Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электрореологиялық (ЭР) сұйықтықтар – электр оқшаулағыш сұйықтықтағы өте ұсақ, электр тогын өткізбейтін, бірақ электрлік әсерге ие бөлшектердің (диаметрі 50 микрометрге дейін) суспензиясы. Бұл сұйықтықтардың көрінетін тұтқырлығы электр өрісінің әсеріне жауап ретінде 100 000 есеге дейін өзгеріп, қайта қалпына келеді. Мысалы, әдеттегі ЭР сұйықтығы сұйық күйден гельге және керісінше, миллисекундтар ішінде өзгеруге қабілетті. Бұл құбылыс кейде оны ашқан американдық өнертапқыш Уиллис Уинслоутың есімімен аталады. Ол 1947 жылы осы құбылысқа АҚШ патентін алған және 1949 жылы жарияланған мақала жазған.
Electrorheological (ER) fluids are suspensions of extremely fine non conducting but electrically active particles (up to 50 micrometres diameter) in an electrically insulating fluid. The apparent viscosity of these fluids changes reversibly by an order of up to 100,000 in response to an electric field. For example, a typical ER fluid can go from the consistency of a liquid to that of a gel, and back, with response times on the order of milliseconds. The effect is sometimes called the Winslow effect after its discoverer, the American inventor Willis Winslow, who obtained a US patent on the effect in 1947 and wrote an article published in 1949.
ER әсері
Көрінетін тұтқырлықтың өзгеруі қолданылатын электр өрісіне байланысты, яғни пластиналар арасындағы қашықтыққа бөлінген потенциалға. Бұл өзгеру тұтқырлықтың қарапайым өзгеруі емес, сондықтан бұл сұйықтықтар енді «электрореологиялық сұйықтықтар» (ER сұйықтықтары) деп белгілі, бұрынғы «электртұтқыр сұйықтықтар» термині қолданылмайды. Бұл эффект электр өрісіне тәуелді серпімділік шегі ретінде жақсы сипатталады. Қоздырылған кезде электрореологиялық сұйықтық Бингем пластикасы (вискоэластикалық материалдың бір түрі) сияқты мінез-құлық танытады, оның серпімділік шегі электр өрісінің күшімен анықталады. Серпімділік шегіне жеткеннен кейін сұйықтық сұйықтық ретінде ағып өтеді, яғни, үстемелі серпімділік кернеуі деформация жылдамдығына пропорционалды (ал Ньютон сұйықтығында серпімділік шегі болмайды және кернеу деформацияға тікелей пропорционалды). Осылайша, сұйықтықтың қозғалысқа қарсы кедергісі қолданылатын электр өрісін реттеу арқылы басқарылуы мүмкін.
The change in apparent viscosity is dependent on the applied electric field, i. e. the potential divided by the distance between the plates. The change is not a simple change in viscosity, hence these fluids are now known as ER fluids, rather than by the older term Electro Viscous fluids. The effect is better described as an electric field dependent shear yield stress. When activated an ER fluid behaves as a Bingham plastic (a type of viscoelastic material), with a yield point which is determined by the electric field strength. After the yield point is reached, the fluid shears as a fluid, i. e. the incremental shear stress is proportional to the rate of shear (in a Newtonian fluid there is no yield point and stress is directly proportional to shear). Hence the resistance to motion of the fluid can be controlled by adjusting the applied electric field.
Құрастыру және теория
ER сұйықтықтары – смарт сұйықтықтардың бір түрі. Қарапайым ER сұйықтығын жүгері ұнын жеңіл өсімдік майына немесе (жақсырақ) силикон майына араластыру арқылы жасауға болады. Бұл эффектті түсіндіру үшін екі негізгі теория бар: интерфейстік кернеу немесе «су көпірі» теориясы және электростатикалық теория. Су көпірі теориясы үш фазалы жүйені қарастырады, онда бөлшектер үшінші фазаны қамтиды, ол негізгі фазалық сұйықтықпен (мысалы, май) араласпайтын басқа сұйықтық (мысалы, су) болып табылады. Электр өрісі қолданылмағанда үшінші фаза бөлшектерге күшті тартылады және олардың ішінде тұрақтанады. Бұл ER сұйықтығы – сұйықтық тәрізді мінез-құлық көрсететін бөлшектердің суспензиясы екенін білдіреді. Электр өрісі қолданылғанда үшінші фаза электроосмоз арқылы бөлшектердің бір жағына итереді және тізбектер құру үшін жақын орналасқан бөлшектерді байланыстырады. Бұл тізбектік құрылым ER сұйығының қатты денеге айналғанын көрсетеді. Электростатикалық теория тек екі фазалы жүйені қарастырады, онда диэлектрлік бөлшектер электр өрісімен үйлесетін тізбектерді құрайды, бұл магнитореологиялық (MR) сұйықтықтардың жұмыс істеу принципіне ұқсас. ER сұйығының қатты фазасы оқшаулағышпен қапталған өткізгіштен жасалған. Бұл ER сұйығы су көпірі моделі бойынша жұмыс істей алмайды. Дегенмен, кейбір ER сұйықтары электростатикалық эффект арқылы жұмыс істейтінін көрсетсе де, бұл барлық ER сұйықтарының осылай жұмыс істейтінін дәлелдемейді. Электростатикалық эффект негізінде жұмыс істейтін ER сұйығының