Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

لإعداد Electrohydrodynamic جسور من السوائل القطبية عازل

Published: September 30, 2014 doi: 10.3791/51819
Automatic Translation
1, 2, 2, 3, 1
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

الجسور السائل electrohydrodynamic الأفقية والرأسية هي أدوات بسيطة وقوية لاستكشاف التفاعل من كثافة عالية المجالات الكهربائية والسوائل العازلة القطبية. بناء جهاز الأساسي والأمثلة العملية، بما في ذلك الصور الحفر الحراري، لمدة ثلاثة السوائل (مثل الماء، DMSO، والجلسرين) وتقدم.

Abstract

الجسور الأفقية والرأسية السائل هي أدوات بسيطة وقوية لاستكشاف التفاعل بين المجالات كثافة عالية الكهربائية (8-20 كيلو فولت / سم) والسوائل عازلة القطبية. هذه الجسور هي فريدة من نوعها من الجسور الشعرية في أنهم يظهرون التمدد خارج بضعة ملليمترات، لديهم أنماط نقل الجماعي ثنائية الاتجاه المعقدة، وتنبعث منها غير بلانك للإشعاع الأشعة تحت الحمراء. وهناك عدد من المذيبات المشتركة يمكن أن تشكل هذه الجسور فضلا عن حلول التوصيل منخفضة والمعلقات الغروية. يخضع سلوك العيانية بواسطة electrohydrodynamics ويوفر وسيلة لدراسة الظواهر تدفق السوائل من دون وجود جدران جامدة. قبل ظهور العديد من الظواهر جسرا هاما السائل يمكن ملاحظتها بما في ذلك دفع ارتفاع الغضروف المفصلي (electrowetting)، تداول السوائل بكميات كبيرة (تأثير سوموتو)، وطرد من قطرات اتهم (electrospray). التفاعل بين السطح، والاستقطاب، وقوات النزوح يمكن فحصها مباشرةمتفاوتة الجهد المطبق وطول الجسر. الحقل الكهربائي، بمساعدة الجاذبية، ويستقر الجسر السائل ضد عدم الاستقرار رايلي-الهضبة. بناء جهاز التوجيه الأساسي لكلا الرأسي والأفقي إلى جانب أمثلة التشغيلية، بما في ذلك الصور الحفر الحراري، لمدة ثلاثة السوائل (مثل الماء، DMSO، والجلسرين) وتقدم.

Introduction

التفاعل بين المجالات الكهربائية والمواد السائلة في نتائج عدد من القوى الناشئة في معظم المواد. في أنظمة عازلة السائلة الحقيقية، والتدرجات المجال غير ضئيلة والتماثل كسر هندستها تؤدي إلى عدد من الآثار التي تبدو غريبة. كان هيرتز واحدة من أول من لاحظ الحركة الدورانية في السائل الصلبة أنظمة عازلة 1. لاحظ كوينكه أن التوتر بينية بين اثنين من السوائل لم يتم تغيير إلا من خلال تطبيق مجال كهربائي خارجي ولكن هذا التغيير أدى إلى مجهود القوات على الجسم السوائل ويمكن أن تستخدم للحث على الحركة الدورانية 2. اكتشف ارمسترونغ الجسر المياه العائمة في عام 1893 (3) الذي بقي خدعة حزب غامضة حتى وقت قريب عندما استكشاف فوكس وزملاء العمل الميكانيكا النقل الجماعي ورسوم 4،5 وإعادة فتح التحقيق العلمي جدي في الآليات التي تشكل هذه الجسور. الحقول الكهربائية لديها abilitY لرفع السوائل ضد قوة الجاذبية كما عمل Pellat على ارتفاع السائل عازلة بين الأقطاب المتوازية لوحة يظهر 6. ويظهر هذا العمل رفع الاعتماد تردد ويمكن وصف النهاية عبر الضغط موتر ماكسويل 7. هذا هو المهم عند النظر في ارتفاع مستوى السائل المرتبطة electrohydrodynamic (EHD) الجسور السائلة التي ظل ظروف AC لا تظهر الاعتماد تردد 8 مماثل لelectrowetting على عازلة (EWOD) وdielectrophoretic (DEP) تدفق الشامل 9. وعلاوة على ذلك، فإن تطبيق حقول كهربائية عالية المحتملة مهم في السيطرة على طائرة كسر السائل صعودا والتفاعل بين الحقل الكهربائي مع السوائل ضروري لفهم العملية الهامة صناعيا من الانحلال electrospray 10،11.

حقل كهربائي خارجي لا يؤثر فقط على الطاقة السطح. بسبب إجراءات الاستقطاب وإجهاد القص، وتدفق أنماط يمكنتنشأ. ومن الأمثلة على ذلك تداول السوائل في وجود المجالات الكهربائية غير متجانسة. هنا يتم تأسيس التيارات electroconvective في الصب السائل مدفوعا الضغوط القص. أظهرت Sumoto من أن محرك السوائل يمكن أن يبنى باستخدام الدوار زجاجية تحتوي إما السائل القطبي أو قضيب معدني مغمورة في حمام عازلة غير القطبية ووضعها ضمن الحقل الكهربائي متجانسة 12. تحليل لاحق أوكانو استخدام تقريب الحقل متجانسة 13 إلى حل المشكلة التي يمكن أن تناوب فقط نوعيا تتناسب مع النتائج التجريبية والمطلوب من السوائل العازلة للرد ككتلة فريدة. غاب باحثين آخرين حول هذا الموضوع نقطة تماما كما ذكرت خطأ واستكشاف تأثير Sumoto من حيث مستوى السائل يرتفع 14-16 ردا على العمل الميداني الكهربائية رائدها Pellat 17. أهمية التماثل سطح كسر لعملية توطين تهمة ولدت تعزيز بنية الشع القصق ق 18 لا بد من فهم للبحث على الجسور EHD السائلة. أطروحة ميلتشر على الميكانيك الكهربائي متصلة 19 على أساس النظري الكامل لعلاج السوائل السائبة ويبسط الأسطح خالية في حدود متجانسة الخواص. أهمية السطوح هي مع ذلك واضحة حتى من وجهة نظر متصلة وفقدان نتائج التماثل في إجهاد القص التي يمكن أن تولد حركة السائبة. اتخاذها في الحالة العامة من وحدات التخزين المتنقلة السوائل المنفصلة التي يمكن الاستقطاب وتخضع لقوة رد الفعل الناتجة على النهج إلى السطح، يمكن أن تكون بديلا للتفاعل الحقل الكهربائي في كل من نافيير ستوكس 20 و برنولي 7،21،22 العلاقات لوصف العديد من الظواهر EHD بما في ذلك الجسور تدفق السائل. مزيد من الدراسة الجسور السائلة يمكن أن يحسن عددا من التقنيات القائمة على EHD مثل نافثة للحبر الطباعة 23-25، مواد النانو المتناهية الصغر وتجهيزها 26-28، تسليم المخدرات 29، 30، 31،32 التطبيقات الطبية الحيوية، وتحلية المياه 33.

