets where Paschen's law fails
(2011)
The piezoelectric activity of charged cellular foams (so-called ferroelectrets) is compared against simulations based on a multi-layer electromechanical model and Townsend's model of Paschen breakdown, with the distribution of void heights determined from scanning electron micrographs. While the calculated space charge hysteresis curves are in good agreement with experimental data, the onset of piezoelectric activity is observed at significantly higher electric fields than predicted by Paschen's law. One likely explanation is that the commonly accepted Paschen curve for electric breakdown in air poorly describes the critical electric field for dielectric barrier discharges in micrometer-size cavities.
Working memory maintenance of grasp-target information in the human posterior parietal cortex
(2011)
Event-related functional magnetic resonance imaging was applied to identify cortical areas involved in maintaining target information in working memory used for an upcoming grasping action. Participants had to grasp with their thumb and index finger of the dominant right hand three-dimensional objects of different size and orientation. Reaching-to-grasp movements were performed without visual feedback either immediately after object presentation or after a variable delay of 2-12 s. The right inferior parietal cortex demonstrated sustained neural activity throughout the delay, which overlapped with activity observed during encoding of the grasp target. Immediate and delayed grasping activated similar motor-related brain areas and showed no differential activity. The results suggest that the right inferior parietal cortex plays an important functional role in working memory maintenance of grasp-related information. Moreover, our findings confirm the assumption that brain areas engaged in maintaining information are also involved in encoding the same information, and thus extend previous findings on working memory function of the posterior parietal cortex in saccadic behavior to reach-to-grasp movements.
The space missions Voyager and Cassini together with earthbound observations revealed a wealth of structures in Saturn's rings. There are, for example, waves being excited at ring positions which are in orbital resonance with Saturn's moons. Other structures can be assigned to embedded moons like empty gaps, moon induced wakes or S-shaped propeller features. Furthermore, irregular radial structures are observed in the range from 10 meters until kilometers. Here some of these structures will be discussed in the frame of hydrodynamical modeling of Saturn's dense rings. For this purpose we will characterize the physical properties of the ring particle ensemble by mean field quantities and point to the special behavior of the transport coefficients. We show that unperturbed rings can become unstable and how diffusion acts in the rings. Additionally, the alternative streamline formalism is introduced to describe perturbed regions of dense rings with applications to the wake damping and the dispersion relation of the density waves.
Strain sensors based on dielectric elastomer capacitors function by the direct coupling of mechanical deformations with the capacitance. The coupling can be improved by enhancing the relative permittivity of the dielectric elastomer. Here, this is carried out through the grafting of conducting polymer (poly-aniline) to the elastomer backbone, leading to molecular composites. An enhancement in capacitance response of 46 times is observed. This could help to extend the possible range of miniaturization towards even smaller device features.
The SDSS galaxy catalog is one of the best databases for galaxy distribution studies. The SDSS DR8 data is used to construct the galaxy cluster catalog. We construct the clusters from the calculated luminosity density field and identify denser regions. Around these peak regions we construct galaxy clusters. Another interesting question in cosmology is how observable galaxy structures are connected to underlying dark matter distribution. To study this we compare the SDSS DR7 galaxy group catalog with galaxy groups obtained from the semi-analytical Millennium N-Body simulation. Specifically, we compare the group richness, virial radius, maximum separation and velocity dispersion distributions and find a relatively good agreement between the mock catalog and observations. This strongly supports the idea, that the dark matter distribution and galaxies in the semi-analytical models and observations are very closely linked.
Mathematik spielt im Physikunterricht eine nicht unerhebliche Rolle - wenn auch eine zwiespältige. Oft wird sie sogar zum Hindernis beim Lernen von Physik und kann ihr emanzipatorisches Potenzial nicht entfalten. Die vorliegende Arbeit stellt zwei Bausteine für eine begründete Konzeption zum Umgang mit Mathematik beim Lernen von Physik zur Verfügung. Im Theorieteil der Arbeit werden zum Einen wissenschaftstheoretische Aspekte der Rolle der Mathematik in der Physik aufgearbeitet und der physikdidaktischen Forschungsgemeinschaft im Zusammenhang zugänglich gemacht. Zum anderen werden Forschungsergebnisse zu Vorstellungen Lernender über Physik und Mathematik sowie im Bereich der Epistemologie zusammengestellt. Im empirischen Teil der Arbeit werden Vorstellungen zur Rolle der Mathematik in der Physik von Schülerinnen und Schülern der Klassenstufen 10 und 12 sowie Physik-Lehramtstudierenden im Grundstudium mit Hilfe eines Fragebogens erhoben und unter Verwendung inhaltsanalytischer bzw. statistischer Methoden ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen unter Anderem, dass Mathematik im Physikunterricht entgegen gängiger Meinungen bei den Lernenden nicht negativ, aber zumindest bei jüngeren Lernenden formal und algorithmisch konnotiert ist.
