Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Изучение электрически проводящих жидкостей в присутствии электрических полей
Study of electrically conducting fluids in the presence of electric fields
Электрогидродинамика (ЭГД), также известная как электродинамика жидкостей (ЭДЖ) или электрокинетика, – это изучение динамики электрически заряженных жидкостей. Она охватывает движения ионизированных частиц или молекул и их взаимодействие с электрическими полями и окружающей средой. Этот термин можно считать синонимом более сложной электростриктивной гидродинамики. ESHD включает следующие типы механизмов переноса частиц и жидкостей: электрофорез, электрокинез, диэлектрофорез, электроосмос и электроротация. В общем случае, эти явления связаны с прямым преобразованием электрической энергии в кинетическую и наоборот. В первом случае, сформированные электростатические поля (ESF) создают гидростатическое давление (HSP, или движение) в диэлектрических средах. Если эти среды являются жидкостями, возникает поток. Если диэлектрик – вакуум или твердое тело, поток не образуется. Этот поток может быть направлен на электроды, обычно для их перемещения. В этом случае движущаяся конструкция функционирует как электродвигатель. Практические области применения ЭГД включают ионизаторы воздуха, электрогидродинамические двигатели и системы охлаждения на основе ЭГД. Во втором случае происходит обратный процесс. Поток среды, приводимый в движение в сформированном электростатическом поле, добавляет энергию в систему, которая воспринимается электродами в виде разности потенциалов. В этом случае конструкция функционирует как электрический генератор.
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.
Электрокинетика воды
В октябре 2003 года доктор Дэниел Квок, доктор 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 перекачки жидкости через крошечные микроканалы с перепадом давления. Эта технология может привести к созданию практичного и экологически чистого устройства накопления энергии, способного заменить батареи в таких устройствах, как мобильные телефоны или калькуляторы, которые можно будет заряжать, просто сжимая воду до высокого давления. Давление будет высвобождаться по мере необходимости, чтобы жидкость протекала через микроканалы. Когда вода движется или обтекает поверхность, ионы в воде "скользят" по твердой поверхности, оставляя ее слегка заряженной. Таким образом, кинетическая энергия движущихся ионов преобразуется в электрическую энергию. Хотя мощность, генерируемая одним каналом, крайне мала, использование миллионов параллельных микроканалов позволяет увеличить выходную мощность. Это явление потокового потенциала, связанное с течением воды, было открыто в 1859 году немецким физиком Георгом Германном Квинке.
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.
Электрокинетическая нестабильность
Потоки жидкости в микро- и наножидкостных устройствах часто стабильны и сильно демпфируются вязкими силами (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 электрокинетических неустойчивостей (EKI). Градиенты проводимости широко распространены в электрокинетических процессах на чипе, таких как методы предварительной концентрации (например, усиление поля для накопления образца и изоэлектрическое фокусирование), многомерные анализы и системы с нечетко определенным составом образца. Динамика и периодическая морфология электрокинетических неустойчивостей аналогичны другим системам с неустойчивостями Рэлея-Тейлора. Особый случай плоской геометрии с однородной инжекцией ионов снизу приводит к математической модели, идентичной конвекции Рэлея-Бенара. EKI могут быть использованы для быстрого смешивания или могут вызывать нежелательную дисперсию при введении, разделении и накоплении образца. Эти неустойчивости вызваны сочетанием электрических полей и градиентов ионной проводимости, что приводит к возникновению электрической объемной силы. Это сочетание создает электрическую объемную силу в объеме жидкости, за пределами электрического двойного слоя, которая может генерировать временные, конвективные и абсолютные неустойчивости потока. Электрокинетические потоки с градиентами проводимости становятся неустойчивыми, когда электровискозное растяжение и складывание интерфейсов проводимости растут быстрее, чем диссипативное действие молекулярной диффузии. Поскольку эти потоки характеризуются низкими скоростями и малыми масштабами длин, число Рейнольдса меньше 0,01 и поток является ламинарным. Начало неустойчивости в этих потоках лучше всего описывается как электрическое "число Рэлея".
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".
Различные
Жидкости могут быть напечатаны в наномасштабе с использованием пироэлектрогидродинамического метода.