الأساليب الموصوفة هنا توفر إمكانية الوصول إلى تشكيل EHD الجسور السائلة التي توجد في السوائل القطبية التي تمتلك لحظة ثنائي القطب دائمة الجزيئات. نتائج الحقل الكهربائي غير متجانسة المفروضة في الاستقطاب الجزئي للسكان ثنائي القطب مما أسفر عن التغيير المحلي من السماحية عازلة وبالتالي زيادة يعزز التدرجات المجال 18،34،35. هذا الاستقطاب يثير قوة التشريد الذي اعتمادا على كثافة النسبية لمجال تطبيق سيتم إنشاء عدد الردود السائلة المختلفة (أنظر الشكلين 4-7) مما أدى في نهاية المطاف في تشكيل الجسر. فإن السائل تطوير أيضا تايلور تتدفق على طول 22،36 السطوح الكهربائي خاصة في الحالات التي يكون فيها هناك حافة الحاضر حاد على الأقطاب. وإمكانية رسم الحقن في حواف حادة أيضا موجود ويتسق معتشكيل طبقات heterocharge التي تولد تيارات electroconvective في الصب السائل 22 وبالتالي ربط نظام الجسر السائل مع تأثير سوموتو 12. تتم تغطية تنظم العلاقات EHD للجسور على نطاق واسع في أماكن أخرى للمياه والسوائل القطبية الأخرى 22،36-38. هذه المناهج النظرية تعاني بعض القيود التي يجب أخذها في الاعتبار عند الاقتراب من البيانات التجريبية. ماكسويل موتر الإجهاد العلاج 36 هي حساسة لالتغاير الميدان، فضلا عن عدم الإتساق في جسر السائل. نهج EHD النقي 37 يوفر تعريفات الحالة المستقرة لعدد electrogravitational وعلاقته نسبة جسر الجانب. ومع ذلك، لا توقع ديناميكيات تدفق وظواهر عابرة مهم (على سبيل المثال، إنشاء جسر). ثلاثة أرقام أبعاد هي مفيدة عند تحليل الاستقرار الجسر وتستمد هنا كما نشرت من قبل مارين وLohse 37 E) هو الذي يعرف بأنه النسبة بين القوى الكهربائية والشعرية:

المعادلة 1

حيث ε 0 هي سماحية الفراغ، ص ε السماحية النسبية عازلة للسائل، E ر هو الحقل الكهربائي عبر الجسر، γ هو التوتر السطحي، ق د و د ل والتوقعات الرأسي والأفقي من القطر وذلك لانتاج القطر D يعني م. عدد بوند (بو) يصف التوازن بين قوى الجاذبية والشعرية:

المعادلة 2

حيث ز هو تسارع الجاذبية، ل هو طول الجسر الحرة، وV هو حجم الجسر. العلاقة بينالجاذبية، الشعرية، والقوى الكهربائية يمكن التعبير من حيث عدد electrogravitational G E:

المعادلة 3

ويرتبط التمدد الأقصى للجسر إلى الجهد التطبيقي في حين أن التيار المار عبر الجسر يرتبط إلى مساحة المقطع العرضي وبالتالي القطر. تقترن هذه العلاقات، وتحديد حجم الجسر، وبالتالي تحدد منطقة الاستقرار لأي نظرا جسر السائل التشغيل. يتم إعطاء المنحنيات المميزة لجسر المياه في الشكل (3) مما يدل على عتبة أدنى أدناه والتي مجال التطبيقية ضعيفة جدا للتغلب على التوتر السطحي القوات والعتبة العليا فوق أي كتلة من الجسر كبيرة جدا مما أدى إلى تسرب مزيد من الذي يعطل الميدان والنتائج في جسر تمزق.

علاج أكثر عموميةمنة الجسور السائلة في المذيبات القطبية 19،22 توفر شروط الضغط التي تعمل جنبا إلى جنب مع جسر للتنبؤ القوات التي تحكم ديناميكية تدفق في سياق معادلة برنولي مع تعديل الشروط النزوح الكهربائية تضاف إلى المدى الضغط. وبالإضافة إلى ذلك أدرج العلاقة Onsager للاستقرار أيون 24 بالاتفاق مع الملاحظات التجريبية على التوازن ضخ الاتجاه والانبعاثات الحرارية.

تم استكشاف عدد من السوائل القطبية بما في ذلك المياه، والكحولات الأليفاتية أقل (مثل الميثانول)، بولي الكحول (مثل الجلسرين)، ديمثيلكبريتيد ([دمس])، والمواد العضوية القطبية الأخرى (على سبيل المثال، ثنائي ميثيل). سوائل عازلة غير القطبية (مثل الهكسان) لا يحمل تشكيل الجسر. السوائل عازلة قادرة على دعم جسور وبالتالي تدرس الآن 8،22،37 كذبة ضمن مجموعة محددة جيدا من المعلمات المادية التي تحدد نقطة انطلاق جيدة FOمزيد من التجارب ص: انخفاض الموصلية (σ <5 ميكرو ثانية / سم)، السماحية النسبية ثابتة المعتدلة (ε = 20-80)، معتدلة إلى عالية التوتر السطحي (γ = 21-72 مليون / م). ومن المثير للاهتمام مجموعة واسعة من اللزوجة (η = 0،3 حتي 987 ميجا باسكال · ثانية) العمل في هذه الجسور. في السوائل مع اللزوجة عالية بما فيه الكفاية مثل الجلسرين من الممكن سحب الجسر مباشرة من الصب السائل (انظر الشكل 5)، وهو حلقة وصل هامة بين القوات dielectrophoretic والجسور السائلة. الحلول الأيونية (مثل كلوريد الصوديوم (عبد القدير)) وإرباك لسد تشكيل والدراسات السابقة في 40 وقد ثبت أن زيادة درجة حرارة الجسر، تقليل طول إلى نسبة الجهد التطبيقية، والحد من التمدد. ويعزى هذا السلوك إلى حد كبير إلى تأثير التدريع تهمة الأيونات الذائبة وكذلك زيادة التوصيل الحالي مما يقلل من اقتران بين عناصر حجم السوائل والحقل الكهربائي.

<ع الطبقة = "jove_content"> على الظواهر EHD مستوى التواصل تنشأ ببساطة لأن الشروط اللازمة التي ترافق الضغط electrostriction لا توجد إلا في واجهة السائل 21. وعلاوة على ذلك، هناك علاقة بين استقرار EHD الجسور السائلة واستقرار واجهات في النظام. في حالة انخفاض تجارب الجاذبية 41 لتوسيع نتائج مساحة السطح في قوة الدموع التي الجسر على حدة. وبالمثل إذا يقتصر السطح جدا أو منطقة الاتصال subtending صغير الجسر من المرجح أن يتطور عدم الاستقرار. هذا يمكن أن يتضح في الجسور التي تغذيها أنابيب أو في حالة الجسور العمودية حيث يتم سحبها القطب واحد صعودا من سطح - الجسور الناتجة أقل استقرارا في العملية على المدى الطويل لأنها تفتقر إلى ديناميكية تدفق المميزة وجدت في الحالة التي تكون فيها كلا الخزانات لديها مساحة خالية كبيرة. الجسور التي الاتصالات إلى خزان السائل تنحصر داخل أنابيب المعرض طncreased التراكم الحراري وانخفاض التوتر السطحي. ومن المعتاد أن واجهة الهواء سوف تشكل عفويا خلال الأنبوب. هذا الشرط حدود كلا أقصى التمدد وكذلك متوسط ​​عمر الجسر للجسور السائل المحصورة. فتح جسور المياه السطحية يمكن أن تمتد إلى 35 ملم طول 35 كيلو فولت في حين لم الجسر سوف تستمر في هذا الجهد المتسارع في الحبس كما السائل التحولات تفضيلي إلى وضع electrospray. وبالمثل جسور المياه السطحية حرة لديها أعمار الاستقرار الاقتراب 10 ساعة تحت ظروف خاضعة للرقابة، بينما في أنظمة أنبوب تغذية عمر هو عادة أقل من 2 ساعة.

