Электрогидродинамика

Изучение электропроводящих жидкостей в присутствии электрических полей

Электрогидродинамика ( ЭГД ), также известная как электрогидродинамика ( ЭФД ) или электрокинетика , изучает динамику электрически заряженных жидкостей. ^[1]^[2] Электрогидродинамика (ЭГД) — это совместная область электродинамики и гидродинамики, в основном сосредоточенная на движении жидкости, вызванном электрическими полями . ЭГД в своей простейшей форме включает приложение электрического поля к жидкой среде, что приводит к изменению потока, формы или свойств жидкости. Эти механизмы возникают из-за взаимодействия между электрическими полями и заряженными частицами или эффектами поляризации внутри жидкости. ^[2] Генерация и движение носителей заряда (ионов) в жидкости, подверженной воздействию электрического поля, являются основополагающей физикой всех технологий, основанных на ЭГД.

Электрические силы, действующие на частицы, состоят из электростатической (кулоновской) силы и силы электрофореза (первый член в следующем уравнении), диэлектрофоретической силы (второй член в следующем уравнении) и электрострикционной силы (третий член в следующем уравнении):

$F_{e}=\rho _{e}{\overrightarrow {E}}-{1 \over 2}\varepsilon _{0}{\overrightarrow {E}}^{2}\triangledown \varepsilon _{r}+{1 \over 2}\varepsilon _{0}\triangledown {\Bigl (}{\overrightarrow {E}}^{2}\rho _{f}\left({\frac {\partial \varepsilon _{r}}{\partial \rho _{f}}}\right){\Bigr )}$ ^[2]

Затем эта электрическая сила вводится в уравнение Навье-Стокса как объемная (объемная) сила.

ЭГД охватывает следующие типы механизмов переноса частиц и жидкостей: электрофорез , электрокинез , диэлектрофорез , электроосмос и электровращение . В целом, явления связаны с прямым преобразованием электрической энергии в кинетическую и наоборот .

В первом случае сформированные электростатические поля (ЭСП) создают гидростатическое давление (ГД или движение) в диэлектрических средах . Когда такие среды являются жидкостями , создается поток . Если диэлектриком является вакуум или твердое тело , поток не создается. Такой поток может быть направлен против электродов , как правило, для перемещения электродов. В таком случае движущаяся структура действует как электродвигатель . Практическими областями интереса ЭГД являются обычные ионизаторы воздуха , электрогидродинамические двигатели и системы охлаждения ЭГД.

Во втором случае происходит обратное. Энергетический поток среды в сформированном электростатическом поле добавляет энергию в систему, которая улавливается электродами как разность потенциалов . В таком случае структура действует как электрический генератор .

Электрокинез

Электрокинез — это перенос частиц или жидкости, производимый электрическим полем, действующим на жидкость, имеющую чистый подвижный заряд. (См. -kinesis для объяснения и дальнейшего использования суффикса -kinesis.) Электрокинез был впервые обнаружен Фердинандом Фредериком Ройссом в 1808 году при электрофорезе частиц глины ^[3]. Эффект был также замечен и опубликован в 1920-х годах Томасом Таунсендом Брауном , который назвал его эффектом Бифельда-Брауна , хотя он, по-видимому, ошибочно идентифицировал его как электрическое поле, действующее на гравитацию. ^[4] Скорость потока в таком механизме линейна в электрическом поле . Электрокинез имеет большое практическое значение в микрофлюидике , ^[5]^[6]^[7], поскольку он предлагает способ манипулирования и транспортировки жидкостей в микросистемах, используя только электрические поля, без движущихся частей.

Сила, действующая на жидкость, определяется уравнением , где — результирующая сила, измеряемая в ньютонах , — ток, измеряемый в амперах , — расстояние между электродами, измеряемое в метрах, — коэффициент подвижности ионов диэлектрической жидкости, измеряемый в м ² /(В·с). $F={\frac {Id}{k}}$ $F$ $Я$ $д$ $к$

Если электроды могут свободно перемещаться в жидкости, сохраняя при этом фиксированное расстояние друг от друга, то такая сила фактически будет перемещать электроды относительно жидкости.

