Электрогидродинамика - Electrohydrodynamics

Электрогидродинамика (EHD), также известный как Электрогидродинамика (EFD) или же электрокинетика, это исследование динамика из электрически заряженный жидкости.[1] Это изучение движений ионизированный частицы или молекулы и их взаимодействие с электрические поля и окружающая жидкость. Этот термин можно рассматривать как синоним довольно сложного электрострикционная гидродинамика. ESHD охватывает следующие типы механизмов переноса частиц и жидкости: электрофорез, электрокинез, диэлектрофорез, электроосмос, и электровращение. В основном явления относятся к прямому преобразованию электроэнергия в кинетическая энергия, и наоборот.

В первую очередь, фасонные электростатические поля (ESF) создать гидростатическое давление (HSP, или движение) в диэлектрическая среда. Когда такие СМИ жидкости, а поток производится. Если диэлектрик вакуум или твердый, поток не создается. Такой поток может быть направлен против электроды, как правило, для перемещения электродов. В таком случае подвижная конструкция действует как электрический двигатель. Практические области интересов EHD - это общие ионизатор воздуха, электрогидродинамические двигатели и системы охлаждения EHD.

Во втором случае имеет место обратное. Мощный поток среды внутри сформированного электростатического поля добавляет энергии в систему, которая воспринимается как разность потенциалов электродами. В таком случае конструкция действует как электрический генератор.

Электрокинез

«Электрокинез» перенаправляется сюда. О вымышленной способности манипулировать электричеством см. Вымышленные персонажи с электрическими или магнитными способностями.

Электрокинез это частица или жидкость перенос, производимый электрическим полем, действующим на жидкость, имеющую чистый мобильный заряд. (См. -Kinesis для объяснения и дальнейшего использования суффикса -kinesis.) Электрокинез впервые был замечен Фердинандом Фредериком Ройссом в 1808 году в электрофорез частиц глины [2] Эффект также был замечен и опубликован в 1920-х гг. Томас Таунсенд Браун которую он назвал Эффект Бифельда – Брауна, хотя он, кажется, неправильно определил это как электрическое поле, действующее на гравитацию.[3] Скорость потока в таком механизме линейна в зависимости от электрическое поле. Электрокинез имеет большое практическое значение в микрофлюидика,[4][5][6] потому что он предлагает способ манипулировать и передавать жидкости в микросистемах, используя только электрические поля без движущихся частей.

Сила, действующая на жидкость, задается уравнением

куда, результирующая сила, измеренная в ньютоны, ток, измеренный в амперы, расстояние между электродами, измеряемое в метрах, и - коэффициент подвижности ионов диэлектрической жидкости, измеряемый в м2/(Против).

Если электроды могут свободно перемещаться внутри жидкости, сохраняя при этом фиксированное расстояние друг от друга, то такая сила будет фактически перемещать электроды по отношению к жидкости.

Электрокинез также наблюдался в биологии, где было установлено, что он вызывает физическое повреждение нейронов, вызывая движение в их мембранах.[7][8] Это обсуждается в работе Р. Дж. Элула «Фиксированный заряд в клеточной мембране» (1967).

Электрокинетика воды

В октябре 2003 г. д-р Даниэль Квок, д-р Ларри Костюк и двое аспирантов из Университет Альберты обсудили метод гидродинамики к электрическому преобразование энергии за счет использования естественных электрокинетических свойств жидкости, такой как обычная водопроводная вода, путем перекачивания жидкости через крошечные микроканалы с перепадом давления.[9] Эта технология может когда-нибудь предоставить практичное и экологически чистое устройство хранения энергии, заменяющее современные батареи, для таких устройств, как мобильные телефоны или калькуляторы, которые можно было бы заряжать, просто накачивая воду до максимума. давление. Затем давление будет сбрасываться по требованию для протекания потока жидкости по микроканалам. Когда вода движется или течет по поверхности, ионы, из которых состоит вода, «трутся» о твердое тело, оставляя поверхность слегка заряженной. Таким образом, кинетическая энергия движущихся ионов будет преобразована в электрическую. Хотя мощность, генерируемая одним каналом, чрезвычайно мала, миллионы параллельных микроканалов можно использовать для увеличения выходной мощности. потоковый потенциал, явление течения воды было открыто в 1859 г. немецким физиком Георг Герман Квинке.[нужна цитата ][5][6][10]