تعتبر الظواهر EHD عادة فقط على مستوى التواصل. وقد أجري عدد محدود من الدراسات على أساس الجزيئي للجسور السائلة. دراسة رامان 42 باستخدام الجسور AC العمودية التحقيق المشترك بين الجزيئية الفرقة OH-تمتد مقارنة مع المياه السائبة. بعض التغييرات في الشوريوتظهر ملامح attering بعد تطبيق الحقل الكهربائي أن يكون لها أصل الهيكلي. تم العثور D 2 O جسر المياه إلى أن تكون أقصر (630 ± 50 fsec) من لجزيئات HDO: استخدام فائق السرعة منتصف الأشعة تحت الحمراء مضخة مسبار الطيفي على الجسر العائم المياه 43 عمر الذبذبات من OH تمتد اهتزاز جزيئات HDO الواردة في HDO في معظم HDO: D 2 O (740 ± 40 fsec)، بينما في المقابل، فإن ديناميات thermalization بعد الاسترخاء الذبذبات هي أبطأ بكثير (1،500 ± 400 fsec) في الجزء الأكبر من HDO: D 2 O (250 ± 90 fsec). هذه الاختلافات في ديناميات الاسترخاء الطاقة تشير بقوة إلى أن الجسر المياه والمياه بالجملة تختلف على نطاق والجزيئية. وعلاوة على ذلك، كشفت الأبحاث على انبعاث الأشعة تحت الحمراء جسر المياه العائمة ميزة غير الحرارية التي يمكن أن يكون راجعا إلى الانتقال من الحالة المثارة إلى الحالة الدنيا من بروتون التوصيل الفرقة 44. آخر أكثر حداثة أوردته دراسة راماند أن المياه في العاصمة الجسور هناك توزيع شعاعي في أطياف مما يدل على الفرق النسبي في الرقم الهيدروجيني المحلية بين جوهر والقشرة الخارجية للجسر 45. ويدعم توزيع شعاعي من الخصائص الفيزيائية داخل EHD الجسور السائل مزيد من الأشعة فوق البنفسجية غير مرن التجارب نثر 46 التي تعطي توزيعات شعاعي متناقضة في درجة الحرارة وكثافة التشكيلات ويمكن تفسير ذلك إما عن طريق التدرج في درجة الجزيئية للحرية أو وجود مرحلة الثانوية كما فقاعات النانو. غير معتمد مفهوم لاحق من زاوية صغيرة للأشعة السينية نثر الدراسة 47 في حين يتم اعتماد مفهوم التناوب أعاقت (أي librations) من أطياف انبعاث الأشعة تحت الحمراء 44. اتجاه تدفق التفضيلي في EHD الجسور السائل ينشأ من التغيرات في حركية لصناعة السيارات في التفكك. بالاتفاق مع عمل Onsager يحمل هذه النتيجة وعد لربط الظواهر الجزيئية واستمرارية مستوى <سوب> 22. تم العثور على مزيد من الأدلة لالأساس الجزيئي لEHD الظواهر في ملاحظة أن الانبعاثات الحرارية من قطرات عازلة ينخفض ​​محليا ردا على الحقل الكهربائي المتزايد ويصل الحد الأدنى فقط قبل بداية الجسر (انظر الشكل 7).

الجسور EHD السائل تمثل فرصة لدراسة التفاعل بين القوات على طول جداول متعددة وذلك هو الهدف المحدد لهذا العمل لتوفير طريقة موحدة لإنتاج هذه الأنواع من الجسور في عدد من السوائل مع أي اتجاه نسبة إلى الجاذبية التي تدعم ظهور مجموعة كاملة من الظواهر المميزة التي نوقشت سابقا.

Protocol

1. توصيات عامة

  1. ارتداء القابل للتصرف، قفازات خالية من مسحوق جميع أنحاء انشاء التجربة لمنع التلوث بواسطة العرق أو النفط من اليدين.
  2. تنظيف جميع الأواني الزجاجية، والأقطاب الكهربائية وأية أجزاء أخرى الاتصال السائل تحت الدراسة، مع إيلاء اهتمام خاص لمنع دخول الملوثات التي يمكن أن تذوب في الطور السائل.
  3. باستخدام متر الموصلية، وقياس التوصيل الكهربائي من السائل التي سيتم استخدامها في التجربة وتأكيد أنه ≤1 ميكرو ثانية / سم.

2. الإعداد التجريبي

  1. نظام الجسر الأفقي (الشكل 1A)
    1. وضع زوج من منصات ارتفاع قابل للتعديل على مستوى سطح غير إجراء. إصلاح منصة واحدة في مكان وتركيب منصة أخرى على الآلية مرحلة الترجمة الخطية التي لديها الحد الأدنى من السفر 25 مم.
    2. لوحات عازلة آمنة (الشكل 1A، جزء ي) إلى الالبريد السطح العلوي للمنصات قابلة للتعديل. استخدام لوحات عازلة التي هي أكثر من الحجم بحيث المتراكمة على منصات لا يقل عن 10 مم من جميع الاطراف. استخدام المواد المشتركة مثل تفلون، والاكريليك، أو زجاج النافذة. اختيار سمك لمنع انهيار في أقصى الجهد المخطط لها.
    3. توصيل التيار الكهرباء عالية الجهد (الشكل 1A، جزء م) وفقا لتعليمات الشركة المصنعة.
    4. مقاطع التمساح جندى إلى نهاية كل من الجهد العالي والأسلاك الأرضية.
    5. المشبك واحدة من نهاية الذراع دعم شيدت من مواد العازلة جامدة على حلقة الوقوف مع قضيب العزل جاحظ أفقيا على منصات العازلة.
    6. تركيب الأسلاك الأرضية والجهد العالي لدعم الأسلحة باستخدام عدة يلف الشريط الكهربائي، والعلاقات سلك النايلون، أو غيره من الوسائل المناسبة لذلك تبرز مقاطع التمساح أسفل فوق منصات معزولة.
    7. مقطع واحد البلاتين الكهربائي (الشكل 1A، جزء ك) في كل من اثنين من مقاطع التمساح.
    8. وضع الأسلحة الدعم حتى أن الأسلاك عالية الجهد هو فوق منصة ثابتة والأسلاك الأرضية فوق منصة متحركة.
  2. نظام الجسر العمودي (الشكل 1B)
    1. إرفاق المشبك غير موصل للمرحلة الترجمة الخطية بحيث يمكن السفر المشبك لا يقل عن 25 مم. استخدام هذا المشبك لعقد سفينة (1B الشكل، الجزء الأول) والتي سوف تكون متصلا سلك الأرض.
    2. تحميل هذا التجمع إلى هيكل الدعم جامدة الرأسي.
    3. إرفاق المشبك غير موصل مماثل في الخط ودون مستوى الدعم على مرحلة الترجمة الخطية. استخدام هذا المشبك لعقد السفينة التي سوف تكون متصلا سلك الجهد العالي.
  3. جعل "ميت العصا" (انظر الشكل 1C للتوضيح)
    1. الحصول على قطعة من المواد الصلبة غير موصل مثل الزجاج أو البلاستيك قضيب 30-40 سم (الشكل و# 160؛ 1C، جزءا ع).
    2. نعلق قطعة من المعدن موصل 10-15 سم (الشكل 1C، جزء ف) إلى واحدة من نهاية قضيب باستخدام عدة يلف الشريط الكهربائي (الشكل 1C، جزء ص) تطبق بطريقة تتقاطع أو غيرها من المواد تحديد.
    3. استخدام "العصا ميت" لسد الجهد والأرض أقطاب عالية مع نهاية المعادن بعد يتم فيها تشغيل إمدادات التيار الكهربائي للتأكد من أن الدائرة لا تبرأ قبل معدات المناولة.