Ein neuentwickeltes azobenzenhaltiges Material, das auf einem supramolekularen Konzept basiert, wird bezüglich seiner Strukturbildung während einer holografischen Belichtung bei 488 nm untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei eindimensionale, sinusförmige Reliefs mit Periodizitäten kleiner 500 nm. Es wird gezeigt, wie der Grad der Vernetzung der photosensitiven Schicht die Strukturbildung in diesem Größenbereich beeinflusst. Zur Maximierung der Strukturtiefe werden gezielt Prozessparameter der Belichtung sowie Materialparameter variiert. Unter Standardbedingungen und moderaten Belichtungsintensitäten von ca. 200 mW/cm² bilden sich innerhalb weniger Minuten bei einer Periode von 400 nm Strukturtiefen von bis zu 80nm aus. Durch die Beeinflussung von Materialparametern, wie Oberflächenspannung und Viskosität, wird die maximale Strukturtiefe auf 160nm verdoppelt. Durch Mehrfachbelichtungen wird auch die Bildung von zweidimensionalen Gittern untersucht. Die Originalstrukturen werden in einem Abformverfahren kopiert und in Schichten von unter UV-Licht aushärtenden Polymeren übertragen. Durch das Abformen kommt es zu einer geringfügigen Verschlechterung der Oberflächenqualität sowie Abnahme der Strukturtiefe. Dieser Verlust wird durch eine Verringerung der Prozesstemperatur verringert. Mithilfe kopierter Oberflächengitter werden organische Distributed Feedback-(DFB)-Laser zweiter Ordnung hergestellt, um den Einfluss von Gitterparametern auf die Emissionseigenschaften dieser Laser zu untersuchen. Dazu erfolgt zunächst die Charakterisierung der optischen Verstärkungseigenschaften ausgewählter organischer Emittermaterialien mittels der Variablen Strichlängenmethode. Das mit dem Laserfarbstoff Pyrromthen567 (PM567) dotierte Polystyrol (PS) zeigt dabei trotz konzentrationsbedingter geringer Absorption eine vergleichsweise geringe Gewinnschwelle von 50µJ/cm² bei ca. 575 nm. Das aktive Gast-Wirt-System der konjugierten Polymere MEH-PPV und F8BT* weist eine hohe Absorption und eine kleine Gewinnschwelle von 2,5 µJ/cm² bei 630 nm auf. Dieses Verhalten spiegelt sich auch in den Emissionseigenschaften der damit hergestellten DFB-Laser wieder. Die Dicke der aktiven Schichten liegen im Bereich hunderter Nanometer und wird so eingestellt, dass sich nur die transversalen Grundmoden im Wellenleiter ausbreiten können. Die Gitterperiode sind so gewählt, dass ein Lichtmode im Verstärkungsbereich des Emittermaterials liegt. Die Emissionslinien der Laser sind mit FWHM-Werten von bis zu 0,3 nm spektral sehr schmalbandig und weisen auf eine sehr gute Gitterqualität hin. Die Untersuchungen liefern minimale Laserschwellen und maximale differentielle Effizienzen von 4,0µJ/cm² und 8,4% für MEH-PPV in F8BT* (bei ca. 640nm) sowie 80 µJ/cm² und 0,9% für PM567 in PS (bei ca. 575 nm). Die Vergrößerung der Strukturtiefe von 40nm auf 80nm in mit MEH-PPV dotierten F8BT*-Lasern zu einem deutlichen Anstieg der ausgekoppelten Energie sowie der differentiellen Effizienz und einem geringen Absinken der Laserschwelle. Dies ist ein Resultat der erhöhten Kopplung von Lasermode und Gitter. Die Emission von DFB-Lasern mit zweidimensionalen Oberflächengittern zeigen eine Verringerung der Divergenz aber kein Einfluss auf die Laserschwelle. Abschließend erfolgt eine Vermessung der Photostabilität von DFB-Lasern unter verschiedenen Bedingungen. Das Einbringen eines konjugierten