Электрогидродинамика

Электрогидродинамика ( ЭГД ), также известная как электрогидродинамика ( ЭГД ) или электрокинетика , представляет собой изучение динамики электрически заряженных жидкостей . ^[1]^[2] Электрогидродинамика (ЭГД) — это совместная область электродинамики и гидродинамики, в основном сосредоточенная на движении жидкости, вызываемом электрическими полями . ЭГД в своей простейшей форме включает в себя приложение электрического поля к жидкой среде, что приводит к манипулированию потоком, формой или свойствами жидкости. Эти механизмы возникают в результате взаимодействия между электрическими полями и заряженными частицами или эффектов поляризации внутри жидкости. ^[2] Генерация и движение носителей заряда (ионов) в жидкости, находящейся под действием электрического поля, лежат в основе физики 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]

Эта электрическая сила затем подставляется в уравнение Навье-Стокса как объемная (объемная) сила.

ЭГД охватывает следующие типы механизмов транспорта частиц и жидкостей: электрофорез , электрокинез , диэлектрофорез , электроосмос и электровращение . В целом явления относятся к прямому преобразованию электрической энергии в кинетическую и наоборот .

В первом случае сформированные электростатические поля (ЭСП) создают гидростатическое давление (ГДП, или движение) в диэлектрических средах . Когда такие среды являются жидкостями , поток возникает . Если диэлектриком является вакуум или твердое тело , поток не возникает. Такой поток может быть направлен против электродов , как правило, для перемещения электродов. В этом случае движущаяся конструкция действует как электродвигатель . Практическими областями интересов EHD являются обычный ионизатор воздуха , электрогидродинамические двигатели и системы охлаждения EHD.

Во втором случае имеет место обратный процесс. Поток среды в сформированном электростатическом поле добавляет энергию в систему, которая улавливается в виде разности потенциалов электродами . В таком случае конструкция 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 он назвал эффектом Бифельда-Брауна , хотя он, похоже, ошибочно определил его как электрическое поле, действующее на гравитацию. ^[4] Скорость потока в таком механизме линейна по электрическому полю . Электрокинез имеет большое практическое значение в микрофлюидике . ^[5]^[6]^[7] потому что он предлагает способ манипулировать и перемещать жидкости в микросистемах, используя только электрические поля, без движущихся частей.

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

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

Электрокинез также наблюдался в биологии, где было обнаружено, что он вызывает физическое повреждение нейронов, вызывая движение в их мембранах. ^[8]^[9] Это обсуждается в работе Р. Дж. Элула «Фиксированный заряд клеточной мембраны» (1967).

Электрокинетика воды

В октябре 2003 года д-р Дэниел Квок, д-р Ларри Костюк и два аспиранта из Университета Альберты обсудили метод преобразования гидродинамической энергии в электрическую путем использования естественных электрокинетических свойств жидкости, такой как обычная водопроводная вода , путем прокачивания жидкости через крошечные микроканалы с разницей давлений. ^[10] Эта технология может привести к созданию практичного и экологически чистого устройства для хранения энергии, которое заменит батареи в таких устройствах, как мобильные телефоны или калькуляторы, которые будут заряжаться путем простого сжатия воды до высокого давления . Тогда давление будет сбрасываться по требованию, чтобы жидкость могла течь через микроканалы. Когда вода движется или течет по поверхности, ионы в воде «трутся» о твердое вещество, оставляя поверхность слегка заряженной. Таким образом, кинетическая энергия движущихся ионов будет преобразована в электрическую энергию. Хотя мощность, генерируемая одним каналом, чрезвычайно мала, для увеличения выходной мощности можно использовать миллионы параллельных микроканалов. Этот потенциал потока , феномен потока воды был открыт в 1859 году немецким физиком Георгом Германом Квинке . ^{[ нужна ссылка ]}^[6]^[7]^[11]

Электрокинетические нестабильности

Потоки жидкости в микрофлюидных и нанофлюидных устройствах часто стабильны и сильно демпфируются силами вязкости (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 электрокинетической нестабильности (EKI) . Градиенты проводимости преобладают во внутричиповых электрокинетических процессах, таких как методы предварительного концентрирования (например, штабелирование образцов с усилением в поле и изоэлектрическое фокусирование ), многомерные анализы и системы с плохо заданным химическим составом образцов. Динамика и периодическая морфология электрокинетических неустойчивостей аналогичны другим системам с неустойчивостями Рэлея – Тейлора . Частный случай плоской геометрии с однородной инжекцией ионов в нижнюю сторону приводит к математической системе, идентичной конвекции Рэлея – Бенара .

