The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Adam D. Wexler; M&#243;nica L&#243;pez S&#225;enz; Oliver Schreer; Jakob Woisetschl&#228;ger; Elmar C. Fuchs

doi:10.3791/51819

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engenharia

הכנת גשרי Electrohydrodynamic מנוזלי דיאלקטרי פולאר

Published: September 30, 2014

doi:

10.3791/51819

Adam D. Wexler¹, Mónica López Sáenz², Oliver Schreer², Jakob Woisetschläger³, Elmar C. Fuchs¹

¹Applied Water Physics,Wetsus – Centre of Excellence for Sustainable Water Technology, ²IRCAM GmbH, ³Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics,Graz University of Technology

Summary

גשרי נוזל electrohydrodynamic אופקי ואנכיים הם כלים פשוטים ורבים עוצמה לחקר האינטראקציה של שדות חשמליים בעוצמה גבוהה ונוזלי דיאלקטרי קוטביים. בניית מנגנון בסיסי ודוגמאות מבצעיות, כוללים תמונות תרמוגרפיות, לשלושה נוזלים (לדוגמא, מים, DMSO, וגליצרול) מוצגים.

Abstract

גשרים אופקי ואנכי נוזל כלים פשוטים ורבים עוצמה לחקר האינטראקציה של שדות חשמליים בעוצמה גבוהה (8-20 ק / סנטימטר) ונוזלי דיאלקטרי קוטביים. גשרים אלה ייחודיים מגשרי נימים שבהם מפגינים יכולת הרחבה מעבר לכמה מילימטרים, יש דפוסי העברת מסה דו כיווני מורכבים, ולפלוט אינו פלאנק קרינת אינפרא אדום. מספר הממסים המשותפים יכול ליצור גשרים כאלה, כמו גם פתרונות מוליכות נמוכים והשעיות colloidal. ההתנהגות מקרוסקופית נשלטת על ידי electrohydrodynamics ומספקת אמצעי לחקר זרימת תופעות נוזל ללא הנוכחות של קירות נוקשה. לפני תחילתה של תופעה חשובה כמה גשר נוזלי ניתן להבחין ביניהם גובה קידום מניסקוס (הרטבה חשמלית), במחזור בתפזורת נוזל (השפעת Sumoto), והפליטה של טיפות טעונות (electrospray). האינטראקציה בין פני השטח, קיטוב, וכוחות עקירה ניתן לבדוק באופן ישיר על ידימשתנה מתח שיושם ואורך גשר. השדה החשמלי, בסיועו של כוח הכבידה, מייצב את הגשר הנזיל כנגד חוסר יציבות ריילי-Plateau. בניית המנגנון בסיסי עבור שתי האורינטציה אנכית ואופקית יחד עם דוגמאות מבצעיות, כוללים תמונות תרמוגרפיות, לשלושה נוזלים (לדוגמא, מים, DMSO, וגליצרול) מוצגים.

Introduction

האינטראקציה בין שדות חשמליים ותוצאות עניין נוזליים במספר הכוחות המתפתחים בתוך תפזורת החומר. במערכות דיאלקטרי נוזל אמיתיות, הדרגתיים השדה שאינו זניח וגיאומטריות שבירת סימטריה לגרום למספר תופעות לכאורה מוזרות. הרץ היה אחד הראשונים לציין התנועה הסיבובית במערכות דיאלקטרי נוזל מוצק ^1. Quincke ציין כי מתח interfacial בין שני נוזלים לא שונתה רק על ידי היישום של שדה חשמלי חיצוני, אלא ששינוי זה הביא למאמץ של כוחות על נוזלי הגוף ויכול לשמש כדי לגרום לתנועה סיבובית ^2. ארמסטרונג גילה את גשר המים הצף בשנת 1893 ³ שנותר טריק מסיבה מסתורי עד לאחרונה כאשר פוקס ועמיתים לעבודה בחנו מכניקת תחבורה המונית ותשלום ^4,5 ונפתחו מחדש למנגנונים שבאמצעותם גשרים אלה מהווים חקירה מדעית רצינית. יש לי שדות חשמליים ability להרים נוזלים נגד הכוח הכבידה כעבודתו של Pellat על עליית נוזל דיאלקטרי בין האלקטרודות צלחת מקבילות תערוכות ^6. פעולת ההרמה זה מראה את תלות תדר וסופו של דבר יכולה להיות מתואר באמצעות מותח לחץ מקסוול ^7. זה חשוב כאשר בוחן את עליית רמת הנוזל הקשורים ל( EHD) גשרי נוזל electrohydrodynamic שבתנאים AC מראה תלות בתדירות ⁸ דומה להרטבה חשמלית על דיאלקטרי (EWOD) ו( DEP) זרימה המונית dielectrophoretic ^9. יתר על כן, היישום של שדות חשמליים פוטנציאליים גבוהים הוא חשוב בשליטה על המטוס נוזלי להיפרד והאינטראקציה של השדה החשמלי עם נוזלים חיונית להבנת התהליך החשוב בתעשייה של atomization electrospray ^10,11.

שדה חשמלי חיצוני אינו רק משפיע על אנרגיית פני השטח. בגלל הפעולה של קיטוב ומאמץ גזירה, תבניות זרימה יכולהיוקם. דוגמא אחת היא מחזור הדם של נוזלים בנוכחות שדות חשמליים הומוגניות. בזאת זרמי electroconvective הוקמו בתפזורת הנוזל מונעת על ידי לחצים גזירה. Sumoto הוכיח כי מנוע נוזל יכול להיות נבנה באמצעות הרוטור זכוכית המכיל גם נוזל קוטבי או מוט מתכת שקוע באמבט דיאלקטרי שאינו קוטבי וממוקם בתוך שדה חשמלי הומוגניות ^12. ניתוח מאוחר יותר על ידי אוקאנו משמש קירוב שדה הומוגנית ¹³ כדי לפתור את הבעיה הרוטציה שרק יכל איכותית שתתאים לתוצאות הניסויים ונדרש נוזלי דיאלקטרי להגיב כגוש יחיד. חוקרים אחרים על הנושא החמיצו את הנקודה לחלוטין כפי שהם דווחו בטעות וחקרו את השפעת Sumoto כרמת נוזל לעלות ^14-16 בתגובה לעבודת השדה החשמלי חלוץ ידי Pellat ^17. חשיבותה של הסימטריה משטח השבירה לתהליך הלוקליזציה של תשלום וstre גזירה שנוצרss ¹⁸ הוא חיוני להבנה למחקר על גשרי EHD נוזליים. המסה של מלצ'ר על אלקטרומכניקה רצף ¹⁹ מספקת בסיס תיאורטי מלא לטיפול בנוזלים בצובר ומפשטת משטחים חופשיים בתוך המגבלה הומוגנית איזוטרופיים. החשיבות של משטחים היא בכל זאת ברורה אפילו מנקודת מבט הרצף כמו האובדן של תוצאות סימטריה במאמץ גזירה שיכולה ליצור תנועה בתפזורת. צילום במקרה הכללי של כרכי נוזל ניידים דיסקרטיים אשר יכול להיות מקוטב והם כפופים לכוח תגובתי וכתוצאה מכך גישה אל פני השטח על, האינטראקציה השדה החשמלית יכולה להיות תחליף לשני Navier סטוקס ²⁰ וברנולי ^7,21,22 היחסים כדי לתאר את שפע של תופעות זרימת EHD כוללים גשרים נוזליים. מחקר נוסף של גשרים נוזליים יכול לשפר מספר טכנולוגיות EHD מבוסס כגון הזרקת דיו הדפסת ^23-25, מיקרו וננו חומרים עיבוד ^26-28, משלוח סמים ²⁹, 30 יישומים, ביו ^31,32, והתפלת ^33.

