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
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, измеряемый в амперах , расстояние между электродами, измеряемое в метрах, и - коэффициент подвижности ионов жидкого диэлектрика, измеряемый 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
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 нагнетая 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
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 неустойчивостей аналогичны 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
На жидкостях можно печатать в наномасштабе с помощью пиро-ЭГД. [11]
Смотрите также
- Магнитогидродинамический привод
- Магнитогидродинамика
- Электрораспыление
- Электрокинетические явления
- Оптоэлектрофлюидика
- Электростатический фильтр
Рекомендации
- Перейти ↑ Castellanos, A. (1998). Электрогидродинамика .
- ↑ Wall, Staffan. «История электрокинетических явлений». Текущее мнение в науке о коллоидах и границах раздела 15.3 (2010): 119-124.
- ^ Томпсон, Клайв (август 2003 г.). «Антигравитационное метро» . Проводной журнал .
- ^ Чанг, ХК; Йео, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика . Издательство Кембриджского университета .
- ^ а б Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0.
- ^ а б Брус, Х. (2007). Теоретическая микрофлюидика . Издательство Оксфордского университета .
- ^ Паттерсон, Майкл; Кеснер, Раймонд (1981). Методы исследования электрической стимуляции . Академическая пресса . ISBN 0-12-547440-7.
- ^ Элул, Р.Дж. (1967). Фиксированный заряд в клеточной мембране .
- ^ 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 .
- ^ Левич В.И. (1962). Физико-химическая гидродинамика .
- ^ 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 : 2010NatNa ... 5..429F . DOI : 10.1038 / nnano.2010.82 . PMID 20453855 .
Внешние ссылки
- Сайт доктора Ларри Костюка .
- Ежедневная научная статья об открытии .
- Статья BBC с графикой .