Электрокинетическая нестабильность

Жидкость течет в микрофлюидный и наножидкостные устройства часто стабильны и сильно демпфируются вязкими силами (с Числа Рейнольдса порядка единицы или меньше). Однако неоднородные поля ионной проводимости в присутствии приложенных электрические поля может при определенных условиях генерировать неустойчивое поле течения из-за электрокинетическая нестабильность (ЭКИ). Градиенты проводимости преобладают в процессах электрокинетики на кристалле, таких как методы предварительного концентрирования (например, укладка проб с усилением поля и изоэлектрическая фокусировка ), многомерные анализы и системы с плохо определенным химическим составом образцов. Динамика и периодическая морфология электрокинетическая нестабильность похожи на другие системы с Рэлей – Тейлор нестабильность. Частный случай плоской геометрии с инжекцией гомогенных ионов в нижней части приводит к математической системе, идентичной Конвекция Рэлея-Бенара.

EKI можно использовать для быстрого смешивание или может вызвать нежелательное диспергирование при вводе, разделении и укладке пробы. Эти нестабильности вызваны взаимодействием электрических полей и градиентов ионной проводимости, что приводит к возникновению электрической силы тела. Эта связь приводит к возникновению объемной электрической силы в объеме жидкости за пределами электрический двойной слой, которые могут вызвать временную, конвективную и абсолютную нестабильность потока. Электрокинетические потоки с градиентами проводимости становятся неустойчивыми, когда электровязкий растяжение и сворачивание границ раздела проводимости растет быстрее, чем диссипативный эффект молекулярной диффузии.

Поскольку эти потоки характеризуются низкими скоростями и небольшими масштабами длины, число Рейнольдса меньше 0,01, а течение ламинарный. Возникновение неустойчивости в этих потоках лучше всего описать как электрическое «число Рэлея».

Разное

На жидкостях можно печатать в наномасштабе с помощью пиро-ЭГД.[11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кастелланос, А. (1998). Электрогидродинамика.
  2. ^ Стена, Стаффан. «История электрокинетических явлений». Текущее мнение в науке о коллоидах и границах раздела 15.3 (2010): 119-124.
  3. ^ Томпсон, Клайв (август 2003 г.). "Антигравитационное подземелье". Проводной журнал.
  4. ^ Chang, H.C .; Йео, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика. Издательство Кембриджского университета.
  5. ^ а б Кирби, Б.Дж. (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: перенос в микрофлюидных устройствах. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-11903-0.
  6. ^ а б Брус, Х. (2007). Теоретическая микрофлюидика. Oxford University Press.
  7. ^ Паттерсон, Майкл; Кеснер, Раймонд (1981). Методы исследования электрической стимуляции. Академическая пресса. ISBN  0-12-547440-7.
  8. ^ Элул, Р.Дж. (1967). Фиксированный заряд в клеточной мембране.
  9. ^ Ян, июнь; Лу, Фучжи; Костюк, Ларри В .; Квок, Даниэль Ю. (1 января 2003 г.). «Электрокинетическая микроканальная батарея с помощью электрокинетических и микрофлюидных явлений». Журнал микромеханики и микротехники. 13 (6): 963–970. Bibcode:2003JMiMi..13..963Y. Дои:10.1088/0960-1317/13/6/320.
  10. ^ Левич, В. (1962). Физико-химическая гидродинамика.
  11. ^ Ferraro, P .; Coppola, S .; Grilli, S .; Paturzo, M .; Веспини, В. (2010). «Дозирование нанокапель и жидкого рисунка с помощью пироэлектродинамической съемки». Природа Нанотехнологии. 5 (6): 429. Bibcode:2010НатНа ... 5..429F. Дои:10.1038 / nnano.2010.82. PMID  20453855.

внешняя ссылка