Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Электрогидродинамика ( ЭГД ), также известная как электро-Fluid-динамика ( EFD ) или электрокинетика , это исследование динамики из электрический заряженных жидкостей. [1] Это исследование движения ионизированных частиц или молекул и их взаимодействия с электрическими полями и окружающей жидкостью. Этот термин можно считать синонимом довольно сложной электрострикционной гидродинамики . ESHD охватывает следующие типы механизмов переноса частиц и жидкости: электрофорез , электрокинез, диэлектрофорез ,электроосмос и электровращение . В общем, явления относятся к прямому преобразованию электрической энергии в кинетическую и наоборот .

В первом случае сформированные электростатические поля (ESF) создают гидростатическое давление (HSP или движение) в диэлектрической среде . Когда такими средами являются жидкости , возникает поток . Если диэлектрик представляет собой вакуум или твердое тело , поток не создается. Такой поток может быть направлен против электродов , как правило, для перемещения электродов. В этом случае движущаяся конструкция действует как электродвигатель . Практические области интересов EHD - это обычный ионизатор воздуха , электрогидродинамические двигатели и системы охлаждения EHD.

Во втором случае имеет место обратное. Приводимый поток среды внутри сформированного электростатического поля добавляет в систему энергию, которая улавливается электродами как разность потенциалов . В этом случае конструкция действует как электрический генератор .

Электрокинез [ править ]

«Электрокинез» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о вымышленной способности управлять электричеством, см. « Вымышленные персонажи с электрическими или магнитными способностями» .

Электрокинез - это перенос частиц или жидкости, производимый электрическим полем, действующим на жидкость, имеющую чистый мобильный заряд. (См. -Kinesis для объяснения и дальнейшего использования суффикса -kinesis.) Электрокинез был впервые обнаружен Фердинандом Фредериком Ройссом в 1808 году при электрофорезе частиц глины. [2] Эффект также был замечен и опубликован в 1920-х годах Томасом Таунсендом Брауном. который он назвал эффектом Бифельда-Брауна , хотя, похоже, ошибочно определил его как электрическое поле, действующее на гравитацию. [3] Скорость потока в таком механизме линейна по электрическому полю.. Electrokinesis имеет большое практическое значение в микрофлюидики , [4] [5] [6] , поскольку он предлагает способ манипулировать и передавать жидкости в микросистем с использованием только электрических полей, без движущихся частей.

Сила, действующая на жидкость, задается уравнением

где, - результирующая сила, измеренная в ньютонах , - ток, измеренный в амперах , - это расстояние между электродами, измеренное в метрах, и - коэффициент подвижности ионов жидкого диэлектрика, измеренный в м 2 / (В · с). .

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

Электрокинез также наблюдался в биологии, где было обнаружено, 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 [ править ]

В октябре 2003 года доктор Дэниел Квок, доктор Ларри Костюк и двое аспирантов из Университета Альберты обсудили метод преобразования гидродинамической энергии в электрическую , используя естественные электрокинетические свойства жидкости, такой как обычная водопроводная вода , путем прокачки жидкости через миниатюрные микроканалы с перепадом давления. [9] Эта технология может когда-нибудь предоставить практичное и экологически чистое устройство для хранения энергии, заменяющее современные батареи, для таких устройств, как мобильные телефоны или калькуляторы, которые будут заряжаться, просто накачивая воду до высокого давления.. Затем давление будет сбрасываться по требованию, чтобы поток жидкости проходил 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 преобразуется в электрическую. Хотя мощность, генерируемая одним каналом, чрезвычайно мала, для увеличения выходной мощности можно использовать миллионы параллельных микроканалов. Это потенциальное течение, явление потока воды было обнаружено в 1859 году немецким физиком Георгом Германом Квинке . [ необходима ссылка ] [5] [6] [10]

Электрокинетическая нестабильность [ править ]

Потоки жидкости в микрофлюидных и наножидкостных устройствах часто стабильны и сильно демпфируются вязкими силами (с числами Рейнольдса порядка единицы или меньше). Однако неоднородные поля ионной проводимости в присутствии приложенных электрических полей могут при определенных условиях создавать нестабильное поле течения из-за электрокинетической нестабильности (EKI) . Градиенты проводимости преобладают в электрокинетических процессах на кристалле, таких как методы предварительного концентрирования (например, укладка образцов с усилением поля и изоэлектрическое фокусирование ), многомерные анализы и системы с плохо определенным химическим составом образцов. Динамика и периодическая морфология электрокинетических неустойчивостейаналогичны другим системам с неустойчивостями Рэлея – Тейлора . Частный случай плоской плоской геометрии с инжекцией однородных ионов в нижней части приводит к математической системе, идентичной конвекции Рэлея – Бенара .

EKI могут быть использованы для быстрого перемешивания или могут вызвать нежелательное диспергирование при вводе, разделении и штабелировании 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 двойного электрического слоя , которая может создавать временную, конвективную и абсолютную нестабильность потока. Электрокинетические потоки с градиентами проводимости становятся нестабильными, когда электровязкое растяжение и сворачивание границ раздела проводимости нарастает быстрее, чем диссипативный эффект молекулярной диффузии.

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

Разное [ править ]

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

См. Также [ править ]

  • Магнитогидродинамический привод
  • Магнитогидродинамика
  • Электрораспыление
  • Электрокинетические явления
  • Оптоэлектрофлюидика
  • Электростатический фильтр

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Castellanos, A. (1998). Электрогидродинамика .
  2. ↑ Wall, Staffan. «История электрокинетических явлений». Текущее мнение в науке о коллоидах и границах раздела 15.3 (2010): 119-124.
  3. ^ Томпсон, Клайв (август 2003 г.). «Антигравитационное метро» . Проводной журнал .
  4. ^ Чанг, HC; Йео, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика . Издательство Кембриджского университета .
  5. ^ а б Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0.
  6. ^ a b Bruus, Х. (2007). Теоретическая микрофлюидика . Издательство Оксфордского университета .
  7. ^ Паттерсон, Майкл; Кеснер, Раймонд (1981). Методы исследования электрической стимуляции . Академическая пресса . ISBN 0-12-547440-7.
  8. ^ Елула, RJ (1967). Фиксированный заряд в клеточной мембране .
  9. ^ Ян, июнь; Лу, Фучжи; Костюк, Ларри В .; Квок, Дэниел 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 . DOI : 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 стрельбы». Природа Нанотехнологии . 5 (6): 429. Bibcode : 2010NatNa ... 5..429F . DOI : 10.1038 / nnano.2010.82 . PMID 20453855 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Сайт доктора Ларри Костюка .
  • Ежедневная научная статья об открытии .
  • Статья BBC с графикой .