השיטות שתוארו כאן לספק גישה להיווצרות של גשרי נוזל EHD אשר נמצאות בנוזלים קוטביים מולקולות שיש מומנט דיפול קבוע. התוצאות שהוטלו הומוגניות השדה חשמלי בקיטוב חלקי של אוכלוסיית דיפול מניב שינוי מקומי של permittivity דיאלקטרי כך חיזוק נוסף הדרגתיים שדה ^18,34,35. קיטוב זה מעורר כוח עקירה שבהתאם לעוצמתו היחסית של השדה מיושם יפיק מספר התגובות השונות נוזליים (ראה תרשימים 4-7) סופו של דבר וכתוצאה מכך ההיווצרות של גשר. הנוזל גם לפתח טיילור לזרום ^22,36 לאורך משטחי אלקטרודה במיוחד במקרים בהם יש כיום קצה חד על האלקטרודות. האפשרות של הזרקת מטען בקצוות חדים גם קיימת, והוא עולה בקנה אחד עםהיווצרות של שכבות heterocharge אשר יוצרות זרמי electroconvective בתפזורת נוזל ²² כך מקשרים את מערכת הגשר הנוזלית עם אפקט Sumoto ^12. יחסי EHD השלטון לגשרים בהרחבה במקומות אחרים למים ונוזלי קוטב אחרים ^22,36-38. גישות תיאורטיות אלה סובלים מגבלות מסוימות שיש לשקול בעת מתקרבים נתונים ניסיוניים. הטיפול מותח לחץ מקסוול ³⁶ אינו רגיש לheterogeneities שדה כמו גם שאינה אחידות בגשר הנוזלי. גישת EHD טהורה ³⁷ מספקת הגדרות מצב יציבה של מספר electrogravitational והקשר שלה להיבט יחס גשר; עם זאת, דינמיקת הזרימה ותופעות חולפות חשובות (למשל, יצירת גשר) לא חזו. שלושה מספרי ממדים שימושיים בעת ניתוח היציבות של הגשר ונגזרים כאן כפי שפורסם בעבר על ידי Marín & לוזה ³⁷ </sעד>. מספר electrocapillary (Ca _E) הוא מוגדר כיחס בין כוחות חשמליים ונימים:

שבו ε ₀ הוא permittivity הוואקום, ε _r permittivity דיאלקטרי היחסי של הנוזל, _t E הוא השדה החשמלי על פני הגשר, γ הוא מתח הפנים, _של ד _וl ד הם התחזיות אנכיות ואופקיות בקוטר כל כך כ להניב _{מ 'קוטר} D הממוצע. המספר בונד (בו) מתאר את האיזון בין כוחות משיכה ונימים:

כאשר G הוא תאוצת הכבידה, l הוא אורך הגשר החופשי, וV הוא גשר הנפח. מערכת היחסים ביןכבידה, נימים, וכוחות חשמליים יכולים לבוא לידי ביטוי במונחים של _E G מספר electrogravitational:

ההרחבה המרבית של גשר קשורה למתח שימושי בזמן שהזרם שזורם דרך הגשר קשור לאזור החתך, ולכן הקוטר. מערכות יחסים אלה בשילוב, לקבוע את גשר הנפח, ובכך להגדיר את האזור של יציבות עבור כל גשר נוזלי הפעלה מסוימת. העקומות האופייניות לגשר מים ניתנות באיור 3 אשר מציג רף תחתון שמתחתיו השדה המופעל הוא חלש מדי כדי להתגבר על כוחות מתח פנים וסף עליון ומעליו את המסה של הגשר גדולה מדי וכתוצאה מכך דולפת אשר משבשים נוסף השדה והתוצאות בקרע גשר.

הפינוק כללי יותרment של גשרי נוזל בממסים קוטביים ^19,22 מספק את תנאי לחץ בשילוב הפעלה עם הגשר לחזות את כוחות שלטון לזרום דינמיקה בהקשר של משוואה ברנולי שונה עם תנאי עקירה חשמליים נוסף לטווח הלחץ. בנוסף מערכת יחסים אונסגר ליציבות יון ²⁴ התאגדה בהסכם עם תצפיות ניסיוניות בכיוון שיווי משקל שאיבה ופליטת חום.

מספר הנוזלים הקוטביים נחקר כולל מים, כהלים אליפטי נמוכים יותר (לדוגמא, מתנול), poly-כהלים (למשל, גליצרול), dimethylsulfoxide (DMSO), וחומרים אורגניים אחרים קוטביים (למשל, dimethylformamide). נוזלים בלתי קוטביים דיאלקטרי (לדוגמא, הקסאן) אינם מציגים היווצרות גשר. נוזלי דיאלקטרי מסוגלים לתמוך בגשרים עד כה למדו ^8,22,37 שקר בתוך קבוצה מוגדרת היטב של פרמטרים פיזיים, אשר קובעים נקודת התחלה טובה FOr ניסויים נוספים: מוליכות נמוכות (σ <5 מייקרו-שני / סנטימטר), permittivity מתון סטטי יחסית (ε = 20-80), בינוניים עד מתח פנים גבוה (γ = 21-72 MN / מ '). מעניין מגוון רחב של צמיגויות (η = .3-987 MPA · שניות) עבודה בגשרים כאלה. בנוזלים עם גבוהה מספיק צמיגות כגון גליצרול ניתן למשוך גשר ישירות מהצובר הנוזלי (ראה איור 5), והוא חוליה חשובה בין כוחות dielectrophoretic וגשרים נוזליים. פתרונות יוניים (לדוגמא, NaCl _(aq)) הם הרסניים מאוד לגשר היווצרות ובמחקרים קודמים ⁴⁰ הוכחו להעלות את הטמפרטורה של הגשר, להקטין את אורך יחס מתח שימושי, וכדי להפחית את ההרחבה. התנהגות זו מיוחסת במידה רבה להשפעת המיגון האחראי על יונים מומסים כמו גם ההולכה נוכחית מוגברת אשר מפחיתה את הצימוד בין אלמנטי נפח נוזל והשדה החשמלי.

<p class = "jove_content"> בתופעות EHD רמת הרצף להתעורר פשוט כי תנאי הלחץ הדרושים המלווים electrostriction נמצאים רק בממשק שהנוזל ^21. יתר על כן, קיים קשר בין היציבות של גשרי נוזל EHD והיציבות של הממשקים במערכת. במקרה של ניסויים הכבידה מופחתים ⁴¹ תוצאות פני שטח הרחבת בכוח שקורע את הגשר לגזרים. כמו כן, אם פני השטח מוגבל מדי או שטח מגע subtending קטן הגשר צפוי לפתח אי יציבות. זה יכול להיות מתואר בגשרים שמוזנים על ידי צינור או במקרה של גשרים האנכיים שבו אלקטרודה אחת היא משכה כלפי מעלה מעל פני השטח – הגשרים וכתוצאה מכך הם פחות יציבים בפעולה לטווח ארוכה כפי שהם חסרים את זרימת הדינמיקה האופיינית שנמצאה במצב שבו יש גם המאגרים שטח גדול ללא תשלום. גשרים שקשרים למאגר הנוזל כלואים בתוך i מופע צינורותהצטברות ncreased תרמית ומתח פנים נופלים. זה אופייני שממשק אוויר באופן ספונטני טופס בתוך צינורות. גבולות זה מצב גם ההרחבה המרבית, כמו גם את משך החיים הממוצע של הגשר לגשרי נוזל מוגבל. ניתן להאריך גשרי מים משטח פתוחים לאורך מ"מ 35 ב35 ק בעוד שלא גשר יתמיד במתח כזה מאיץ בבידוד כנוזל מעדיפים מעברים למצב electrospray. כמו כן יש לי גשרי מים עיליים חופשיים גלגולים יציבות מתקרבים 10 שעות בתנאים מבוקרים, ואילו במערכות צינור האכיל את החיים הוא בדרך כלל פחות מ 2 שעות.