Электрокинез также наблюдался в биологии, где было обнаружено, что он вызывает физическое повреждение нейронов, вызывая движение в их мембранах. ^[8]^[9] Он 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 два аспиранта из Университета Альберты обсуждали метод преобразования гидродинамической энергии в электрическую путем использования естественных электрокинетических свойств жидкости, такой как обычная водопроводная вода , путем прокачки жидкости через крошечные микроканалы с разницей давления. ^[10] Эта технология может привести к созданию практичного и чистого устройства хранения энергии, заменив батареи для таких устройств, как мобильные телефоны или калькуляторы, которые будут заряжаться простым сжатием воды до высокого давления . Затем давление будет сбрасываться по требованию, чтобы жидкость текла через микроканалы. Когда вода движется или течет по поверхности, ионы в воде «трутся» о твердое тело, оставляя поверхность слегка заряженной. Таким образом, кинетическая энергия движущихся ионов будет преобразована в электрическую энергию. Хотя мощность, вырабатываемая одним каналом, чрезвычайно мала, миллионы параллельных микроканалов могут быть использованы для увеличения выходной мощности. Этот потенциал потока , явление течения воды, был открыт в 1859 году немецким физиком Георгом Германом Квинке . ^{[ необходима цитата ]}^[6]^[7]^[11]

Электрокинетическая нестабильность

Потоки жидкости в микрофлюидных и нанофлюидных 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 генерировать нестабильное поле потока из-за электрокинетических нестабильностей (EKI) . Градиенты проводимости широко распространены в электрокинетических процессах на кристалле, таких как методы предварительной концентрации (например, укладка образцов с усилением поля и изоэлектрическая фокусировка ), многомерные анализы и системы с плохо заданной химией образцов. Динамика и периодическая морфология электрокинетических нестабильностей аналогичны другим системам с нестабильностями Рэлея–Тейлора . Частный случай геометрии плоской плоскости с однородной инжекцией ионов в нижнюю сторону приводит к математической структуре, идентичной конвекции Рэлея–Бенара .

EKI могут быть использованы для быстрого смешивания или могут вызывать нежелательную дисперсию при впрыскивании образцов, разделении и укладке. Эти нестабильности вызваны связью электрических полей и градиентов ионной проводимости, что приводит к возникновению электрической силы тела. Эта связь приводит к возникновению электрической силы тела в объеме жидкости, за пределами электрического двойного слоя , что может генерировать временную, конвективную и абсолютную нестабильность потока. Электрокинетические потоки с градиентами проводимости становятся нестабильными, когда электровязкое растяжение и сворачивание интерфейсов проводимости растут быстрее, чем диссипативный эффект молекулярной диффузии.

Поскольку эти потоки характеризуются низкими скоростями и малыми масштабами длины, число Рейнольдса ниже 0,01, а течение является ламинарным . Начало неустойчивости в этих потоках лучше всего описывается как электрическое «число Рэлея».

Разное

Жидкости можно печатать в наномасштабе с помощью пиро-ЭГД. ^[12]