3. تشغيل الجسور السائلة

  1. الجسور السائلة الأفقية
    1. ملء كل سفينة (الشكل 1A، الجزء الأول) مع ما يكفي من السوائل لجعل السطح إلى داخل 1-5 ملم من صنبور الكأس أو الحافة. للسفن (قطر 60 ملم) المستخدمة في هذه المظاهرة، استخدم 67 غراما من السائل للمياه، 74 غ لDMSO، أو 84.4 جم للالجلسرين.
    2. وضع السفن 2 على منصة العازلة مثل أنهم فيزأما من الناحية الاتصال بعضها البعض في مكان واحد مثل ينبثق إلا أن جدار حافة مستقيمة تعمل أيضا.
    3. ضبط ارتفاع منصة بحيث السائل سيتصل فقط القطب البلاتين وليس مقطع التمساح أو أسلاك. إيلاء الاهتمام لالمحاذاة العمودية بحيث الجسر الناتج هو مستوى أفقيا.
    4. وضع أقطاب البلاتين في الأوعية السائل شغل بحيث تكون لا تقل عن 15 ملم من موقع الاتصال حيث سيشكل الجسر. ملاحظة: عادة ما توضع الأقطاب بين المركز السفينة وأبعد من جدار حيث السفينتين تجعل الاتصال.
  2. السائل الجسور العمودي
    1. استخدام اثنين نظيفة، أغلقت السفن السائل مع منفذ واحد كما هو مبين في الشكل 1B، الجزء الأول.
    2. ملء كل سفينة مع السائل قيد الدراسة حتى لا يكون هناك وجود فقاعات الهواء المحتبسة.
    3. إدراج القطب (الشكل 1B، جزء ك) في كل سفينة وإغلاق جأب لعقد السائل في المكان.
    4. جبل السفينتين مغلقة في المشابك غير موصل (انظر 2.2) بحيث تشير فتحات تجاه بعضهم البعض.
    5. إضافة بضع قطرات من السائل إلى افتتاح أنبوب أقل بحيث سطح السائل منحني يبرز بضعة ملليمترات فوق حافة الزجاج.
    6. جلب السفينة العليا أسفل بحيث الاتصالات فقط أقل واحد تشكيل جسر شعري صغير.
    7. ربط ارتفاع الناتج الجهد من إمدادات الطاقة (الشكل 1B، جزء م) إلى انخفاض سفينة (ثابتة) محطة القطب والأرض إلى العليا (ترجمة) السفينة.
  3. عمليات عالية الجهد
    1. اعتبارات عامة
      1. قبل المضي قدما أؤكد أن جميع الأسطح الجافة والسائلة أنه لا يوجد حمامات والأفلام، أو قطرات موجودة على المنصات العازلة.
      2. قبل بتوصيل التيار الكهربائي إلى التجربة تؤكد أنه لا توجد دوائر قصيرة وأنه لا توجد ع الأرضaths الحاضر التي يمكن أن تؤدي في الأفراد أو المعدات ملامسة الأسطح تنشيط. تكون معينة لمتابعة جميع الإجراءات ومراعاة التحذيرات التي تصدرها الشركة المصنعة عالية الجهد امدادات الطاقة. عندما تكون في شك طلب المشورة من موظفي السلامة الكهربائية المؤهلين.
      3. تعيين قطبية التيار الكهربائي (إذا كان اختيار) قبل تطبيق السلطة. عادة، استخدم قطبية الجهد إيجابي لأن هذا يوفر الجسور أكثر استقرارا. ملاحظة: يمكن أيضا أن تستخدم قطبية سلبي ولكن يميل إلى الاستسلام وضوحا الآثار تهمة الفضاء التي يمكن أن تؤثر تأثيرا كبيرا على الخواص الفيزيائية للكل من عازلة السائل 48 و يؤثر على الكثافة المسؤول المحلي في المنطقة التجريبية نظرا إلى اختلاف وظيفي في غرق بدلا من مصادر الإلكترونات تحت إمكانات عالية وتهمة الزائد يمكن رشها على العازلة المحيطة هياكل الدعم.
      4. فتح الحد الحالي على إمدادات الطاقة وذلك لتوفير ما لا يزيد عن 5-6 مللي أمبير من التيار.
      </ لى>
    2. اختيار واحد من ملامح الجهد اللذين يمكن تطبيقها - منحدر أو خطوة.
      1. استخدام منحدر الجهد عند انطلاق أول وخصائص الأداء من السائل ليست معروفة بعد.
        1. رفض الحد الجهد على إمدادات الطاقة لتوفير 0 كيلو فولت.
        2. تمكين الإخراج على امدادات الطاقة وتبدأ ببطء لزيادة الحد الجهد بمعدل حوالي 250 V / ثانية.
        3. مراقبة الجهد الذي يحدث جسر الاشتعال، وهذا هو تقريبي عتبة الاشتعال الجهد (V ر).
      2. استخدام خطوة الجهد لتطبيق الجهد بسرعة إلى النظام.
        1. تعيين الحد الجهد إمدادات الطاقة إلى القيمة المطلوبة فوق عتبة الاشتعال الذي تم تحديده باستخدام منحدر الجهد لنظام السائل قيد الدراسة (انظر 3.3.2.1.3).
        2. تمكين الإخراج على إمدادات الطاقة. ملاحظة: خطوة الجهد يمكن أن يؤدي إلى الانحناء وطرد من قطرات وقد تتطلب العديد ذاتهconds أمام أشكال جسر مستقرة. سوف الانحناء إنتاج الأوزون وبيروكسيد مما أدى إلى زيادة الموصلية السائل إذا سمح لها بالاستمرار لأكثر من بضع ثوان. فمن المستحسن ليحل محل السائل مع المواد الطازجة إذا الانحناء مشكلة.
    3. استقرار الجسر التالية الاشتعال.
      1. تأكيد اشتعال جسر بملاحظة وجود تدفق مستمر من السائل بين السفينتين. ملاحظة: هذا يحدث عادة بين 8-10 كيلو فولت وسيرافق التوصيل الحالي بين 250-500 أمبير اعتمادا على السائل المستخدم.
      2. لحن الجسر للتمديد عن طريق زيادة الجهد إلى 10-15 كيلو فولت مع الاستهلاك الحالي ~ 1،000 أمبير. ملاحظة: سوف تعتمد القيمة الفعلية على السائل المستخدم.
      3. توسيع الجسر لمسافة حوالي 1 ملم لكل 1 كيلو فولت الجهد تطبيقها، مثل 15 ملم لمدة 15 كيلوفولت. إذا لزم الأمر، وضبط الجسر مزيد تبعا لمتطلبات التجربة. ملاحظة: كاليفورنيا جسر مستقرةن الوجود لعدة ساعات.
  4. إجراءات الاغلاق
    1. إطفاء الجسر عن طريق تعطيل الإخراج على الجهد العالي امدادات الطاقة. انتظر عدة ثوان لالمكثفات امدادات الطاقة لتفريغ وقراءات الجهد لينخفض ​​إلى الصفر.
    2. استخدام "العصا ميت" التي شيدت في القسم 1.3 باختصار لأصحاب الكهربائي قبل التعامل مع أي أجزاء تنشيط سابقا.

4. التصوير

  1. هامش الإسقاط
    1. إعداد لوحة هامش الثنائية عن طريق طباعة خطوط سوداء على فيلم شفافة ويضعوا هذا إلى الشاشة براق الناشر. على سبيل المثال، استخدام A4 (أي 297 ملم × 210 ملم) لوحة هامشية.
    2. وضع لوحة هامشية أمام الخلفية بحيث من المتوقع هامش على كامل التجريبية مجموعة المتابعة.
    3. سجل سواء صور ثابتة أو أفلام من نمط هامش باستخدام أي عدد من الكاميرات الرقمية.
    4. تعقب التغييرات طن سطح السائل فضلا عن التغيرات في طول مسار بصري السائل subtending من خلال تحليل الصور المسجلة في 4.1.3. يتم تنفيذ الكمية تحليل التغيرات الملحوظة عبر تقييم هامش باستخدام حزم البرامج المختلفة مثل برنامج IDEA متاحة بحرية 49: ملاحظة. وتغطي تفاصيل واعتبارات التحليل هامش محددة في أماكن أخرى 49-51.
  2. التصوير الحراري
    1. تعيين مجموعة ديناميكية من الكاميرا الحفر الحراري وفقا لتعليمات الشركة المصنعة. ملاحظة: عادة معايرة نقطتين والذي يشمل نطاق درجات الحرارة المتوقعة كافية لتوفير تحليل الحراري الجيد. معظم الجسور السائلة تعمل في نطاق درجات الحرارة 20-50 درجة مئوية.
    2. إجراء تصحيح الابتعاثية ودرجة حرارة المعايرة تصوير سطح مفتوح من حجم السائل تحت الدراسة في درجات الحرارة المناسبة للتجربة.
      1. ملء سفينة مماثلة لالتي استخدمت في التجارب مع مجموعة المتابعة السائل تحت الدراسة في درجة حرارة الغرفة.
      2. قياس درجة حرارة السائل باستخدام thermoprobe الغمر مثل الحرارية نوع K.
      3. تسجيل صورة من السائل في الأشعة تحت الحمراء.
      4. رفع درجة حرارة السائل إلى درجات الحرارة المتوقعة في الجسر باستخدام طبق ساخن أو الميكروويف. ملاحظة: هذا هو عادة لا يزيد عن 10 درجة مئوية أقل من درجة غليان السائل (على سبيل المثال، 90 ° C للماء).
      5. كرر الخطوات من و4.2.2.2 4.2.2.3 لدرجة حرارة السائل مرتفعة.
    3. وضع الكاميرا قليلا فوق جسر الأفقي ومستوى مع جسر الرأسي وذلك لتحقيق أقصى قدر من المساحة السطحية المسجلة. ملاحظة: نظرا لامتصاص قوي من متوسطة وطويلة موجة الأشعة تحت الحمراء من قبل معظم السوائل القطبية، فقط توزيع درجة حرارة سطح الأرض تكون مرئية.
    4. سجل الأشعة تحت الحمراء للنظام قبل بداية الجسر لتمكين مخرجات على بوور العرض والمستمر حتى تنتهي التجربة أو المخزن المؤقت الكاميرا ممتلئ.

