Электрогидродинамика (ЭГД): сұйықтардың электр өрісіндегі қозғалысын, энергия алмасуын зерттеу. Электрофорез, электроосмос сияқты құбылыстар қарастырылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электр өрістерінің қатысуымен электр өткізгіш сұйықтықтарды зерттеу
Study of electrically conducting fluids in the presence of electric fields
Электрогидродинамика (ЭГД), сонымен қатар электросутектік динамика (ЭФД) немесе электрокинетика деп аталады, электр заряды бар сұйықтықтардың динамикасын зерттейді. Бұл иондалған бөлшектердің немесе молекулалардың қозғалысын және олардың электр өрістерімен және қоршаған сұйықтықпен өзара әрекеттесуін зерттейді. Бұл термин электростриктивті гидродинамикамен синоним ретінде қарастырылуы мүмкін. ESHD бөлшектер мен сұйықтықтарды тасымалдау механизмдерінің келесі түрлерін қамтиды: электрофорез, электрокинез, диэлектрофорез, электроосмоз және электроротация. Жалпы алғанда, бұл құбылыстар электр энергиясын кинетикалық энергияға тікелей түрлендірумен және керісінше байланысты. Бірінші жағдайда, пішінделген электростатикалық өрістер (ESF) диэлектрлік ортада гидростатикалық қысымды (HSP, немесе қозғалыс) тудырады. Егер осы орта сұйықтық болса, ағын пайда болады. Диэлектрик вакуум немесе қатты дене болса, ағын пайда болмайды. Мұндай ағынды электродтарға қарсы бағыттап, оларды жылжытуға болады. Осы жағдайда, қозғалатын құрылым электр қозғалтқышы ретінде жұмыс істейді. ЭГД-ның практикалық қолданыс аймақтарына әдеттегі ауа ионизаторы, электрогидродинамикалық итеркіштер және ЭГД салқындату жүйелері жатады. Екінші жағдайда, кері процесс жүреді. Пішінделген электростатикалық өріс ішіндегі ортаның қуатты ағыны жүйеге энергия қосады, ол электродтармен потенциал айырмасы ретінде қабылданады. Осы жағдайда, құрылым электр генераторы ретінде жұмыс істейді.
Electrohydrodynamics (EHD), also known as electro fluid dynamics (EFD) or electrokinetics, is the study of the dynamics of electrically charged fluids. It is the study of the motions of ionized particles or molecules and their interactions with electric fields and the surrounding fluid. The term may be considered to be synonymous with the rather elaborate electrostrictive hydrodynamics. ESHD covers the following types of particle and fluid transport mechanisms: electrophoresis, electrokinesis, dielectrophoresis, electro osmosis, and electrorotation. In general, the phenomena relate to the direct conversion of electrical energy into kinetic energy, and vice versa. In the first instance, shaped electrostatic fields (ESF's) create hydrostatic pressure (HSP, or motion) in dielectric media. When such media are fluids, a flow is produced. If the dielectric is a vacuum or a solid, no flow is produced. Such flow can be directed against the electrodes, generally to move the electrodes. In such case, the moving structure acts as an electric motor. Practical fields of interest of EHD are the common air ioniser, electrohydrodynamic thrusters and EHD cooling systems. In the second instance, the converse takes place. A powered flow of medium within a shaped electrostatic field adds energy to the system which is picked up as a potential difference by electrodes. In such case, the structure acts as an electrical generator.
Судың электрокинетигі
2003 жылдың қазан айында доктор Дэниел Квок, доктор Ларри Костюк және Альберта университетінің екі аспиранты, кәдімгі кран суы сияқты сұйықтықтың табиғи электрокинетикалық қасиеттерін пайдаланып, қысым айырмашылығы бар шағын микроарналар арқылы сұйықтықты сору арқылы гидродинамикалық энергияны электр энергиясына айналдыру әдісін талқылады. Бұл технология ұялы телефондар немесе калькуляторлар сияқты құрылғылар үшін аккумуляторларды алмастыра алатын, практикалық және таза энергия сақтау құрылымын құруға мүмкіндік береді, оларды тек суды жоғары қысыммен сығып зарядтауға болады. Қажет болғанда қысым босатылып, сұйықтық микроарналар арқылы ағып өтеді. Су қозғалғанда немесе беткейден аққанда, судағы иондар қатты денеге "үғылады", нәтижесінде беткейде аз ғана заряд пайда болады. Қозғалатын иондардың кинетикалық энергиясы осылайша электр энергиясына айналады. Жекелеген арнадан алынатын қуат өте аз болғанымен, қуатты арттыру үшін миллиондаған параллель микроарналарды қолдануға болады. Бұл ағын потенциалы 1859 жылы неміс физигі Георг Герман Квинке тарапынан ашылған.