EKI можно использовать для быстрого смешивания или вызвать нежелательную дисперсию при вводе, разделении и штабелировании проб. Эти нестабильности вызваны взаимодействием электрических полей и градиентов ионной проводимости, что приводит к возникновению электрической объемной силы. Эта связь приводит к возникновению электрической объемной силы в объемной жидкости за пределами двойного электрического слоя , которая может создавать временную, конвективную и абсолютную нестабильность потока. Электрокинетические потоки с градиентами проводимости становятся неустойчивыми, когда электровязкое растяжение и сворачивание границ раздела проводимости растет быстрее, чем диссипативный эффект молекулярной диффузии.

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

Разное

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

См. также

Ссылки

^ Кастелланос, А. (1998). Электрогидродинамика .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Ираншахи, Кямран; Дефрай, Тейс (2024). «Электрогидродинамика и ее приложения: последние достижения и перспективы» . Международный журнал тепломассообмена . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125895 .
^ Уолл, Стаффан. «История электрокинетических явлений». Текущее мнение о коллоидах и интерфейсах 15.3 (2010): 119-124.
^ Томпсон, Клайв (август 2003 г.). «Антигравитационное подземелье» . Проводной журнал .
^ Чанг, ХК; Йео, Л. (2009). Электрокинетически управляемая микрофлюидика и нанофлюидика . Издательство Кембриджского университета .
^ Перейти обратно: ^а ^б Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномеханика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0 . Архивировано из оригинала 28 апреля 2019 г. Проверено 13 февраля 2010 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Брюус, Х. (2007). Теоретическая микрофлюидика . Издательство Оксфордского университета .
^ Паттерсон, Майкл; Кеснер, Раймонд (1981). Методы исследования электростимуляции . Академическая пресса . ISBN 0-12-547440-7 .
^ Элул, Р.Дж. (1967). Фиксированный заряд клеточной мембраны . ПМИД 6040152 .
^ Ян, Цзюнь; Лу, Фужи; Костюк, Ларри В.; Квок, Дэниел Ю. (1 января 2003 г.). «Электрокинетическая микроканальная батарея посредством электрокинетических и микрофлюидных явлений». Журнал микромеханики и микроинженерии . 13 (6): 963–970. Бибкод : 2003JMiMi..13..963Y . дои : 10.1088/0960-1317/13/6/320 . S2CID 250922353 .
^ Левич, В.И. (1962). Физико-химическая гидродинамика .
^ Ферраро, П.; Коппола, С.; Грилли, С.; Патурзо, М.; Веспини, В. (2010). «Дозирование нано-пико-капель и формирование жидкого рисунка методом пироэлектродинамической съемки». Природные нанотехнологии . 5 (6): 429–435. Бибкод : 2010NatNa...5..429F . дои : 10.1038/nnano.2010.82 . ПМИД 20453855 .

Внешние ссылки

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

[:0-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Ираншахи, Кямран; Дефрай, Тейс (2024). «Электрогидродинамика и ее приложения: последние достижения и перспективы» . Международный журнал тепломассообмена . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125895 .

[3] Уолл, Стаффан. «История электрокинетических явлений». Текущее мнение о коллоидах и интерфейсах 15.3 (2010): 119-124.

[Wired-4] Томпсон, Клайв (август 2003 г.). «Антигравитационное подземелье» . Проводной журнал .

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

[Kirby-6] Перейти обратно: ^а ^б Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномеханика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0 . Архивировано из оригинала 28 апреля 2019 г. Проверено 13 февраля 2010 г.

[Bruus-7] Перейти обратно: ^а ^б Брюус, Х. (2007). Теоретическая микрофлюидика . Издательство Оксфордского университета .

[patkesn1-8] Паттерсон, Майкл; Кеснер, Раймонд (1981). Методы исследования электростимуляции . Академическая пресса . ISBN 0-12-547440-7 .

[9] Элул, Р.Дж. (1967). Фиксированный заряд клеточной мембраны . ПМИД 6040152 .

[10] Ян, Цзюнь; Лу, Фужи; Костюк, Ларри В.; Квок, Дэниел Ю. (1 января 2003 г.). «Электрокинетическая микроканальная батарея посредством электрокинетических и микрофлюидных явлений». Журнал микромеханики и микроинженерии . 13 (6): 963–970. Бибкод : 2003JMiMi..13..963Y . дои : 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.; Патурзо, М.; Веспини, В. (2010). «Дозирование нано-пико-капель и формирование жидкого рисунка методом пироэлектродинамической съемки». Природные нанотехнологии . 5 (6): 429–435. Бибкод : 2010NatNa...5..429F . дои : 10.1038/nnano.2010.82 . ПМИД 20453855 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]