Электрогидродинамика ( ЭГД ), также известная как электрогидродинамика ( ЭГД ) или электрокинетика , представляет собой изучение динамики электрически заряженных жидкостей . [1] Это изучение 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 транспорта частиц и жидкости: электрофорез , электрокинез , диэлектрофорез , электроосмос и электроротация . 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 , возникает поток . Если диэлектриком является вакуум или твердое тело , поток не возникает. Такой поток может быть направлен против электродов , как правило, для перемещения электродов. В таком 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 в систему энергию, которая улавливается электродами в виде разности потенциалов . В таком случае конструкция действует как электрический генератор .
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 [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 . Электрокинез имеет большое практическое значение в микрофлюидике , [4] [5] [6], потому что он предлагает способ манипулировать и перемещать жидкости в микросистемах, используя только электрические поля, без движущихся частей.
Сила, действующая на жидкость, определяется уравнением
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. [7] [8] Это обсуждается в книге Р. Дж. Элула «Фиксированный заряд клеточной мембраны» (1967).
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 , используя естественные электрокинетические свойства жидкости, такой как обычная водопроводная вода , путем прокачивания жидкости через крошечные микроканалы с разницей давлений. [9] Когда-нибудь эта технология может стать практичным и экологически чистым устройством для хранения энергии, заменив сегодняшние батареи для таких устройств, как мобильные телефоны или калькуляторы, которые можно было бы заряжать, просто накачивая воду под высоким давлением . 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 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 ] [5] [6] [10]
Потоки жидкости в микрофлюидных и нанофлюидных устройствах часто стабильны и сильно демпфируются силами вязкости (с числами Рейнольдса порядка единицы или меньше). Однако гетерогенные поля ионной проводимости в присутствии приложенных электрических полей могут при определенных условиях генерировать нестабильное поле потока из-за электрокинетической нестабильности (EKI) . Градиенты проводимости преобладают в электрокинетических процессах на чипе, таких как методы предварительного концентрирования (например, укладка 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».
Жидкости можно печатать в наномасштабе с помощью пиро-ЭГД. [11]
