Введение

Изучение электрически проводящих жидкостей в присутствии электрических полей

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.

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.

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".

Различные

Жидкости могут быть напечатаны в наномасштабе с использованием пироэлектрогидродинамического метода.