Representative Results

Electrohydrodynamic الجسور السائلة تختلف من الجسور السائلة الشعرية من قبل ثلاث خصائص: 1) التدفق، 2) التمدد، 3) الانبعاث الحراري. وأظهرت المقارنة في الشكل 2. قبل تطبيق الجهد الجسور الشعرية غالبا ما تكون صغيرة يمكن ملاحظتها بين السفينتين عندما يكون مستوى السائل حتى مع التدفق في التكوين الأفقي. هم لا مفر منه في تكوين الرأسي عند المسافة الفاصلة أقل من بضعة ملليمترات.

الجهد يمكن تطبيقها سواء في منحدر (انظر 3.4.2.1 في بروتوكول) أو خطوة (انظر 3.4.2.2 في البروتوكول). الفولتية أقل من قيمة العتبة (V ر) لن تنتج جسر EHD لكن يمكن أن تؤدي عدة ظواهر أخرى مثل توسيع حجم السائل (الشكل 4)، الحركة الصعودية من السائل خط الاتصال الكهربائي (الشكل 5)، والتناوب وتداول السائل السائبة (الشكل 6)، ايلىctrospraying وتشكيل النفاثة (الشكل 7). V t غير خاصية السائل عازلة قيد التحقيق، وتركيز ونوع من المكونات الحالية، فضلا عن جو التدريع استخدامها. عتبة الاشتعال هو أيضا وظيفة من الفصل السفينة. بينما الاشتعال الجسر هو ممكن مع فصل العديد من ملليمتر يجب أن يكون الجهد المطبق العالي ويمكن ملاحظة فترة أطول هادئة مع electrospraying أكثر عنفا قبل تشكيل اتصال السائل مستقر. على سبيل المثال، مع خزانات المياه تملأ مفصولة 5 مم، V ر يرتفع الى 17-20 كيلو فولت أو أعلى.

مرة واحدة تم تجاوز V ر مزيج من الانحناء والرش علامات الاشتعال (الأرقام 8A، 9A) يليه مباشرة تشكيل جسر رقيقة <1 مم في القطر. بمجرد إنشاء الجسر الحالي سوف تتدفق يليه تورم الجسر (8B أرقام، 9B) ل3-5 مم تبعا للظروف. في كثير من السوائل درس حتى الآن الوقت من جسر الاشتعال إلى تورم ما بين 10-500 ميللي ثانية وإلى حد كبير وظيفة من الجهد تطبيقها، بعد الانفصال، واللزوجة السائل 8،22،37.

في الجسور الأفقية الاتجاه تدفق يعتمد على الظروف السائلة محددة. عادة تدفق صافي يمتد من القطب الموجب نحو القطب السالب عندما قطبية الجهد العالي هو إيجابي. على امتداد (الشكل 8C) القطر تقلب عادة في الترددات المنخفضة بين 1-10 هرتز. كما تحدث اهتزازات الترددات العالية وتكون مرئية وموجات السطح. بصريا موجات كثافة النشطة مرئية في جسم الجسر عندما الخلفية مضاءة مع نمط هامش ثنائي. وظيفة استجابة محددة من نظام يعتمد على كل من نظام السائل وكذلك خصائص امدادات الطاقة.

الجسور العمودية متشابهة في كثير من النواحي إلى horizontal منها. ومع ذلك، وهذه لا تظهر أدلة على تدفق كتلة قوية وعادة ما يكون لمثل أمفورا شكل مبالغ فيه. زيادة النتائج القيادة الجهد في عمود اسطواني أكثر من السائل والتمدد (الشكل 9C) هو أفضل قليلا مما كان عليه في الجسور الأفقية (على سبيل المثال، 1.25 ملم / كيلو فولت للمياه). مثل الجسور الجسور الأفقية العمودية يمكن أن تشكل من دون اتصال مباشر بين الهيئات السوائل قبل الجهد. في هذه الحالة لوحظ مخروط تايلور لتشكيل متدلية على الحبرية العليا. وهذا يشمل رذاذ تشكيل أسفل طائرة المستقرة التي تتضخم بسرعة على اتصال مع قطرات لاطئة أقل.

على عكس electrosprays والجسور EHD في السوائل القطبية عازلة تتبدد الطاقة في شكل كلا الحرارية وكذلك غير الحراري بالأشعة تحت الحمراء (IR) الإشعاع 44. تسجيل الحراري الجسور السائلة (أرقام 7-10) هو أداة مفيدة لدراسة ديناميكية تدفق السطح فضلا عن تشو antifying للفي operando IR التوزيع الفعال للطاقة. ويرجع في جزء كبير منه إلى التدفئة أومية الانبعاثات الحرارية وبالتالي فهو مقياس حساس للاستقرار أيون كما تميل سوائل مختلفة للحرارة بشكل مختلف نظرا لنفسه تبديد الطاقة. على سبيل المثال الجسور الماء (الشكل 9C) تعمل عادة بين 35-50 درجة مئوية، والجسور الكحول تشغيل بضع درجات برودة على حساب كل من ضغط بخار أقل وكذلك الاختلافات في استقرار أيون 39. ويوجد مثال آخر لهذا السلوك المرتبط في DMSO ابروتوني التي لها ضغط بخار منخفض وتشكل الأيونات السالبة التي تهاجر في الاتجاه المعاكس لمعظم السوائل القطبية الأخرى. الجسور DMSO تميل إلى العمل في درجات حرارة قريبة من 100 درجة مئوية (الشكل 10A). اللزوجة والحرارة القدرة أيضا تلعب دورا هاما في كيفية الطاقة الحرارية يتبدد في النظام كما يمكن أن يرى من خلال التسخين الموضعي موجودة في الجسور الجلسرين (الشكل 10B).

معشوقة = "jove_content"> يمكن أن يحدث انهيار جسر خلال عدد من المسارات. فإنه من المرجح أن يحدث عندما الجسر إما تمديد بعيدا عن الجهد التشغيل أو عندما يتم خفض الجهد المطبق أقل من القيمة اللازمة للحفاظ على جسر بطول معين على النحو الذي تنبأ به عدد electrogravitational. سوف تفكك تسير عادة من خلال الحد من القطر (أرقام 8D، 9D) حتى يتم التوصل إلى القيمة الحرجة وعدم الاستقرار هضبة-رايلي تعطيل (8E أرقام، 9E) جسر تشبه يجند إلى سلسلة من قطرات الذي سوف يهاجر في الحقل الكهربائي. طريقة أخرى لتعطيل الجسر، وعادة لا توجد إلا في التكوين الأفقي، ويحدث عندما يصبح قطرها جسر كبير جدا مما أدى إلى كتلة عالية وطائرة الهبوط من الماء. يمكن أن يؤدي هذا السلوك إلى التذبذبات من الجسر إنتاج "يتأرجح" الأثر الذي قد يتسبب في زعزعة استقرار الجسر مرة أخرى إلى قطرات. brid كبيرة قطرهايمكن أن يحدث غيس نتيجة الضغط الزائد رئيس الهيدروستاتيكي في سفينة واحدة بسبب تدفق أحادي الاتجاه الذي يؤدي إلى حالة الفائض. بدلا من زيادة الجهد إلى قيم عالية مع فصل صغير فقط سوف تنتج جسر واسعة جدا أو "الطريق السريع للمياه". يمكن لهذه الجسور كبيرة قطرها تفشل أيضا في انهيار احد قطيرة الكبيرة التي تقع أسفل تحت الجاذبية.