תופעות EHD נחשבות בדרך כלל רק ברמת הרצף. מספר מצומצם של מחקרים על הבסיס המולקולרי של גשרי נוזל שנערכו. מחקר ראמאן ⁴² באמצעות גשרי AC אנכיים חקר את להקת OH-מתיחה בין מולקולרית בהשוואה למים בכמות גדולה. כמה שינויים בscפרופילי attering לאחר היישום של השדה החשמלי מוצגים ליש מוצא מבני. באמצעות ספקטרוסקופיית בדיקה משאבת אמצע אינפרא אדום ultrafast על גשר צף מים ⁴³ החיים הרטט של רטט מתיחת OH של מולקולות HDO הכלולים בHDO: D ₂ O גשר מים נמצא (630 ± 50 fsec) קצר יותר מאשר למולקולות HDO בHDO בתפזורת: D ₂ O (740 ± 40 fsec), ואילו בניגוד לכך, דינמיקת thermalization הבאה ההרפיה הרטט היא הרבה יותר איטית (1,500 ± 400 fsec) מאשר בHDO בתפזורת: D ₂ O (250 ± 90 fsec). הבדלים אלה בדינמיקת ההרפיה אנרגיה חזקה מצביעים על כך שגשר המים ומים בכמות גדולה שונים בקנה מידה מולקולרי. יתר על כן, מחקר על פליטת אינפרא אדום של גשר מים צף גילה תכונה שאינה תרמית אשר יכול להיות בשל מעבר ממצב מעורר למצב היסוד של פס הולכה פרוטון ^44. נוסף reporte מחקר ראמאן האחרון יותרד כי במי DC גשרים יש הפצת רדיאלי בספקטרום שמצביע על הבדל יחסי בpH המקומי בין הליבה והמעטפת חיצונית של הגשר ^45. הפצת רדיאלי של מאפיינים פיזיים בתוך גשרי נוזל EHD נתמכה גם על ידי ניסויי פיזור UV קשיח ⁴⁶ אשר נותן הפצות רדיאלי סותרות בפרופילי הטמפרטורה וצפיפות ויכולה להיות מוסברים גם על ידי שיפוע במעלות מולקולריות של חופש או הנוכחות של שלב המשני כבועות ננו. המושג מאוחר יותר אינו נתמך על ידי מחקר רנטגן פיזור זווית קטנה ⁴⁷ בעוד הרעיון של רוטציה הפריעה (כלומר librations) נתמך מספקטרום פליטת אינפרא אדום ^44. כיוון הזרימה המועדף בגשרי נוזל EHD נובע משינויים בקינטיקה האוטומטי הניתוק. בהסכם עם העבודה של אונסגר ממצא זה טומן בחובו הבטחה לחיבור תופעות מולקולריות ורצף רמה <sup> 22. עדות נוספת לבסיס מולקולרי לתופעות EHD נמצאת בתצפית שפליטת חום מאגל דיאלקטרי יורדת באופן מקומי בתגובה לשדה החשמלי הגובר ומגיעה למינימום בדיוק לפני תחילתו של גשר (ראה איור 7).

גשרי נוזל EHD להציג הזדמנות לבחון את יחסי הגומלין בין הכוחות בקני מידת אורך מרובים וזה המטרה הספציפית של עבודה זו כדי לספק שיטה סטנדרטית לייצור סוגים של גשרים אלה במספר הנוזלים עם כל קרוב משפחה נטייה לכוח המשיכה שתומכת הופעתה של הסט המלא של תופעות אופייניות דן בעבר.

