Elektrohydrodynamika - Electrohydrodynamics

Elektrohydrodynamiky ( EHD ), známé také jako elektroměrové fluidní dynamiky ( EFD ) nebo elektrokinetika , je studium dynamiky z elektricky nabité kapaliny. Jedná se o studium pohybů ionizovaných částic nebo molekul a jejich interakcí s elektrickými poli a okolní tekutinou. Termín může být považován za synonymum dosti propracované elektrostriktivní hydrodynamiky . ESHD pokrývá následující typy mechanismů transportu částic a tekutin: elektroforéza , elektrokineze, dielektroforéza , elektroosmóza a elektrorotace . Obecně se jevy týkají přímé přeměny elektrické energie na kinetickou a naopak .

V první řadě tvarovaná elektrostatická pole (ESF) vytvářejí v dielektrických médiích hydrostatický tlak (HSP nebo pohyb) . Když jsou taková média tekutinami , vytvoří se tok . Pokud je dielektrikum vakuum nebo pevná látka , neprodukuje se žádný proud. Takový tok může být směrován proti elektrodám , obecně k pohybu elektrod. V takovém případě se pohybující se konstrukce chová jako elektromotor . Praktické oblasti zájmu EHD jsou společný ionizátor vzduchu , elektrohydrodynamické trysky a chladicí systémy EHD.

Ve druhém případě probíhá konverzace. Energetický tok média uvnitř tvarovaného elektrostatického pole dodává systému energii, která je zachycena jako potenciální rozdíl elektrodami. V takovém případě struktura funguje jako elektrický generátor .

Elektrokineze

Elektrokineze je transport částic nebo tekutiny produkovaný elektrickým polem působícím na tekutinu mající čistý mobilní náboj. (Vysvětlení a další použití přípony -kineze viz -kineze.) Elektrokinezi poprvé pozoroval Ferdinand Frederic Reuss v roce 1808 při elektroforéze částic jílu. Účinek byl také zaznamenán a propagován ve dvacátých letech Thomas Townsend Brown, kterého nazval efekt Biefeld-Brown , i když se zdá, že mylně jako elektrického pole působícího na gravitaci. Průtok v takovém mechanismu je v elektrickém poli lineární . Elektrokineze má v mikrofluidice značný praktický význam , protože nabízí způsob, jak manipulovat a přenášet tekutiny v mikrosystémech pomocí pouze elektrických polí, bez pohyblivých částí.

Síla působící na tekutinu je dána rovnicí

${\ displaystyle F = {\ frac {Id} {k}}}$

kde je výsledná síla, měřená v newtonech , proud, měřený v ampérech , je vzdálenost mezi elektrodami, měřená v metrech, a je koeficientem iontové pohyblivosti dielektrické tekutiny, měřeno v m ² /(V · s) . ${\ displaystyle F}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle k}$

Pokud se elektrody mohou v tekutině volně pohybovat a přitom udržovat jejich vzájemnou vzdálenost, pak taková síla ve skutečnosti pohání elektrody vzhledem k tekutině.

Elektrokineze byla také pozorována v biologii, kde bylo zjištěno, že způsobuje fyzické poškození neuronů podněcováním pohybu v jejich membránách. Je diskutován v RJElul's „Fixed charge in the cell membrána“ (1967).

Elektrokinetika vody

V říjnu 2003 Dr. Daniel Kwok, Dr. Larry Kostiuk a dva postgraduální studenti z University of Alberta diskutovali o metodě hydrodynamické přeměny na elektrickou energii využíváním přirozených elektrokinetických vlastností kapaliny, jako je obyčejná voda z vodovodu , čerpáním kapalin skrz malé mikrokanály s tlakovým rozdílem. Tato technologie by jednoho dne mohla poskytnout praktické a čisté zařízení pro skladování energie, nahrazující dnešní baterie, pro zařízení, jako jsou mobilní telefony nebo kalkulačky, která by se nabíjela pouhým čerpáním vody na vysoký tlak . Tlak by pak byl uvolněn na vyžádání, aby tok tekutiny probíhal přes mikrokanály. Když voda cestuje nebo proudí po povrchu, ionty, z nichž se voda vyrábí, se „otírají“ o pevnou látku a zanechávají povrch mírně nabitý. Kinetická energie z pohybujících se iontů by tak byla přeměněna na elektrickou energii. Přestože je energie generovaná z jednoho kanálu extrémně malá, lze ke zvýšení výkonu použít miliony paralelních mikrokanálů. Tento proudový potenciál , fenomén proudění vody, objevil v roce 1859 německý fyzik Georg Hermann Quincke .

Elektrokinetické nestability

Toky tekutin v mikrofluidních a nanofluidních zařízeních jsou často stabilní a silně tlumené viskózními silami (s Reynoldsovým číslem jednoty řádu nebo menším). Heterogenní pole iontové vodivosti v přítomnosti použitých elektrických polí však mohou za určitých podmínek generovat nestabilní tokové pole v důsledku elektrokinetické nestability (EKI) . Vodivostní gradienty převládají v elektrokinetických procesech na čipu, jako jsou předkoncentrační metody (např. Polní zesílené stohování vzorků a izoelektrické zaostřování ), vícerozměrné testy a systémy se špatně specifikovanou chemií vzorků. Dynamika a periodická morfologie elektrokinetických nestabilit jsou podobné jako u jiných systémů s Rayleigh -Taylorovými nestabilitami. Konkrétní případ ploché rovinné geometrie s homogenním vstřikováním iontů do spodní strany vede k matematickému rámci shodnému s Rayleigh -Bénardovou konvekcí .

EKI lze využít k rychlému míchání nebo může způsobit nežádoucí disperzi při vstřikování, separaci a stohování vzorků. Tyto nestability jsou způsobeny spojením elektrických polí a gradientů iontové vodivosti, které vede k síle elektrického tělesa. Toto spojení má za následek sílu elektrického tělesa v objemové kapalině mimo elektrickou dvojitou vrstvu , která může generovat časové, konvekční a absolutní nestálosti toku. Elektrokinetické toky s vodivými gradienty se stanou nestabilní, když elektroviskózní natahování a skládání rozhraní vodivosti roste rychleji než disipativní účinek molekulární difúze.

Protože tyto toky jsou charakterizovány nízkými rychlostmi a malými délkovými měřítky, je Reynoldsovo číslo nižší než 0,01 a tok je laminární . Počátek nestability v těchto tocích je nejlépe popsat jako elektrické „Rayleighovo číslo“.

Různé

Kapaliny lze tisknout v nanoměřítku pomocí pyro-EHD.

Viz také

• Magnetohydrodynamický pohon
• Magnetohydrodynamika
• Elektrospray
• Elektrokinetické jevy
• Optoelektrofluidika
• Elektrostatický odlučovač

Reference

externí odkazy

• Web Dr. Larry Kostiuk .
• Vědecký článek o objevu .
• Článek BBC s grafikou .