الشكل 1
الرقم 1. المعدات الأساسية لEHD التجارب جسر السائل. تمثيل تخطيطي من الأفقي (أ) والعمودي (ب) نظام تجريبي نموذجي لإنشاء EHD الجسور السائلة. يتم حذف بعض التفاصيل الميكانيكية مثل تصاعد الأشرطة والدعم الكهربائي عن الوضوح. المكونات الأساسية هي الأوعية السائلة (ط) عازلة منصات أو موUNTS (ي)، الأقطاب الكهربائية (ك)، وإمدادات الطاقة عالية الجهد (م). ينصح مراحل الترجمة الخطية لفصل الآمن للالسفينتين يتم تأسيس مرة واحدة في الجسر. يتم تجميع العصا ميت هو مبين في لوحة (ج) من قطعة من مواد غير موصلة جامدة (ع)، وهو قضيب معدني موصل (ف)، والعديد من يلتف شريط كهربائي تطبق بطريقة المتقاطعة أو تحديد المواد الأخرى (ص) . يستخدم نهاية المعادن لتشكيل قصيرة بين القطبين بعد الانتهاء من التجارب للتأكد من أن الدائرة لا تبرأ قبل معدات المناولة. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الرقم 2. مقارنة الشعرية وEHD جسور المياه.جسر الشعرية الأفقي يمكن أن تمتد فقط فجوة صغيرة 1.5 مم (أ) في حين والجسور EHD الأفقية على ثلاثة الفولتية مختلفة 4 كيلو فولت (ب) و 6 كيلو فولت (ج)، 8 كيلو فولت (د) بسهولة تمر هذه الفجوة. لاحظ أن الجسور EHD تتدفق على ينبثق في حين تم تعليق جسر شعري بين ينبثق. كذلك الجسر الشعرية العمودي (ه) لديه الخصر أضيق (~ 1.5 مم.) ولا يمكن تمديدها ~ 3.3 ملم على عكس الجسور EHD العمودية التي هي للمد. وتظهر ثلاثة جسور EHD مدفوعة في 4 كيلو فولت (و)، و 6 كيلو فولت (ز)، و 8 كيلو فولت (ح) في المسافة الفاصلة نفس الجسر الشعرية. الجهد العالي يزيد جسر الخصر القطر، وسرعة تدفق وزيادة التدفئة نتيجة لزيادة تبديد الطاقة في الجسر. لوحظ زيادة في تكوين فقاعة أيضا في ارتفاع الفولتية كما يقلل الذوبان الغاز مع زيادة درجة الحرارة. شريط نطاق وفي جميع الأطر هو 1 مم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 3
الرقم 3. المنحنيات المميزة لجسر الماء السائل. العلاقة الجهد الحالي للجسور المياه السائلة في 0، 5، يتم رسم 10، 15 مم المسافة من الجسم. عتبة الأدنى أقل من التي لا ستشكل جسر السائل (انظر الصورة أقحم في أسفل اليسار)، وعتبة العلوية فوق الجسور التي هي غير مستقرة (صور أقحم 1-4) ملزمة منطقة الاستقرار. بالنسبة لمعظم الجسور مع بعض التمديد قابلة للقياس (أي ≥ 5 مم) مجموع تبديد الطاقة يكمن بين 10 و 20 واط. سوف تمزق جسرا ما وراء عتبة العلوية غالبا ما تتبع سلسلة من الأحداث تتقدم من أبرت العاديايون (الشكل 1)، وتسرب (الشكل 2)، وتراجع (أقحم 3)، وأخيرا تمزق (أقحم 4). يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4
الرقم 4. توسيع وحدة التخزين. سطح السائل سفينتين بأكمله يمكن أن ينظر في الارتفاع ردا على الحقل الكهربائي تطبيقها مع المعونة من نمط ثنائي هامش المتوقعة. يتم تصوير اثنين تفلون أكواب مملوءة بالماء مع نمط هامش المتوقعة على اثنين من الفولتية المطبقة مختلفة أ) 0 كيلو فولت وب) 15 كيلو فولت. ويتم تحليل التغير في هامش المتوقعة (لوحة ج) باستخدام برنامج IDEA 33 والذي يستخدم فورييه تصفيتها تحويل لتحويل التغييرات في وتيرة هامش تعديل لارتفاع ارتفاع نسبي. هو عدم تماثله للتحول الكشف يرجع إلى التردد المكاني انخفاض هامش والتحف المتوقع نظرا لجيب التمام منفصلة تحويل مقرها مرحلة إزالة التغليف الأسلوب. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الشكل 5. Dielectrophoresis وElectrowetting. الرد الكهروميكانيكية من الجلسرين إلى حقول كهربائية عالية المحتملة. قطبين البلاتين مغمورة في الجلسرين اللامائي في 0 كيلو فولت (أ)، و 19 كيلو فولت (ب) تظهر كيفية مدفوعة بقوة السائل صعودا. في تعديل التجربة Pellat لإزالة رفع حجم تماما من الخزان subtending العائد في الجسور EHD الجلسرينه الذي عقد بين القطبين (ج). وبالمثل، في حالة قضيب على شكل الأقطاب (د) خط التماس السلف يصل القطب مع تطبيق 15 كيلو فولت (ه) رفع الأقطاب تشد الجسم السائل صعودا لتشكيل المخروط الناقص المخروطية (و) تبين ترطيب تعزيز تولدها قوية الحقول. أشرطة النطاق هي 5 ملم. اللقطات المأخوذة من أشرطة الفيديو تكميلية S1 (AC) وS2 (DF). يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 6
الرقم 6. سوموتو تأثير تصور في الأشعة تحت الحمراء. تسلسل الصور بالأشعة تحت الحمراء من سفينة واحدة من الجلسرين في حقل كهربائي غير متجانسة قدمت باستخدام القطب الطائرة نقطة بسيطةالنظام هو مبين في الضوء المرئي في لوحة (أ). يتم تطبيق قوة (19 كيلو فولت DC) في ر = 0 ثانية. يحدث تبريد سطح المحلي تحت القطب نقطة (ر = 15 ثانية) ينتشر هذا التبريد المحلي عبر السطح ويتطور التغاير، وتوليد قوة دوران في حين فوري صغيرة في البداية ويحتاج إلى ما يقرب من 75 ثانية لتصبح مرئية على السطح. الوقت بين الإطارات هو 15 ثانية. شريط النطاق هو 10 ملم. اللقطات من الفيديو التكميلي S3. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7. قبل اشتعال التبريد في نظام الجسر الرأسي مع 10 ملم المسافة الفاصلة. وتايلور المخروط العلوي والسفلي قطرة لاطئة جسر المياه الرأسي المنصوص-U وترد في ص عن قرب خلال منحدر الجهد. هذه الصور هي في الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة وتمثل الانبعاثات السطح. من الصور هناك تبريد ثابت واستطالة (إعلان) من كلا السطوح السائلة والجهد تطبيقها يتم زيادة كل من يصل إلى الحد الأدنى من درجة حرارة 1-2 درجة مئوية تحت الأولي (أ) فقط قبل طرد من طائرة (ه) من تايلور مخروط العلوي. انخفاض قطرة ينتفض مقدما من طائرة شحن تنضم بسرعة ولكن بعد الاتصال (EF)، والانبعاثات يرتفع بسرعة كما يتم تأسيس مستقر جسر EHD السائل (ز). وأكد انخفاض درجة الحرارة باستخدام الألياف الضوئية الحرارية التحقيق. الحبرية هي أقل اطئة ~ 2 درجة مئوية أكثر دفئا من المخروط العلوي بسبب العملية سابقا؛ عادة السفينة عالية الجهد سيحقق درجة حرارة أعلى قليلا. اللقطات من الفيديو S4 تكميلية (أعلى مخروط) وS5 (قطرات أسفل).تحميل / 51819 / 51819fig7highres.jpg "الهدف =" _ على بياض "> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 8
الرقم 8. الصور قياس الحرارة من جسر أفقي المياه من الاشتعال إلى الانقراض. سلسلة التمثيلية للمركبة منتصف موجة (3،7-5،0 ميكرون) والموجة الطويلة (8،0-9،4 ميكرون) وصور الأشعة تحت الحمراء التي تميز المراحل التشغيلية للجسور السائلة الأفقية تعرض ل المياه: (أ) الإشعال، (ب) التوسع، (ج) التمديد، (د) استقرار، (ه) تفكك. في هذا تسلسل الصور انطفأ الجسر عن طريق إزالة الطاقة إلى النظام. من اللقطات التكميلي S6 الفيديو. الرجاء انقر هنا لعرضنسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 9
. الرقم 9. الصور قياس الحرارة جسر المياه الرأسي من الاشتعال إلى انقراض سلسلة التمثيلية للموجة الطويلة من الأشعة تحت الحمراء (7،5-9،0 ميكرون) الصور التي تميز المراحل التشغيلية للجسور السائلة العمودية أظهرت المياه: (أ) الإشعال، (ب) التوسع و (ج) انخفاض الجهد، (د) تشكيل يجند، (ه) تفكك إلى قطرات تحت تأثير عدم الاستقرار رايلي-الهضبة. يتم عرض الوقت المنقضي في ميللي ثانية. تم تعديل التباين في الإطارات الخلفية لتعزيز مشاركة قطيرة التصور. اللقطات من الفيديو التكميلي S7. الرجاء انقر هنا لعرض النسخة أكبرسيون من هذا الرقم.