Protocol

.1 המלצות כלליות ללבוש כפפות חד פעמיות, ללא אבקה לאורך ההגדרה של הניסוי על מנת למנוע זיהום על ידי זיעה או שמן מהידיים. יש לנקות את כל כלי הזכוכית, אלקטרודות וכל חלקים אחרים שקשר עם הנוזל תחת מחקר, תשומת לב מיוחדת למניעת כניסתה של מזהמים שיכולים להתמוסס בשלב הנוזלי. באמצעות מד מוליכות, למדוד את מוליכות החשמלית של הנוזל שישמש בניסוי ולאשר שזה ≤1 מייקרו-שני / סנטימטר. .2 הגדרת ניסוי מערכת גשר אופקית (איור 1 א) הנח זוג פלטפורמות גובה מתכוונן על משטח שאינו ניצוח רמה. תקן את הפלטפורמה אחת במקום והר הפלטפורמה אחרת על במה תרגום ליניארי ממונעת שיש לו נסיעה מינימאלית של 25 מ"מ. צלחות בידוד מאובטחים (איור 1 א, j חלק) לthמשטח עליון דואר של הפלטפורמות להתאמה. שימוש בידוד צלחות שמעל בגודל, כך שהם תלויים מעל הפלטפורמות של לפחות 10 מ"מ מכל הצדדים. השתמש בחומרים נפוצים כגון טפלון, אקריליק, או חלון זכוכית. בחר את העובי כדי למנוע התמוטטות במתח המרבי המתוכנן. חבר את אספקת המתח הגבוה כוח (איור 1 א, מ 'חלק) על פי הוראות יצרן. קליפים תנין הלחמה לסוף של שניהם במתח הגבוה וחוטי קרקע. הצמד קצה אחד של זרוע תמיכה בנויה מחומר בידוד נוקשה על טבעת עומד עם מוט הבידוד הבולט אופקי מעל פלטפורמות הבידוד. הר חוטי קרקע ומתח גבוה לזרועות תמיכה באף אחת כמה הליפופים של איזולירבנד, קשרי חוט ניילון, או באמצעים מתאימים אחרים כך קליפים התנין בולטים כלפי מטה מעל הפלטפורמות מבודדת. אלקטרודה קליפ אחד פלטינה (איור 1 א, יא חלק) לכל אחד משני קליפים התנין. מקם את זרועות תמיכה כדי שחוט המתח הגבוה הוא מעל הפלטפורמה קבועה וחוט הקרקע הוא מעל הפלטפורמה נעה. מערכת גשר אנכית (איור 1b) צרף מהדק שאינו מוליך לבמת תרגום ליניארי, כך שהמהדק יכול לנסוע מינימום של 25 מ"מ. השתמש במהדק זה להחזיק את הכלי (איור 1b, אני חלק) שיהיה מחובר לחוט הקרקע. הר הרכבה זו למבנה תמיכה נוקשה אנכי. צרף מהדק שאינו מוליך דומה בקו ומתחת לתמיכה בשלב התרגום ליניארי. השתמש במהדק זה להחזיק את הכלי שיהיה מחובר לחוט מתח הגבוה. הפוך "מת מקל" (ראה איור 1 ג להמחשה) להשיג פיסת חומר קשיח שאינו מוליך כמו מוט זכוכית או פלסטיק ארוך 30-40 סנטימטר (איור &# 160; 1c, עמ 'חלק). צרף פיסת מוליך מתכת ארוכה 10-15 סנטימטר (איור 1 ג, q חלק) בקצה אחד של המוט באמצעות מספר הליפופים של איזולירבנד (איור 1 ג, r חלק) מיושם באופן חצה או חומר תיקון אחר. השתמש "מת המקל" כדי לגשר על אלקטרודות מתח והקרקע גבוהות עם סוף המתכת לאחר אספקת החשמל כבויה כדי להבטיח שהמעגל השתחרר לפני הטיפול בציוד. .3 מבצע של גשרים נוזליים גשרים נוזליים אופקי ממלא כל כלי (איור 1 א, אני חלק) עם מספיק נוזלים כדי להביא את המשטח עד למרחק של 1-5 מ"מ של זרבובית הכוס או שפה. עבור כלי (קוטר 60 מ"מ) המשמשים בהפגנה זו, להשתמש 67 גרם של נוזל למים, 74 גרם לDMSO, או 84.4 גרם לגליצרול. מניחים את 2 כלי על גבי פלטפורמת הבידוד כזה שהם Physבאופן לא בולט קשר עם אחד את השני במקום אחד כמו הפיות אבל קיר השפה ישר גם תעבוד. התאם את הגבהים הפלטפורמה, כך שהנוזל יהיה רק ליצור קשר עם אלקטרודה הפלטינה ולא קליפ התנין או חוט. שים לב ליישור האנכי, כך שהגשר וכתוצאה מכך הוא אופקי ברמה. מקם את האלקטרודות הפלטינה לתוך כלי נוזליים מולא באופן כל כך שהם מינימום של 15 מ"מ מעמדת הקשר שבו הגשר יהווה. הערה: בדרך כלל אלקטרודות ממוקמות בין מרכז הכלי והקיר הרחוק מהמקום שבי שני כלי ליצור קשר. גשרים נוזליים אנכיים השתמש בשני כלי נקיים, סגור עם יציאה נוזלית אחד כפי שמוצג באיור 1b, חלק i. ממלא כל כלי עם הנוזל הנחקר כך שאין בועות אוויר שנלכדו. הכנס אלקטרודה (איור 1b, k חלק) לכל כלי ולסגור את גap להחזיק את הנוזל במקום. הר שני כלי סגורים בתוך ווי התלייה שאינן מוליכה (ראה 2.2) באופן שהפתחים להצביע אחד כלפי שני. הוסף כמה טיפות של נוזל לפתיחה של צינור התחתון, כך שמשטח נוזל מעוקל בולט כמה מילימטרים מעל לשפת הכוס. להביא את הכלי העליון כלפי מטה, כך שזה רק אנשי הקשר התחתון אחד להרכיב גשר נימים קטן. חבר את יציאת מתח הגבוהה של החשמל (איור 1b, מ 'חלק) לכלי הנמוך מסוף אלקטרודה (נייח) והקרקע לכלי העליון (תרגום). תפעול מתח גבוה שיקולים כלליים לפני שתמשיך הלאה לאשר כי כל המשטחים יבשים ושאין בריכות, סרטים, או טיפות נוזל נמצאות על פלטפורמות הבידוד. לפני החלת כוח לניסוי מאשר כי אין מעגלים קצרים ושאין p קרקעהווה aths אשר יכול לגרום לאנשים או לציוד הבא במגע עם משטחי אנרגיה. כדי להיות בטוח בצעו את כל הנהלים ולבחון אזהרות יצרן אספקת חשמל במתח גבוה. במקרה של ספק להתייעץ אנשי בטיחות חשמל מוסמכים. הגדר את הקוטביות של ספק הכח (אם בחירה) לפני החלת כוח. בדרך כלל, להשתמש בקוטביות מתח חיובית כמו זה מספק גשרים יציבים יותר. הערה: גם קוטביות שלילית יכולה לשמש אך נוטה להניב השפעות אחראי החלל בולטות אשר יכולה להשפיע באופן משמעותי על התכונות הפיסיקליות של שני 48 הנוזל דיאלקטרי ומשפיעה על צפיפות מטען המקומית באזור הניסוי בשל ההבדל הפונקציונלי בשוקעת ולא מקור אלקטרונים תחת פוטנציאלים גבוהים כתשלום עודף ניתן לרסס על גבי מקיף מבני תמיכת בידוד. פתח את המגבלה הנוכחית באספקת החשמל כדי לספק לא יותר מ 5-6 mA של נוכחי. </ Li> בחר אחד משני פרופילי המתח שניתן ליישם – רמפה או צעד. השתמש ברמפת מתח כאשר ראשון מתחילה ומאפייני ביצועים של הנוזל עדיין לא ידועים. להנמיך את מגבלת המתח באספקת החשמל כדי לספק 0 ק. אפשר הפלט על אספקת החשמל ולאט לאט מתחיל להגדיל את מגבלת המתח בשיעור של כ 250 V / sec. שים לב למתח שבו הצתה הגשר מתרחש, זה הוא מתח סף הצתה המשוער (t V). השתמש בצעד מתח כדי להחיל במהירות מתח למערכת. להגדיר את מגבלת מתח אספקת החשמל לערך הרצוי מעל לסף ההצתה אשר נקבע על ידי שימוש ברמפת מתח למערכת הנוזלית תחת מחקר (ראה 3.3.2.1.3). אפשר הפלט על אספקת החשמל. הערה: צעד מתח יכול לגרום קשתי והפליטה של טיפות ועשויות לדרוש כמה seconds לפני צורות גשר יציבה. קשתי מפיק אוזון ומי חמצן וכתוצאה מכך מוליכות נוזלים מוגברות אם מותר להימשך יותר מכמה שניות. מומלץ להחליף את הנוזל עם חומר טרי אם קשתי היא בעיה. לייצב את הגשר הבא הצתה. לאשר הצתה גשר על ידי התבוננות זרם יציב של נוזל בין שני הכלים. הערה: זה יתרחש בדרך כלל בין 8-10 קילו וולט וילווה על ידי הולכה נוכחית בין 250-500 מייקרו-אמפר תלוי בנוזל המשמש. מנגינת הגשר להארכה על ידי הגדלת המתח ל10-15 קילו וולט עם צריכת זרם ~ 1,000 מייקרו-אמפר. הערה: הערך האמיתי יהיה תלוי בנוזל המשמש. להאריך את הגשר עד למרחק של כ 1 מ"מ לכל 1 קילו וולט מיושם מתח, למשל 15 מ"מ ל15 ק. במידת צורך, לכוון את הגשר בהתאם נוסף על הדרישות של הניסוי. הערה: ca גשר יציבn קיים במשך שעות רבות. נהלי כיבוי לכבות את הגשר על ידי השבתת התפוקה באספקת החשמל במתח הגבוה. המתן מספר שניות לקבלי אספקת הכח לפרוק וקריאת המתח ליפול לאפס. השתמש "מת המקל" שנבנה בסעיף 1.3 לקצרים מחזיקי אלקטרודה לפני טיפול בכל חלקי אנרגיה בעבר. .4 הדמיה הקרנת פרינג הכן צלחת שוליים בינארי על ידי הדפסת פסים שחורים על סרט שקוף ולהדביק את זה למסך מפזר זוהר ובוהק. בדוגמה זו, להשתמש בצלחת שוליים A4 (כלומר 297 מ"מ x 210 מ"מ). מניחים את צלחת השוליים מול תאורה אחורית, כך שהשולים מוקרנים על ניסיוני ההגדרה כולה. תמונות רשומות או עדיין או סרטים של דפוס השוליים באמצעות מספר רב של מצלמות דיגיטליות. עקוב אחר שינויים שn פני הנוזל, כמו גם שינויים באורך הנתיב האופטי של נוזל subtending על ידי ניתוח התמונות שתועדו ב4.1.3. הערה: כמותי ניתוח של השינויים שנצפו מתבצע באמצעות הערכת שוליים באמצעות חבילות תוכנה שונות, כגון תכנית IDEA זמינה באופן חופשי 49. הפרטים והשיקולים של ניתוח שולי הספציפיים מכוסים במקומות אחרים 49-51. הדמיה תרמוגרפיות הגדר את הטווח הדינמי של המצלמה תרמוגרפיות לפי הוראות היצרן. הערה: בדרך כלל כיול שתי נקודות הכוללת את טווח הטמפרטורות הצפוי היא מספיק כדי לספק רזולוציה תרמית טובה. רוב גשרי הנוזל לפעול בטווח הטמפרטורות 20-50 C °. לבצע תיקון emissivity וכיול טמפרטורה על ידי ההדמיה פני השטח הפתוח בהיקף של הנוזל תחת מחקר בטמפרטורות מתאימות לניסוי. מלא כלי זהה לשהשתמש בניסיוני ההגדרה עם הנוזל תחת מחקר בטמפרטורת חדר. מדוד את הטמפרטורה של הנוזל באמצעות thermoprobe טבילה כגון צמד תרמי מסוג K. להקליט תמונה של הנוזל באינפרא האדום. להעלות את הטמפרטורה של הנוזל לטמפרטורות צפויות בגשר באמצעות צלחת חמה או במיקרוגל. הערה: זה הוא בדרך כלל לא יותר מ 10 מעלות צלזיוס מתחת לנקודת רתיחת הנוזל (לדוגמא, 90 מעלות צלזיוס במשך מים). חזור על שלבים 4.2.2.2 ו4.2.2.3 לנוזל בטמפרטורה הגבוה. מקם את המצלמה מעט מעל גשר אופקי ורמה עם גשר אנכי על מנת למקסם את שטח הפנים שנרשמו. הערה: בשל הקליטה החזקה של אמצע וארוך לנופף קרינת אינפרא אדום על ידי רוב הנוזלים קוטביים, רק חלוקת טמפרטורת פני השטח תהיה גלויה. רשומה אינפרא אדום של מערכת הגשר מתחיל לפני הפעלת התפוקות על פואספקת wer וממשיך עד הניסוי הגיע למסקנה או חיץ המצלמה הוא מלא.