артықшылығы – ағып кету тогының болмауы, яғни тұрақты ток қаупі жоқ. Әрине, ER құрылғылары электрлік конденсаторлар ретінде мінез-құлық көрсететіндіктен және ER эффектінің басты артықшылығы жауап беру жылдамдығы болғандықтан, айнымалы ток күтілуі керек. Бөлшектер электрлік белсенді. Олар ферроэлектрлік болуы мүмкін немесе, жоғарыда айтылғандай, оқшаулағышпен қапталған өткізгіш материалдан немесе электроосмотикалық белсенді бөлшектерден жасалуы мүмкін. Ферроэлектрлік немесе өткізгіш материал болған жағдайда бөлшектердің диэлектрлік тұрақтылығы жоғары болады. Мұнда өткізгіштің диэлектрлік тұрақтылығына қатысты шатасу тууы мүмкін, бірақ «егер жоғары диэлектрлік тұрақтылығы бар материалды электр өрісіне орналастырса, сол өрістің күші диэлектриктің көлемінде өлшенетіндей азаяды» (негізгі бетке қараңыз: Диэлектрлік тұрақты), ал электр өрісі идеалды өткізгіште нөлге тең болғандықтан, осы контексте өткізгіштің диэлектрлік тұрақтылығы шексіз болады. ER эффектісіне әсер ететін тағы бір фактор – электродтардың геометриясы. Параллель ойықтары бар электродтарды енгізу ER эффектін сәл арттырды, ал перпендикуляр ойықтары бар электродтар ER эффектін екі есе арттырды. Электродтарды электрлік полярланатын материалдармен қаптау арқылы ER эффектін айтарлықтай арттыруға болады. Бұл диэлектрофорездің әдеттегі кемшілігін пайдалы эффектке айналдырады. Сонымен қатар, ол ER сұйығындағы ағып кету тогын азайтады. Гигант электрореологиялық (GER) сұйығы 2003 жылы ашылды. Басты мәселе – бөлшектерді дайындау үшін оксаль қышқылының қолданылуы, өйткені ол күшті органикалық қышқыл.
ER fluids are a type of smart fluid. A simple ER fluid can be made by mixing cornflour in a light vegetable oil or (better) silicone oil. There are two main theories to explain the effect: the interfacial tension or 'water bridge' theory, and the electrostatic theory. The water bridge theory assumes a three phase system, the particles contain the third phase which is another liquid (e. g. water) immiscible with the main phase liquid (e. g. oil). With no applied electric field the third phase is strongly attracted to and held within the particles. This means the ER fluid is a suspension of particles, which behaves as a liquid. When an electric field is applied the third phase is driven to one side of the particles by electro osmosis and binds adjacent particles together to form chains. This chain structure means the ER fluid has become a solid. The electrostatic theory assumes just a two phase system, with dielectric particles forming chains aligned with an electric field in an analogous way to how magnetorheological fluid (MR) fluids work. An ER fluid has been constructed with the solid phase made from a conductor coated in an insulator. This ER fluid clearly cannot work by the water bridge model. However, although demonstrating that some ER fluids work by the electrostatic effect, it does not prove that all ER fluids do so. The advantage of having an ER fluid which operates on the electrostatic effect is the elimination of leakage current, i. e. potentially there is no direct current. Of course, since ER devices behave electrically as capacitors, and the main advantage of the ER effect is the speed of response, an alternating current is to be expected. The particles are electrically active. They can be ferroelectric or, as mentioned above, made from a conducting material coated with an insulator, or electro osmotically active particles. In the case of ferroelectric or conducting material, the particles would have a high dielectric constant. There may be some confusion here as to the dielectric constant of a conductor, but "if a material with a high dielectric constant is placed in an electric field, the magnitude of that field will be measurably reduced within the volume of the dielectric" (see main page: Dielectric constant), and since the electric field is zero in an ideal conductor, then in this context the dielectric constant of a conductor is infinite. Another factor that influences the ER effect is the geometry of the electrodes. The introduction of parallel grooved electrodes showed slight increase in the ER effect but perpendicular grooved electrodes doubled the ER effect. A much larger increase in ER effect can be obtained by coating the electrodes with electrically polarisable materials. This turns the usual disadvantage of dielectrophoresis into a useful effect. It also has the effect of reducing leakage currents in the ER fluid. The giant electrorheological (GER) fluid was discovered in 2003, The major concern is the use of oxalic acid for the preparation of the particles as it is a strong organic acid.