Смотрите также

Ссылки

^ Кастелланос, А. (1998). Электрогидродинамика .
^ abcd Iranshahi, Kamran; Defraeye, Thijs (2024). «Электрогидродинамика и ее приложения: последние достижения и будущие перспективы». Международный журнал по тепло- и массообмену . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125895 . hdl : 20.500.11850/683872 .
^ Уолл, Стаффан. «История электрокинетических явлений». Current Opinion in Colloid & Interface Science 15.3 (2010): 119-124.
^ Томпсон, Клайв (август 2003 г.). «Антигравитационное подполье». Журнал Wired .
^ Чанг, ХК; Йео, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика . Издательство Кембриджского университета .
^ ab Kirby, BJ (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрожидкостных устройствах. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-11903-0. Архивировано из оригинала 2019-04-28 . Получено 2010-02-13 .
^ ab Bruus, H. (2007). Теоретическая микрофлюидика . Oxford University Press .
^ Паттерсон, Майкл; Кеснер, Рэймонд (1981). Методы исследования электростимуляции . Academic Press . ISBN 0-12-547440-7.
^ Элул, Р. Дж. (1967). Фиксированный заряд в клеточной мембране . PMID 6040152.
^ Yang, Jun; Lu, Fuzhi; Kostiuk, Larry W.; Kwok, Daniel Y. (1 января 2003 г.). «Электрокинетическая микроканальная батарея с использованием электрокинетических и микрожидкостных явлений». Журнал микромеханики и микроинженерии . 13 (6): 963–970. Bibcode : 2003JMiMi..13..963Y. doi : 10.1088/0960-1317/13/6/320. S2CID 250922353.
^ Левич, В. И. (1962). Физико-химическая гидродинамика .
^ Ферраро, П.; Коппола, С.; Грилли, С.; Патурцо, М.; Веспини, В. (2010). «Диспенсирование нано-пикокапель и формирование жидких узоров с помощью пироэлектродинамической стрельбы». Nature Nanotechnology . 5 (6): 429–435. Bibcode :2010NatNa...5..429F. doi :10.1038/nnano.2010.82. PMID 20453855.

Внешние ссылки

Сайт доктора Ларри Костюка.
Статья в Science-daily об этом открытии.
Статья BBC с графикой.

[Castellanos-1] Кастелланос, А. (1998). Электрогидродинамика .

[:0-2] Iranshahi, Kamran; Defraeye, Thijs (2024). «Электрогидродинамика и ее приложения: последние достижения и будущие перспективы». Международный журнал по тепло- и массообмену . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125895 . hdl : 20.500.11850/683872 .

[3] Уолл, Стаффан. «История электрокинетических явлений». Current Opinion in Colloid & Interface Science 15.3 (2010): 119-124.

[Wired-4] Томпсон, Клайв (август 2003 г.). «Антигравитационное подполье». Журнал Wired .

[Chang-5] Чанг, ХК; Йео, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика . Издательство Кембриджского университета .

[Kirby-6] Kirby, BJ (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрожидкостных устройствах. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-11903-0. Архивировано из оригинала 2019-04-28 . Получено 2010-02-13 .

[Bruus-7] Bruus, H. (2007). Теоретическая микрофлюидика . Oxford University Press .

[patkesn1-8] Паттерсон, Майкл; Кеснер, Рэймонд (1981). Методы исследования электростимуляции . Academic Press . ISBN 0-12-547440-7.

[9] Элул, Р. Дж. (1967). Фиксированный заряд в клеточной мембране . PMID 6040152.

[10] Yang, Jun; Lu, Fuzhi; Kostiuk, Larry W.; Kwok, Daniel Y. (1 января 2003 г.). «Электрокинетическая микроканальная батарея с использованием электрокинетических и микрожидкостных явлений». Журнал микромеханики и микроинженерии . 13 (6): 963–970. Bibcode : 2003JMiMi..13..963Y. doi : 10.1088/0960-1317/13/6/320. S2CID 250922353.

[Levich-11] Левич, В. И. (1962). Физико-химическая гидродинамика .

[12] Ферраро, П.; Коппола, С.; Грилли, С.; Патурцо, М.; Веспини, В. (2010). «Диспенсирование нано-пикокапель и формирование жидких узоров с помощью пироэлектродинамической стрельбы». Nature Nanotechnology . 5 (6): 429–435. Bibcode :2010NatNa...5..429F. doi :10.1038/nnano.2010.82. PMID 20453855.