Representative Results

גשרי נוזל Electrohydrodynamic נבדלים מגשרי נוזל נימים על ידי שלוש תכונות: 1) זרימה, 2) הרחבה, 3) פליטת תרמית; השוואה מוצגת באיור 2. לפני היישום של נימי גשרים קטנים מתח לעתים קרובות נצפים בין שני כלי כאשר רמת הנוזל היא אפילו עם הפיות בתצורה אופקית. הם בלתי נמנעים בתצורה האנכית כאשר מרחק ההפרדה הוא פחות מכמה מילימטרים. מתח יכול להיות מיושם גם ברמפה (ראה 3.4.2.1 בפרוטוקול) או שלב (ראה 3.4.2.2 בפרוטוקול). מתחים מתחת לערך הסף (t V) לא לייצר גשר EHD אבל יכול לגרום לכמה תופעות אחרות כגון הרחבת נפח נוזל (איור 4), תנועה כלפי מעלה של קו מגע אלקטרודה הנוזלי (איור 5), סיבוב וזרימה של הנוזל תפזורת (איור 6), electrospraying והיווצרות סילון (איור 7). t V הוא רכושם של הנוזל דיאלקטרי תחת חקירה, המשמשים הריכוז והסוג של בוחרים הנוכחיים, כמו גם את אווירת המיגון. הסף להצתה הוא גם פונקציה של הפרדת כלי. בעוד ההצתה גשר אפשרית עם הפרדות של מילימטרים רבים המתח להחיל חייבת להיות גבוה יותר ותקופת רגיעה ארוכה יותר ניתן להבחין בelectrospraying אלים יותר לפני חיבור נוזלי יציב נוצר. לדוגמא, עם מאגרי מים מלאים מופרדים על ידי 5 מ"מ, עליות t V ל17-20 קילו וולט או גבוה יותר. ברגע t V כבר חרג שילוב של קשתי וריסוס סימני הצתה (8 א דמויות, 9 א) ואחריו באופן מיידי על ידי ההיווצרות של גשר דק <1 מ"מ בקוטר. ברגע שהגשר הוקם נוכחי יזרום אחריו נפיחות של הגשר (8b הדמויות, 9b) ל3-5 בקוטר מ"מ, בהתאם לתנאים. ברבים מהנוזלים למדו עד כה הזמן מהצתת גשר לנפיחות הוא בין 10-500 אלפיות שני והיא במידה רבה פונקציה המתח מיושם, מרחק הפרדה, וצמיגות נוזל 8,22,37. בגשרים אופקיים כיוון זרימה תלוי בתנאי הספציפיים. בדרך כלל זרימת נטו יוצאת מהאנודה לכיוון הקתודה כאשר קוטביות הגבוה היא חיובית. על הרחבה (8c איור) הקוטר ינוע בתדרים נמוכים 1-10 הרץ. תנודות בתדירות גבוהות יותר להתרחש גם ושהם נראים כגלי שטח. אופטי גלי צפיפות פעילים גלויים בגוף תאורה אחורית עם דפוס שוליים בינארי. פונקצית התגובה הספציפית המערכת תלויה במערכת הנוזלית, כמו את מאפייני אספקת החשמל. גשרים אנכיים דומים במובנים רבים לhפקי אלה; זאת, אלה לא מראים עדות לזרימה המונית חזקה ויש לי צורה אמפורה-מוגזמת כלל. הגדלת תוצאות מתח נהיגה בעמודה גלילית (ג 9 הנוזלי והרחבים קצת טובה מאשר (לדוגמא, 1.25 > התפרקות הגשר יכולה להתרחש באמצעות מספר המסלולים. סביר להניח שזה יקרה בזמן שהגשר או מורחב רחוק מדי למתח ההפעלה או כאשר המתח מיושם הוא הוריד מתחת לערך הדרוש כדי לשמור על גשר באורך נתון כפי שחזה במספר electrogravitational. הפרידה בדרך כלל להמשיך דרך צמצום קוטר (8D דמויות, 9d) עד שיגיע לערך קריטי וחוסר יציבות המישור-ריילי לשבש (8e דמויות, 9e) גשר כמו ליגנד למחרוזת של טיפות שתעבורנה ב שדה חשמלי. מצב אחר של שיבוש גשר, בדרך כלל נמצא רק בתצורה אופקית, מתרחש כאשר קוטר הגשר הופך גדול מדי וכתוצאה מכך מסה גבוהה וסילון כלפי מטה של מים. התנהגות זו יכולה להוביל לתנודות של הגשר עם אפקט של "מתנדנד", שעלול לגרום לגשר לערער שוב לטיפין. Brid בקוטר גדולGES יכול להתרחש כתוצאה מלחץ עודף ההידרוסטטי ראש בכלי אחד עקב זרימה חד כיווני שתוצאת מצב גלישה; לחלופין להגדיל את המתח לערכים גבוהים רק עם הפרדה קטנה יפיק גשר רחב מאוד או "כביש מים". גשרים בקוטר גדולים אלה יכולים גם להיכשל על ידי קורסת לתוך טיפה אחת גדולה שנופלת כלפי מטה תחת כובד. .1 ציוד איור בסיסי לניסויי גשר נוזלי EHD. ייצוג סכמטי של (ב) מערכת ניסיונית אופקית (א) ואנכית אופיינית ליצירת גשרי נוזל EHD. כמה פרטים מכאניים כגון רצועות הרכבה ותומך אלקטרודה הושמטו לבהירות. הרכיבים החיוניים הם כלי נוזליים (i), בידוד פלטפורמות או מוUNTS (j), אלקטרודות (k), ואספקת מתח גבוה חשמל (מ '). שלבי תרגום ליניארי מומלצים להפרדה בטוחה של שני כלי פעם אחת גשר הוקם. המקל המת שמוצג בפנל (ג) מורכב מחתיכה של חומר שאינו מוליך נוקשה (עמ '), מוט מוליך מתכת (q), וכמה הליפופים של איזולירבנד מיושם באופן מוצלב או חומר תיקון אחר (r) . סוף המתכת משמש ליצירת קצרה בין שתי אלקטרודות לאחר סיום הניסויים כדי להבטיח שהמעגל השתחרר לפני הטיפול בציוד. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 2 השוואה בין גשרי מים נימים וEHD.גשר נימים אופקי יכול רק להקיף פער קטן של 1.5 מ"מ () ואילו, גשרי EHD אופקיים בשלושה מתחים שונים 4 ק ו (ב), 6 ק (ג), 8 קילו וולט (ד) בקלות לעבור את הפער. שים לב שגשרי EHD לזרום על הפיות ואילו גשר נימים מושעה בין הפיות. כמו כן גשר הנימים האנכי (ה) יש מותניים צרים יותר (~ קוטר 1.5 מ"מ.) וניתן להאריך ~ רק 3.3 מ"מ שלא כמו גשרי EHD אנכיים אשר להרחבה. שלושה גשרי EHD מונעים ב 4 ק (ו), 6 קילו וולט (ז), ו -8 קילו וולט (h) באותו מרחק ההפרדה כגשר נימים מוצגים. מתח גבוה יותר מגדיל קוטר גשר מותניים, מהירות זרימה וחימום מוגבר כתוצאה מפיזור הספק מוגבר בגשר. עלייה בהיווצרות בועה הוא ציין גם במתח גבוה יותר כמו מסיסות גז יורדת עם עליית טמפרטורה. סרגל קנה המידהבכל המסגרות הוא 1 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 3 עקומות אופייניות לגשר מים נוזלי. היחסים נוכחי המתח לגשרי מים נוזליים ב 0, 5, 10, מרחק הפרדה 15 מ"מ הוא להתוות. סף תחתון שמתחתיו אין גשר נוזלי יהווה (ראה תמונה הבלעה בפינה השמאלית תחתונה), וסף עליון ומעליו גשרים (תמונות הבלעה 1-4) לא יציבה מחויב האזור של יציבות. עבור רוב הגשרים עם כמה הארכה למדידה (כלומר ≥ 5 מ"מ) הכולל פיזור ההספק נמצא בין 10 ו20 ואט. הקרע של גשר מעבר לסף העליון לעתים קרובות יבוא בעקבות רצף אירועים מתקדמים מoperat הנורמלייון (הבלעה 1), לדליפה (הבלעה 2), נפול (הבלעה 3), ולבסוף קרע (הבלעה 4). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור הרחבת נפח .4. פני הנוזל כולו של שני כלי ניתן לראות לעלות בתגובה לשדה החשמלי מיושם בעזרת תבנית שוליים בינארי מוקרנת. שתי כוסות טפלון מלאות במים הם צילמו עם דפוס שוליים מוקרן בשני מתחים שונים יישומית) 0 ק ו ב) 15 ק. השינוי בשולים המוקרנים (פנל ג) הוא ניתח באמצעות IDEA 33 תוכנה אשר משתמשת פורייה מסונן להפוך להמיר שינויים בתדירות אפנון שוליים לעליית גובה יחסי. אי אחיד של השינוי שאותר הוא בשל התדירות מרחבית הנמוכה של השוליים וממצאים הצפויים בשל קוסינוס הדיסקרטי מרת שיטת שלב unwrapping מבוססת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 5 Dielectrophoresis והרטבה חשמלית. תגובת אלקטרו של גליצרול לשדות חשמליים פוטנציאל גבוהים. שתי אלקטרודות פלטינה שקועה בגליצרול נטול מים ב 0 ק (א), ו19 ק ו (ב) מראה כיצד נוזל חום מונע כלפי מעלה. בשינוי של הניסוי של Pellat הנפח הרים נמחק לחלוטין ממאגר subtending מניב bridg גליצרול EHDדואר שנערך בין שתי אלקטרודות (ג). כמו כן, במקרה של אלקטרודות מוט בצורה (ד) קו המגע מתקדם במעלה אלקטרודה עם יישום של 15 ק ו (ה) העלאת אלקטרודות מושכת את הגוף הנוזלי כלפי מעלה כדי ליצור קטום חרוטי (ו) המציג את ההרטבה המשופרת שנוצרה על ידי חזק שדות. ברים סולם הם 5 מ"מ. סטילס נלקח מS1 סרטונים המשלים (AC) וS2 (DF). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. .6 השפעת איור Sumoto דמיין באינפרא האדום. רצף תמונת אינפרא אדום של כלי יחיד של גליצרול בשדה חשמלי הומוגניות סיפקה באמצעות אלקטרודה מטוס נקודה פשוטהמערכת מוצגת באור הנראה בפנל (א). כוח (19 ק ו DC) מוחל בזמן t = 0 שניות. קירור משטח מקומי מתרחש מתחת לאלקטרודה הנקודה (t = 15 שניות) קירור מקומי זה מתפשט על פני השטח ומפתחת heterogeneities, הדור של כוח סיבובי תוך מיידי הוא בהתחלה קטנה ודורש כ 75 שניות להיות גלוי על פני השטח. זמן בין המסגרות הוא 15 שניות. סרגל קנה מידה הוא 10 מ"מ. תמונות מתוך קטעי וידאו נוסף S3. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 7 קירור טרום הצתה במערכת גשר אנכית עם מרחק הפרדה 10 מ"מ. חרוט טיילור העליון וירידה הנייח תחתונה של גשר מים אנכי הגדרת u עמ 'מוצג בתקריב במהלך רמפת מתח. התמונות הן באינפרא אדום גל הארוך ומייצגות את פליטת המשטח. מתמונות יש קירור יציב והתארכות (מודעה) של שני משטחים נוזליים כמו המתח להחיל גדל שניהם להגיע לטמפרטורה מינימאלית של 1-2 C ° להלן ראשונית (א) רק לפני הפליטה של סילון (ה) מחרוט טיילור העליון. הטיפה נמוכה יותר נרתעת מראש של המטוס הטעון אבל במהירות מצטרפת הבא מגע (EF), הפליטה עולה במהירות כגשר נוזל EHD יציב תקום (ז). הפחתת טמפרטורה אושרה באמצעות תרמו בדיקה סיבים אופטית. אגל הנייח התחתון הוא ~ 2 מעלות צלזיוס חמה יותר מאשר קונוס העליון בשל פעולה בעבר; בדרך כלל כלי המתח הגבוה ישיג טמפרטורה מעט גבוהה יותר. סטילס מS4 המשלים קטעי וידאו (קונוס העליון) וS5 (טיפה למטה).להעלות / 51,819 51819fig7highres.jpg "target =" / _blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 8 תמונות מדידה בעלי מצלמה של גשר מים אופקי מהצתה להכחדה. סדרת נציג של אמצע גל משולב (3.7-5.0 מיקרומטר) וגל ארוך (8.0-9.4 מיקרומטר) תמונות אינפרא אדומים המאפיינות את השלבים המבצעיים לגשרי נוזל אופקיים מוצגים ל מים: (א) הצתה, פרידה הארכת הרחבה (ב), (ג), ייצוב (ד), (ה). בתמונה ברצף זה הגשר כובה על ידי הסרת כוח למערכת. סטילס מS6 וידאו המשלים. אנא לחץ כאן כדי להציגגרסה גדולה יותר של דמות זו. . איור 9 תמונות מדידה בעלי מצלמה של גשר מים אנכי מהצתה להכחדת סדרת נציג של אינפרא אדום ארוך גל (7.5-9.0 מיקרומטר) תמונות המאפיינות את השלבים המבצעיים לגשרי נוזל אנכיים מוצגות למים: (א) הצתה, (ב) הרחבה , מתח (ג) מופחת, (ד) היווצרות יגנד, פרידה (ה) לטיפין תחת ההשפעה של אי יציבות ריילי-רמה. זמן שחלף מוצג באלפיות שני. לעומת זאת הרקע הותאם במסגרות האחרונות כדי לשפר את ההדמיה אגל. תמונות מתוך קטעי וידאו נוסף S7. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותרשיאון של נתון זה. איור 10. תמונות מדידה בעלי מצלמה של גשרים אופקיים בDMSO וגליצרול. Dimethylsulfoxide (DMSO) (א), וגליצרול פליטת גשר בשילוב של אמצע גל (3.7-5.0 מיקרומטר) ואינפרא אדום ארוך גל (ב) (8.0-9.4 מיקרומטר). סטילס מS8 סרטונים המשלים (DMSO) וS9 (גליצרול). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