In October 2003, Dr. Daniel Kwok, Dr. Larry Kostiuk and two graduate students from the University of Alberta discussed a method to convert hydrodynamic to electrical energy by exploiting the natural electrokinetic properties of a liquid such as ordinary tap water, by pumping fluid through tiny micro channels with a pressure difference. This technology could lead to a practical and clean energy storage device, replacing batteries for devices such as mobile phones or calculators which would be charged up by simply compressing water to high pressure. Pressure would then be released on demand, for the fluid to flow through micro channels. When water travels, or streams over a surface, the ions in the water "rub" against the solid, leaving the surface slightly charged. Kinetic energy from the moving ions would thus be converted to electrical energy. Although the power generated from a single channel is extremely small, millions of parallel micro channels can be used to increase the power output. This streaming potential, water flow phenomenon was discovered in 1859 by German physicist Georg Hermann Quincke.
Электрокинетикалық тұрақсыздықтар
Микрофлюидтік және нанофлюидтік құрылғылардағы сұйық ағыны көбінесе тұрақты және тұтқыр күштермен (Рейнольдс саны бірлікке тең немесе одан кіші) күшті демптелген. Дегенмен, қолданылатын электр өрістерінің қатысуымен гетерогенді иондық өткізгіштік өрістері белгілі бір жағдайларда электрокинетикалық тұрақсыздықтарға (ЭКИ) байланысты тұрақсыз ағын өрісін тудыруы мүмкін. Өткізгіштік градиенттері чиптегі электрокинетикалық процестерде, мысалы, алдын ала шоғырландыру әдістерінде (мысалы, өріс күшейткіш үлгі жинағы және изоэлектрлік фокустау), көп өлшемді талдауларда және үлгі химиясы нашар анықталған жүйелерде жиі кездеседі. Электрокинетикалық тұрақсыздықтардың динамикасы және периодты морфологиясы Рейли-Тейлор тұрақсыздықтары бар басқа жүйелерге ұқсас. Төменгі жағынан біртекті иондар енгізілген жалпақ жазықтық геометриясының ерекше жағдайы Рейли-Бенард конвекциясына ұқсас математикалық модельге әкеледі. ЭКИ жылдам араластыру үшін пайдаланылуы мүмкін немесе үлгіні инъекциялау, бөлу және жинау кезінде қажетсіз дисперсияға себеп болуы мүмкін. Бұл тұрақсыздықтар электр өрістерінің және иондық өткізгіштік градиенттерінің байланысынан туындайды, нәтижесінде электр дене күші пайда болады. Бұл байланыс электрлік қос қабаттан тыс, көлемді сұйықтықта уақытша, конвективті және абсолютті ағын тұрақсыздықтарын тудыратын электр дене күшіне әкеледі. Өткізгіштік градиенттері бар электрокинетикалық ағындар, электр-жиектілік интерфейстерінің созылуы мен бүктелуі молекулалық диффузияның ыдырау әсерінен тезірек өскенде тұрақсыз болады. Бұл ағындар төмен жылдамдықтармен және кішкентай масштабтармен сипатталатындықтан, Рейнольдс саны 0,01-ден төмен және ағын ламинарлы болып табылады. Бұл ағындардағы тұрақсыздықтың пайда болуы электрлік "Рейли саны" ретінде сипатталады.
The fluid flows in microfluidic and nanofluidic devices are often stable and strongly damped by viscous forces (with Reynolds numbers of order unity or smaller). However, heterogeneous ionic conductivity fields in the presence of applied electric fields can, under certain conditions, generate an unstable flow field owing to electrokinetic instabilities (EKI). Conductivity gradients are prevalent in on chip electrokinetic processes such as preconcentration methods (e. g. field amplified sample stacking and isoelectric focusing), multidimensional assays, and systems with poorly specified sample chemistry. The dynamics and periodic morphology of electrokinetic instabilities are similar to other systems with Rayleigh–Taylor instabilities. The particular case of a flat plane geometry with homogeneous ions injection in the bottom side leads to a mathematical frame identical to the Rayleigh–Bénard convection. EKI's can be leveraged for rapid mixing or can cause undesirable dispersion in sample injection, separation and stacking. These instabilities are caused by a coupling of electric fields and ionic conductivity gradients that results in an electric body force. This coupling results in an electric body force in the bulk liquid, outside the electric double layer, that can generate temporal, convective, and absolute flow instabilities. Electrokinetic flows with conductivity gradients become unstable when the electroviscous stretching and folding of conductivity interfaces grows faster than the dissipative effect of molecular diffusion. Since these flows are characterized by low velocities and small length scales, the Reynolds number is below 0.01 and the flow is laminar. The onset of instability in these flows is best described as an electric "Rayleigh number".
Түрлі
Сұйықтықтарды пироэлектрлік ЭЖД арқылы наноөлшемде басуға болады.