Қолданбалар
ER сұйықтықтары көбінесе жылдам әрекет ететін гидравликалық клапандар мен муфталарда қолданылады, мұнда пластиналар арасындағы арақашықтық 1 мм шамасында, ал қолданылатын потенциал 1 кВ шамасында болады. Қарапайым тілмен айтқанда, электр өрісі қолданылғанда ER гидравликалық клапан жабылады немесе ER муфтасының пластиналары біріктіріледі, ал электр өрісі алынғанда гидравликалық клапан ашылады немесе муфта пластиналары босатылады. Басқа да кең таралған қолданыстарға ER тежегіштері (бір жағы бекітілген муфта ретінде қарастырыңыз) және соққы сіңіргіштер (жабық гидравликалық жүйелер ретінде қарастырылуы мүмкін, онда соққы сұйықтықты клапан арқылы соруға пайдаланылады) жатады. Бұл сұйықтықтардың көптеген жаңа қолданыс орындары бар. Мүмкін болатын қолданыстардың қатарында – дәл абразивті жылтырату, сондай-ақ тактильді контроллерлер мен тактильді дисплейлер бар. ER сұйықтығы икемді электроникада да қолданылуы мүмкін екені ұсынылған, сұйықтық иілгіш экрандар мен пернетақталар сияқты элементтерге енгізілген, онда сұйықтықтың тұтқырлығын өзгерту арқасында иілгіш элементтер пайдалану үшін қатаңдалып, пайдаланылмағанда иіліп, жиырылуы мүмкін. Motorola компаниясы 2006 жылы мобильді құрылғыларға қатысты патентке өтініш берген.
The normal application of ER fluids is in fast acting hydraulic valves and clutches, with the separation between plates being in the order of 1 mm and the applied potential being in the order of 1 kV. In simple terms, when the electric field is applied, an ER hydraulic valve is shut or the plates of an ER clutch are locked together, when the electric field is removed the ER hydraulic valve is open or the clutch plates are disengaged. Other common applications are in ER brakes (think of a brake as a clutch with one side fixed) and shock absorbers (which can be thought of as closed hydraulic systems where the shock is used to try to pump fluid through a valve). There are many novel uses for these fluids. Potential uses are in accurate abrasive polishing and as haptic controllers and tactile displays. ER fluid has also been proposed to have potential applications in flexible electronics, with the fluid incorporated in elements such as rollable screens and keypads, in which the viscosity changing qualities of the fluid allowing the rollable elements to become rigid for use, and flexible to roll and retract for storing when not in use. Motorola filed a patent application for mobile device applications in 2006.
Проблемалар мен артықшылықтар
Негізгі мәселе – ER сұйықтықтары суспензиялар болып табылады, сондықтан уақыт өте келе тұрып қалуға бейім. Сондықтан, жетілдірілген ER сұйықтықтары бұл мәселені қатты және сұйық компоненттердің тығыздықтарын сәйкестендіру немесе нанобөлшектерді пайдалану арқылы шешеді, бұл ER сұйықтықтарын магнитореологиялық сұйықтықтардың дамуымен үйлестіреді. Тағы бір мәселе – ауаның түсірілу кернеуі ~ 3 кВ/мм құрайды, бұл ER құрылғыларының жұмыс істеуі үшін қажетті электр өрісіне жақын. Артықшылығы – ER құрылғысы әсерді басқару үшін қолданылатын электр қуатынан әлдеқайда көп механикалық қуатты басқара алады, яғни ол қуат күшейткіші ретінде жұмыс істей алады. Бірақ басты артықшылығы – жауап беру жылдамдығы. Мұндай үлкен механикалық немесе гидравликалық қуатты осылай жылдам басқара алатын басқа да аз ғана әсерлер бар. Өкінішке орай, қырқу немесе ағын режимінде қолданылатын көптеген электрореологиялық сұйықтықтардың байқалатын тұтқырлықтың артуы салыстырмалы түрде шектеулі. ER сұйықтығы Ньютондық сұйықтықтан жартылай кристалданыған "жартылай қатты қоймалжың" күйге өтеді. Дегенмен, электрлік сұйықтыққа қосымша қысым түсіргенде, сұйықтан қатты фазаға толық көшуге болады. Бұл эффект электрореологиялық Брайль дисплейлерін және өте тиімді муфталарды жасау үшін қолданылды.
A major problem is that ER fluids are suspensions, hence in time they tend to settle out, so advanced ER fluids tackle this problem by means such as matching the densities of the solid and liquid components, or by using nanoparticles, which brings ER fluids into line with the development of magnetorheological fluids. Another problem is that the breakdown voltage of air is ~ 3 kV/mm, which is near the electric field needed for ER devices to operate. An advantage is that an ER device can control considerably more mechanical power than the electrical power used to control the effect, i. e. it can act as a power amplifier. But the main advantage is the speed of response. There are few other effects able to control such large amounts of mechanical or hydraulic power so rapidly. Unfortunately, the increase in apparent viscosity experienced by most Electrorheological fluids used in shear or flow modes is relatively limited. The ER fluid changes from a Newtonian liquid to a partially crystalline "semi hard slush". However, an almost complete liquid to solid phase change can be obtained when the electrorheological fluid additionally experiences compressive stress. This effect has been used to provide electrorheological Braille displays and very effective clutches.