ההיווצרות המוצלחת של גשרי נוזל EHD יציבים וחזקים דורשת תשומת לב שישולם לפרטים עדיין חשובים פשוטים מסוימים. זה חיוני כי המוליכות יוניות של הפתרונות להיות נמוכות כמו (לדוגמא, 1-5 מייקרו-שני / סנטימטר) מעשי. להיות מודע לכך שזיהום מים יכול לגרום למוליכות מוגברות לנוזלים מסוימים קוטביים (למשל, גליצרול). לשטוף את כל מוצרי זכוכית גם לשים לב לשטיפה זהירה, השתמש אך ורק מוצרי זכוכית נקי מזיהום פני השטח או סימני שריפת קשת מושרה. באופן כללי זה תרגול טוב ללבוש כפפות בכל פעם שטיפול בכל ציוד כדי למנוע שמני עור ומלחים מלזהם את הניסוי. אלקטרודות יש sonicated במשך כמה דקות בממס תחת מחקר, ומומלץ כי אלו הם "שרופה ב" על ידי הפעלת גשר הבלתי מוארך ל30-45 דקות בערכים שוטפים גבוהים (למשל, 3-5 mA) כדי להפחית את האלקטרודה משנית תגובות. טוהר גבוה (לדוגמא,> 99.9%) מתכות אצילות יעבדו הכי טובות כמו חומרי אלקטרודה וצריכות להיות שטח פנים מספיק כדי לשמור על צפיפות זרם נמוכה בסדר הגודל של 10 / מ"ר כדי להפחית חימום מקומי.