Polymers in eine aktive Matrix sowie der Betrieb in einer Stickstoffatmosphäre führen dabei zu einer Erhöhung der Lebensdauer auf über eine Million Pulse. Durch die Kombination von Oberflächengittern in PDMS-Filmen mit elektroaktiven Substraten wird eine elektrisch steuerbare Deformation des Beugungsgitters erreicht und auf einen DFB-Laser übertragen. Die spannungsinduzierte Verformung wird zunächst in Beugungsexperimenten charakterisiert und ein optimaler Arbeitspunkt bestimmt. Mit den beiden Elastomeren SEBS12 und VHB4910 werden in den Gittern maximale Periodenänderungen von 1,3% bzw. 3,4% bei einer Steuerspannung von 2 kV erreicht. Der Unterschied resultiert aus den verschiedenen Elastizitätsmoduln der Materialien. Übertragen auf DFB-Laser resultiert eine Variation der Gitterperiode senkrecht zu den Gitterlinien in einer kontinuierlichen Verschiebung der Emissionswellenlänge. Mit einem Spannungssignal von 3,25 kV wird die schmalbandige Emission eines elastischen DFB-Lasers kontinuierlich um fast 50nm von 604 nm zu 557 nm hin verschoben. Aus dem Deformationsverhalten sowohl der reinen Beugungsgitter als auch der Laser werden Rückschlüsse auf die Elastizität der verwendeten Materialien gezogen und erlauben Verbesserungen der Bauteile.
Die vorliegende Arbeit versammelt zwei einleitende Kapitel und zehn Essays, die sich als kritisch-konstruktive Beiträge zu einem "erlebenden Verstehen" (Buck) von Physik lesen lassen. Die traditionelle Anlage von Schulphysik zielt auf eine systematische Darstellung naturwissenschaftlichen Wissens, das dann an ausgewählten Beispielen angewendet wird: Schulexperimente beweisen die Aussagen der Systematik (oder machen sie wenigstens plausibel), ausgewählte Phänomene werden erklärt. In einem solchen Rahmen besteht jedoch leicht die Gefahr, den Bezug zur Lebenswirklichkeit oder den Interessen der Schüler zu verlieren. Diese Problematik ist seit mindestens 90 Jahren bekannt, didaktische Antworten - untersuchendes Lernen, Kontextualisierung, Schülerexperimente etc. - adressieren allerdings eher Symptome als Ursachen. Naturwissenschaft wird dadurch spannend, dass sie ein spezifisch investigatives Weltverhältnis stiftet: man müsste gleichsam nicht Wissen, sondern "Fragen lernen" (und natürlich auch, wie Antworten gefunden werden...). Doch wie kann dergleichen auf dem Niveau von Schulphysik aussehen, was für einen theoretischen Rahmen kann es hier geben? In den gesammelten Arbeiten wird einigen dieser Spuren nachgegangen: Der Absage an das zu modellhafte Denken in der phänomenologischen Optik, der Abgrenzung formal-mathematischen Denkens gegen wirklichkeitsnähere Formen naturwissenschaftlicher Denkbewegungen und Evidenz, dem Potential alternativer Interpretationen von "Physikunterricht", der Frage nach dem "Verstehen" u.a. Dabei werden nicht nur Bezüge zum modernen bildungstheoretischen Paradigma der Kompetenz sichtbar, sondern es wird auch versucht, eine ganze Reihe konkrete (schul-)physikalische Beispiele dafür zu geben, was passiert, wenn nicht schon gewusste Antworten Thema werden, sondern Expeditionen, die sich der physischen Welt widmen: Die Schlüsselbegriffe des Fachs, die Methoden der Datenerhebung und Interpretation, die Such- und Denkbewegungen kommen dabei auf eine Weise zur Sprache, die sich nicht auf die Fachsystematik abstützen möchte, sondern diese motivieren, konturieren und verständlich machen will.