الرقم 10
الرقم 10. الصور قياس الحرارة الجسور الأفقية في DMSO والجلسرين. ديمثيلكبريتيد (DMSO) (أ)، والجلسرين (ب) الانبعاثات جسر في مركب من منتصف موجة (3،7-5،0 ميكرون)، والأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة (8،0-9،4 ميكرون). اللقطات من الفيديو تكميلية S8 (DMSO) وS9 (الجلسرين). يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

تشكيل الناجح مستقرة وقوية الجسور EHD السائل يتطلب الانتباه إلى أن تدفع لبعض تفاصيل بسيطة لكنها مهمة. فمن الضروري أن الموصلية الأيونية من الحلول تكون منخفضة مثل العملي (على سبيل المثال، 1-5 ميكرو ثانية / سم). أن ندرك أن تلوث المياه يمكن أن يؤدي إلى زيادة التوصيل لبعض السوائل القطبية (مثل الجلسرين). غسل جميع الأواني الزجاجية جيدا الالتفات الى الشطف دقيق، واستخدام الأواني الزجاجية فقط خالية من التلوث الناجم عن قوس السطح أو علامات الحرق. بشكل عام هو ممارسة جيدة لارتداء قفازات عند التعامل مع أي معدات للوقاية من زيوت الجلد والأملاح من تلويث التجربة. يجب sonicated أقطاب لعدة دقائق في المذيبات قيد الدراسة ويوصى بأن هذه هي "في حرق" عن طريق تشغيل الجسر غير الممددة لمدة 30-45 دقيقة في القيم الحالية المرتفعة (على سبيل المثال، 3-5 مللي أمبير) للحد القطب الثانوي ردود الفعل. عالية النقاء (على سبيل المثال،> 99.9٪) المعادن النبيلة تعمل بشكل أفضل كمواد القطب وينبغي أن يكون مساحة كافية من اجل الحفاظ على الكثافة الحالية منخفضة على ترتيب 10 A / متر مربع وذلك للحد من التدفئة المحلية.

في حالة الجسور التي لها الاستقرار الفقراء أو يصعب تشغيله ويوصى لتأكيد أولا الموصلية هو ~ 1 ميكرو ثانية / سم وأنه لا توجد حمامات غريبة من السوائل التي يمكن أن تسمح للمسار الحالي بديل. بشكل عام فمن المستحسن أن تكون جميع الأسطح الجافة ممكن، اهتماما خاصا لأفلام رقيقة التي يمكن أن تشكل بين السفن وألواح العازلة. إذا الانحناء يحدث السلطة المقاطعة وخفض قيمة الجهد ثم تطبيق السلطة كما أصيب الانحناء سيؤدي إلى "تفحيم" من المناطق المتضررة التي يمكن أن تقلل الاستقرار جسر أو جسر منع اشتعال جميعا. إذا تم تطبيق السلطة للنظام فوق عتبة الجهد وأي أشكال جسر قضيب زجاج معزول يمكن استخدامها لاستخلاص السائل صعودا نحو عشرنقاط الاتصال الإلكترونية (مثل ينبثق الكأس) بين السفينتين. إذا استمر النظام على التصرف بطريقة غير مستقر تنظيف المعدات والبدء من جديد مع السائل الطازج. إذا تعذر ذلك، فمن المستحسن أن تأخذ جرد المناطق المحيطة بها الأجسام المعدنية الكبيرة، والمواد التي تدعم تهمة ثابتة، أو التيارات الهوائية القوية يمكن أن يحدث خللا الجسر و / أو الحقل الكهربائي التي تدعم ذلك.

يتم تعديل النظام التجريبي بسهولة لتناسب المواد المتوفرة عادة في معظم المختبرات. يمكن أن يكون من حاويات السائلة يجب أن تدفع ما يقرب من أي مواد متوافقة واهتماما خاصا للاشتعال الحاوية أو الطور السائل في حالة القوس الكهربائي. على سبيل المثال تفلون سوف تولد الغازات الخطرة عند احتراقه. شكل القطب، والتنسيب، والمواد يمكن أيضا أن تتغير لتتناسب مع قيود معين انشاء. يتم استخدام أقطاب كهربائية مستو عادة مصنوعة من احباط ولكن يمكن أيضا أن تستخدم سلك طويل مثل المبادئ التوجيهية الحالية كثافة تؤخذ بعين الاعتبار. الحقل الكهربائي تطبيقها يمكن أن يكون محض DC، AC النقي، أو AC DC منحازة. جميع سينتج الجسور السائلة داخل مدى استجابة تعتمد تردد للسوائل وصفها في المؤلفات على electrowetting على عازلة (EWOD) وdielectrophoresis (DEP) 9 التي تحدد نطاق تردد الاستجابة بين 20 هرتز و 20 كيلوهرتز لالفولتية معتدلة. قد نطاقات تردد أعلى تولد أيضا الجسور الرغم من أن هذه لم يتم اختبارها بشكل واضح، وقد أفاد بعض العمال الحد الأدنى للAC الجسور العمودية لتكون 50 هرتز 42. التوجه إلى الجاذبية أيضا تعديلها بسهولة طالما نظام يمكن وضعها لتوفير الأسطح السائل الحرة التي هي مستقرة دون وجود حقل كهربائي التطبيقية. وقد أجريت التجارب في غياب الجاذبية 41 والتي أظهرت أن هذه الجسور لديها الاعتماد على النفوذ استقرار الجاذبية التي تحافظ على توازن دقيق للقوى السائدة في جسر السائل.