במקרה של גשרים שיש לי יציבות עניה או קשים להתחיל מומלץ ראשון הוא לאשר ~ 1 מייקרו-שני / סנטימטר מוליכות ושאין בריכות חיצוניות של נוזל שיכול להרשות למסלול נוכחי חלופי. באופן כללי מומלץ שכל המשטחים להיות יבשים ככל האפשר, להקדיש תשומת לב מיוחדת לסרטים דקים שיכול להיווצר בין כלי שיט וצלחות בידוד. אם קשתי מתרחש כוח הפסיקה ולהפחית ערך מתח לאחר מכן החל מחדש את הכוח כקשתי שנגרמו תביא ל" הגזה "של אזורים שנפגעו, אשר יכול להפחית את יציבות גשר או למנוע הצתה גשר כולם ביחד. אם הכח מוחל על המערכת מעל מתח הסף ולא צורות גשר מוט זכוכית מבודדת יכול לשמש כדי למשוך את הנוזל כלפי מעלה לכיוון הנקודות דואר מגע (למשל פיות כוס) בין שני כלי. אם המערכת ממשיכה להתנהג בצורה לא יציבה לנקות את הציוד ולהתחיל שוב עם נוזל טרי. אי זה, מומלץ לקחת את המלאי של הסביבה כחפצי מתכת גדולות, חומרים שתומכים במטען סטטי, או זרמי אוויר חזקים יכול לשבש את הגשר ו / או השדה החשמלי שתומך בו.

המערכת הניסיונית לשנות בקלות כדי להתאים חומרים זמינים בדרך כלל ברוב המעבדות. מכולות נוזליים יכולות להיות כמעט מכל חומר תואם ותשומת לב מיוחדת צריכים להיות משולם על הדליקות של המכל או שלב נוזלי במקרה של קשת חשמלית; למשל טפלון יפיק גזים מסוכנים כאשר שרפה. צורת אלקטרודה, מיקום, וחומר יכולים גם להיות שונה כדי להתאים לאילוצים של נתנה הגדרה. אלקטרודות בדרך כלל מישורי עשויות מנייר הכסף משמשות אלא גם חוט יכול לשמש עוד כהנחיות צפיפות הזרם נלקחים בחשבון. השדה החשמלי מיושם יכול להיות DC הטהור, AC הטהור, או DC מוטה AC. כל יפיקו גשרים נוזליים בטווח התגובה התלוי בתדירות לנוזלים שתוארו בספרות על הרטבה חשמלית על דיאלקטרי (EWOD) וdielectrophoresis (DEP) ⁹ המגדירים טווח תדרי תגובה בין 20 הרץ ועד 20 kHz עבור מתח מתון. תחומי תדרים גבוהים יותר עשויים גם ליצור גשרים אם כי אלה לא נבדקו באופן מפורש וחלק מהעובדים דיווחו לגבול התחתון לגשרים אנכיים AC להיות 50 הרץ ^42. אוריינטציה לכוח המשיכה גם לשינוי בקלות, כל עוד מערכת יכולה להיות המציאה כדי לספק משטחי נוזל חופשיים, שהם יציבים ללא שדה חשמלי מיושם. ניסויים שנערכו בהיעדר כוח המשיכה ⁴¹ אשר הראה כי יש לי גשרים אלה תלות בהשפעה המייצבת כובד אשר שומרת על האיזון העדין של כוחות בגשר נוזלי.

אף אוזן גרון "> גשרי נוזל EHD הם כלי חדש שניתן להוסיף לרפרטואר של יישומים רבים במדעי טבע. הם מאפשרים החקר של האינטראקציה של כוחות בתפזורת ופני השטח עם שדות חשמליים לשימוש חיצוני. הם פותחים את ההזדמנות לבחון את האמצעי חדש של ערבוב נוזלים שונים ^37; שינוי קינטיקה הכימית תגובה ^52; תחבורת פרוטון ^44,45, ובחינת התגובה של מערכות ביולוגיות לתנאים ⁵³ בנוסף גשרים אלה מאפשרים גישה ישירה אל פני השטח הנוזלי ללא כל מבני subtending פיזי שכבר הניבו חדש. מידע ספקטרוסקופיות על הדינמיקה במים נוזליים ²⁸ ומרמז על קיומו של מתג מצב חשמלי מבוקר לפיה נכסים בתפזורת חדשים לצוץ ^{ביום 31 באבל} בפוטנציאל לבחון מעבר פאזה הנוזלית נוזלי ⁵⁴ באמצעות שיטה חדשה לגמרי. היישום התעשייתי הנרחב לא רק של תהליכי EHD (למשל </eמ '>, electrospinning ^26, וelectrospray ^32,33 שיטות) בהחלט יכול להפיק תועלת מהמחקר נוסף של תופעות של בעלות הברית באופן הדוק אלה.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו בוצעה במסגרת TTIW-שיתוף הפעולה של Wetsus, מרכז מצוינות לטכנולוגיה בת קיימא מים (www.wetsus.nl). Wetsus ממומן על ידי המשרד ההולנדי לעניינים, האיחוד האירופי לפיתוח האזורי הקרן, מחוז Fryslân, עיר Leeuwarden ותכנית EZ / Kompas של 'Samenwerkingsverband Noord-Nederland "כלכליים. המחברים מודים למשתתפים של נושא המחקר "פיסיקה יישומית מים" לדיונים פוריים והתמיכה הכספית שלהם.

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Borosilicate Crystallization Dishes	VWR	216-0064
Double walled roundbottom flask with GL14 and GL8 openings along with 6mm spherical joint port	LGS	SP757102a	Custom glassware with minimum two openings one for electrode, one for bridge spout.
Adjustable Platforms	Rudolf Grauer AG	Swiss Boy 115
Motion Translation Stage	Thorlabs	MTS25/M-Z8E	Complete motorized stage, controller, and power supply
Insulating Plates			Should be appropriate for resisting the intended voltages without breakdown
Pt Electrodes	Alfa-Aesar	000261	Wash and then sonicate in 18.2 MOhm water prior to use
HVPS	FUG GmbH	HCP 350-65000	65 kVDC @ 5mA maximum output
Fiber Optic Temperature Probe System	OpSens	OTG-F Sensor/ XXX-XXX Control Unit	Readout speed 1 kHz, accuracy 0.01K, probe size 120 um
Long Wave Infrared Camera	IRCAM GmBH	Taurus 110K L	168 FPS 384×288 Sensitivity <30mK
Long Wave Infrared Camera	FLIR	FLIR 620	30 FPS 640×480 pixel Sensitivity to <45mK
Dual Band Mid- and Long-Wave Infrared Camera	IRCAM GmBH	Geminis 110k ML
Digital Camera	Canon	550D	Used for both video and still frames
Tripod	Manfrotto	475B/405
18.2 MOhm Water	Milli-Q	Advantage	Allow 24 hours to equilibrate after dispensing into clear borosilicate bottles
Methanol dehydrated with less than 0,0050% water AnalaR NORMAPUR	VWR-BDH	20856.296	Keep dry until needed;
Glycerol anhydrous for synthesis	VWR – Merck Millipore	8.18709.1000	Keep dry until needed
Dimethylsulfoxide, ACS Grade	VWR-BDH	BDH1115-1LP	Keep dry until needed

Referências

Hertz, H. R. . Leiter Wied Ann. 13, 266-275 .
Quincke, G. . Electrische Untersuchungen. 255, 705-782 (1883).
Armstrong, L. W. Electrical phenomena. The Electrical Engineer. 10, 154-155 (1893).
Fuchs, E. C., Woisetschläger, J., Gatterer, K., Maier, E., Pecnik, R., Holler, G., Eisenkölbl, H. The floating water bridge. J Phys-D-Appl Phys. 40, 6112-6114 (2007).
Fuchs, E. C., Gatterer, K., Holler, G., Woisetschläger, J. Dynamics of the floating water bridge. J Phys-D-Appl Phys. 41, 185502-185507 (2008).
Pellat, M. H. . C R Acad Sci Paris. 123, 691-696 .
Jones, T. B. An electromechanical interpretation of electrowetting. J Micromech Microeng. 15, 1184-1187 (2005).
Saija, F., et al. Communication an extended model of liquid bridging. J Chem Phys. 133, 081104 (2010).
Wang, K. L., Jones, T. B. Frequency Dependent Electromechanics of Aqueous Liquids Electrowetting and Dielectrophoresis. Langmuir. 20, 2813-2818 (2004).
Collins, R. T., Jones, J. J., Harris, M. T., Basaran, O. A. Electrohydrodynamic tip streaming and emission of charged drops from liquid cones. Nat Phys. 4, 149-154 (2008).
Cloupeau, M., Foch, B. P. Electrohydrodynamic Spraying Functioning Modes A Critical Review. Journal of Aerosol Science. 25 (6), 1021-1036 (1994).
Sumoto, I. An interesting phenomenon observed on some dielectrics. J Phys Soc Jpn. 10 (6), 494 (1955).
Okano, K. On the rotatory motion of dielectrics in static electric field. J J App Phys. 4 (4), 292-296 (1965).
Pickard, W. F. Experimental Investigation of the Sumoto Effect. J Appl Phys. 32, 1888-1893 (1961).
Pickard, W. F. Electrical Force Effects in Dielectric Liquids. Prog Dielectrics. 6, 1-39 (1965).
Mirza, J. S. Sumoto effect under transient conditions. Jpn J Appl Phys. 19, 1297-1300 (1980).
Pellat, M. H. . CR Seances Acad Sci (Paris). 119, 675-678 (1894).
Melcher, J. R., Taylor, G. I. Electrohydrodynamics A Review of the role of interfacial shear stresses. Annu Rev Fluid Mech. 1, 111-146 (1969).
Melcher, J. R. . Continuum Electromechanics. , (1981).
Druzgalski, C. L., Andersen, M. B., Mani, A. A Direct numerical simulation of electroconvective instability and hydrodynamic chaos near an ion-selective surface. Phys Fluids. 25, 110804 (2013).
Melcher, J. R. . A tutorial on induced electrohydrodynamic forces. , (1968).
Woisetschläger, J., Wexler, A. D., Holler, G., Eisenhut, M., Gatterer, K., Fuchs, E. C. Horizontal bridges in polar dielectric liquids. Exp Fluids. 52, 193-205 (2012).
Galliker, J., Schneider, H., Eghlidi, S., Kress, V. . S. a. n. d. o. g. h. d. a. r., Poulikakos, D. Direct printing of nanostructures by electrostatic autofocussing of ink nanodroplets. Nature Communications. 3, (2012).
Fuller, S. B., Wilhelm, E. J., Jacobson, J. M. Ink jet printed nanoparticle microelectromechanical systems. J Microelectromech Syst. 11, 54-60 (2002).
Sutanto, E., Shigeta, K., Kim, Y. K., Graf, P. G., Hoelzle, D. J., Barton, K. L., Alleyne, A. G., Ferreira, P. M., Rogers, J. A. A multimaterial electrohydrodynamic jet (E-jet) printing system. J Micromech Microeng. 22, 045008 (2012).
Tao, W. E., Inai, R., Ramakrishna, S. Technological advances in electrospinning of nanofibers. Sci Technol Adv Mater. 12, 013002 (2011).
Kim, J. H., Oh, H. C., Kim, S. S. Electrohydrodynamic Drop-on-Demand Patterning in Pulsed Cone-Jet Mode at Various Frequencies. J of Aero Sci. 39, 819-825 (2008).
Chung, H. J., Xie, X. N., Sow, C. H., Bettiol, A. A., Wee, A. T. S. Polymeric conical structure formation by probe-induced electrohydrodynamical nanofluidic motion. Appl Phys Lett. 88, 023116 (2006).
Hwang, T. H., Kim, J. B., Yang, D. S., Park, Y. -. I., Ryu, W. H. Targeted electrohydrodynamic printing for micro-reservoir drug delivery systems. J Micromech Microeng. 23, 035012 (2013).
Sill, T. J., von Recum, H. A. Electrospinning Applications in drug delivery and tissue engineering. Biomat. 29, 1989-2006 (2008).
Zeng, J., Korsmeyera, T. Principles of droplet electrohydrodynamics for lab on a chip. Lab Chip. 4, 265-277 (2004).
Enayati, M., Chang, M. W., Bragman, F., Edirisinghe, M., Stride, E. In Colloids and Surfaces A-physicochemical and Engineering Aspects. Electrohydrodynamic preparation of particles, capsules and bubbles for biomedical engineering applications. , 154-164 (2011).
Agostinho, L. L. F., Brouwer, S., Yurteri, C. U., Fuchs, E. C., Marijnissen, J. C. M. Insulated multinozzle system for electrohydrodynamic atomization in the simple-jet mode. Appl Phys Lett. 102, 194103 (2013).
Feynman, R. P. . Feynman Lectures on Physics. Volume II Mainly Electromagnetism and Matter, (1964).
Zhang, X., Zahn, M. . K. e. r. r. electro-optic field mapping study of the effect of charge injection on the impulse breakdown strength of transformer oil. Appl Phys Lett. 103, 162906 (2013).
Widom, A., Swain, J., Silverberg, J., Sivasubramanian, S., Srivastava, Y. N. Theory of the Maxwell pressure tensor and the tension in a water bridge. Phys Rev E. 80, 016301 (2009).
Marín, A. G., Lohse, D. Building water bridges in air; electrohydrodynamics of the floating water bridge. Phys Fluids. 22, 122104 (2010).
Morawetz, K. Theory of water and charged liquid bridges. Phys Rev E. 86 (2), 026302-026310 (2012).
Onsager, L. Deviations from Ohm’s law in weak electrolytes. J Chem Phy. 2 (9), 599-615 (1934).
Nishiumi, H., Honda, F. Effects of Electrolyte on Floating Water. Res Let Phys Chem. 2009, 371650 (2009).
Fuchs, E. C., Agostinho, L. L. F., Wexler, A., Wagterveld, R. M., Tuinstra, J., Woisetschläger, J. The behavior of a floating water bridge under reduced gravity conditions. J Phys D Appl Phys. 44, 025501-025508 (2011).
Ponterio, R. C., Pochylski, M., Aliotta, F., Vasi, C., Fontanella, M. E., Saija, F. Raman scattering measurements on a floating water bridge. J Phys D Appl Phys. 43, 175405-175412 (2010).
Piatkowski, L., Wexler, A. D., Fuchs, E. C., Schoenmakera, H., Bakker, H. J. Ultrafast vibrational energy relaxation of the water bridge. PCCP. 14, 6160-6164 (2012).
Fuchs, E. C., Cherukupally, A., Paulitsch Fuchs, A. H., Agostinho, L. L. F., Wexler, A. D., Woisetschläger, J., Freund, F. T. Investigation of the Mid-Infrared Emission of a Floating Water Bridge. J Phys D Appl Phys. 45, 475401 (2012).
Oshurko, V. B., Ropyanoi, A. A., Fedorov, A. N., Fedosov, M. V., Shelaeva, N. A. Spectrum of OH stretching vibrations of water in a “floating” water bridge. J Tech Phys. 57 (11), 1589-1592 (2012).
Fuchs, E. C., Bitschnau, B., Di Fonzo, S., Gessini, A., Woisetschläger, J., Bencivenga, F. Inelastic UV Scattering in a Floating Water Bridge. J Phys Sc Appl. 1, 135-147 (2011).
Skinner, L. B., Benmore, C. J., Shyam, B., Weber, J. K. R., Parise, J. B. Structure of the floating water bridge and water in an electric field. PNAS. 109, (2012).
Kaneko, K. Effect of space charge on the breakdown strength under polarity reversal. Elec Eng Jap. 106, 3 (1986).
Hipp, M., Woisetschläger, J., Reiterer, P., Neger, T. Digital evaluation of interferograms. Measurement. 36, 53-66 (2004).
Kreis, T. . Handbook of Holographic Interferometry Optical and Digital Methods. , 554 (2004).
Eisenhut, M., Guo, X., Paulitsch Fuchs, A. H., Fuchs, E. C. Aqueous Phenol and Ethylene Glycol Solutions in Electrohydrodynamic Liquid Bridging. Cent Eur J Chem. 9 (3), 391-403 (2011).
Paulitsch Fuchs, A. H., et al. Prokaryotic transport in electrohydrodynamic structures. Phys Biol. 9, 026006-026016 (2012).
Stanley, H. E., Haug, R., et al. Advances in Solid State. Liquid Polyamorphism and the Anomalous Behavior of Water. 48, 249-266 (2009).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citar este artigo

Wexler, A. D., López Sáenz, M., Schreer, O., Woisetschläger, J., Fuchs, E. C. The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids. J. Vis. Exp. (91), e51819, doi:10.3791/51819 (2014).