الأنف والحنجرة "> جسور EHD السائل هي أداة جديدة يمكن إضافتها إلى ذخيرة من العديد من التطبيقات العلوم الطبيعية، فهي تسمح استكشاف التفاعل بين السائبة والسطح القوات مع المجالات الكهربائية تطبيقها خارجيا، حيث فتح الفرصة لدراسة وسائل جديدة ل خلط السوائل المختلفة 37؛ تغيير حركية التفاعل الكيميائي 52؛ النقل بروتون 44،45، ودراسة استجابة النظم البيولوجية لهذه الظروف 53 وبالإضافة إلى هذه الجسور تتيح الوصول المباشر إلى سطح السائل دون أي هياكل subtending جسديا الذي أثمر بالفعل جديدة. المعلومات الطيفية على الديناميات في الماء السائل 28 وتلميحات ليس فقط في وجود مفتاح الدولة تسيطر كهربائيا حيث خصائص السائبة جديدة تظهر 31 ولكن في القدرة على فحص السائل السائل التحولات المرحلة 54 من خلال طريقة جديدة تماما. تطبيق الصناعي على نطاق واسع عمليات EHD (على سبيل المثال 26، وelectrospray 32،33 الطرق) بالتأكيد يمكن أن تستفيد من دراسة أخرى من هذه الظواهر المتحالفة عن كثب.

Acknowledgments

تم تنفيذ هذا العمل في إطار TTIW-تعاون Wetsus، مركز التميز لتكنولوجيا المياه المستدامة (www.wetsus.nl). ويتم تمويل Wetsus من قبل وزارة الشؤون الاقتصادية الهولندية، وصندوق التنمية الإقليمية للاتحاد الأوروبي، مقاطعة Fryslân، مدينة يوفاردن وبرنامج EZ / البوصلة من 'Samenwerkingsverband نورد هولندا ". الكتاب أود أن أشكر المشاركين في موضوع البحث "الفيزياء التطبيقية المياه" للمناقشات مثمرة ودعمها المالي.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Borosilicate Crystallization Dishes VWR 216-0064
Double walled roundbottom flask with GL14 and GL8 openings along with 6 mm 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 MΩ water prior to use
HVPS FUG GmbH HCP 350-65000 65 kV DC at 5 mA maximum output
Fiber Optic Temperature Probe System OpSens OTG-F Sensor/ XXX-XXX Control Unit Readout speed 1 kHz, accuracy 0.01 K, probe size 120 μm
Long Wave Infrared Camera IRCAM GmBH Taurus 110K L 168 FPS 384 x 288 Sensitivity < 30 mK
Long Wave Infrared Camera FLIR FLIR 620 30 FPS 640 x 480 pixel Sensitivity to < 45 mK
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 MΩ Water Milli-Q Advantage Allow 24 hr 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hertz, H. R. Ueber die Vertheilung der Electricitat auf der Oberflache bewegter. Leiter Wied Ann. 13, 266-275 Forthcoming.
  2. Quincke, G. Electrische Untersuchungen. 255, 3rd Ser, Ann Phys Chem. Leipzig. 705-782 (1883).
  3. Armstrong, L. W. Electrical phenomena. The Electrical Engineer. 10, 154-155 (1893).
  4. 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).
  5. Fuchs, E. C., Gatterer, K., Holler, G., Woisetschläger, J. Dynamics of the floating water bridge. J Phys-D-Appl Phys. 41, 185502-185507 (2008).
  6. Pellat, M. H. Mesure de la force agissant sur les diélectriques liquides non électrisés placés dans un champ élitrique. C R Acad Sci Paris. 123, 691-696 Forthcoming.
  7. Jones, T. B. An electromechanical interpretation of electrowetting. J Micromech Microeng. 15, 1184-1187 (2005).
  8. Saija, F., et al. Communication an extended model of liquid bridging. J Chem Phys. 133, 081104 (2010).
  9. Wang, K. L., Jones, T. B. Frequency Dependent Electromechanics of Aqueous Liquids Electrowetting and Dielectrophoresis. Langmuir. 20, 2813-2818 (2004).
  10. 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).
  11. Cloupeau, M., Foch, B. P. Electrohydrodynamic Spraying Functioning Modes A Critical Review. Journal of Aerosol Science. 25 (6), 1021-1036 (1994).
  12. Sumoto, I. An interesting phenomenon observed on some dielectrics. J Phys Soc Jpn. 10 (6), 494 (1955).
  13. Okano, K. On the rotatory motion of dielectrics in static electric field. J J App Phys. 4 (4), 292-296 (1965).
  14. Pickard, W. F. Experimental Investigation of the Sumoto Effect. J Appl Phys. 32, 1888-1893 (1961).
  15. Pickard, W. F. Electrical Force Effects in Dielectric Liquids. Prog Dielectrics. 6, 1-39 (1965).
  16. Mirza, J. S. Sumoto effect under transient conditions. Jpn J Appl Phys. 19, 1297-1300 (1980).
  17. Pellat, M. H. Force agissant á la surface de séparation de deux diélectriques. CR Seances Acad Sci (Paris). 119, 675-678 (1894).
  18. Melcher, J. R., Taylor, G. I. Electrohydrodynamics A Review of the role of interfacial shear stresses. Annu Rev Fluid Mech. 1, 111-146 (1969).
  19. Melcher, J. R. Continuum Electromechanics. , MIT Press. Cambridge, MA. (1981).
  20. 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).
  21. Melcher, J. R. A tutorial on induced electrohydrodynamic forces. , MIT. Cambridge, MA. (1968).
  22. 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).
  23. Galliker, J., Schneider, H., Eghlidi, S., Kress, V. S. andoghdar, Poulikakos, D. Direct printing of nanostructures by electrostatic autofocussing of ink nanodroplets. Nature Communications. 3, (2012).
  24. Fuller, S. B., Wilhelm, E. J., Jacobson, J. M. Ink jet printed nanoparticle microelectromechanical systems. J Microelectromech Syst. 11, 54-60 (2002).
  25. 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).
  26. Tao, W. E., Inai, R., Ramakrishna, S. Technological advances in electrospinning of nanofibers. Sci Technol Adv Mater. 12, 013002 (2011).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Sill, T. J., von Recum, H. A. Electrospinning Applications in drug delivery and tissue engineering. Biomat. 29, 1989-2006 (2008).
  31. Zeng, J., Korsmeyera, T. Principles of droplet electrohydrodynamics for lab on a chip. Lab Chip. 4, 265-277 (2004).
  32. 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. , Elsevier Science BV. 154-164 (2011).
  33. 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).
  34. Feynman, R. P. Feynman Lectures on Physics. Volume II Mainly Electromagnetism and Matter, California Institute of Technology Press. ISBN 0-201-02117-X-P (1964).
  35. Zhang, X., Zahn, M. K. err 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).
  36. 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).
  37. Marín, A. G., Lohse, D. Building water bridges in air; electrohydrodynamics of the floating water bridge. Phys Fluids. 22, 122104 (2010).
  38. Morawetz, K. Theory of water and charged liquid bridges. Phys Rev E. 86 (2), 026302-026310 (2012).
  39. Onsager, L. Deviations from Ohm’s law in weak electrolytes. J Chem Phy. 2 (9), 599-615 (1934).
  40. Nishiumi, H., Honda, F. Effects of Electrolyte on Floating Water. Res Let Phys Chem. 2009, 371650 (2009).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. 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).
  48. Kaneko, K. Effect of space charge on the breakdown strength under polarity reversal. Elec Eng Jap. 106, 3 (1986).
  49. Hipp, M., Woisetschläger, J., Reiterer, P., Neger, T. Digital evaluation of interferograms. Measurement. 36, 53-66 (2004).
  50. Kreis, T. Handbook of Holographic Interferometry Optical and Digital Methods. , Wiley VCH. 554 (2004).
  51. 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).
  52. Paulitsch Fuchs, A. H., et al. Prokaryotic transport in electrohydrodynamic structures. Phys Biol. 9, 026006-026016 (2012).
  53. Stanley, H. E., et al. Advances in Solid State. Liquid Polyamorphism and the Anomalous Behavior of Water. Haug, R. 48, 249-266 (2009).

Tags

الفيزياء، العدد 91، جسر عائم الماء والسوائل عازلة القطبية، جسر السائل، electrohydrodynamics، الحراري، dielectrophoresis، electrowetting، Sumoto من تأثير، تأثير ارمسترونغ
لإعداد Electrohydrodynamic جسور من السوائل القطبية عازل
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wexler, A. D., López… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter