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Engineering

Die Herstellung elektro Bridges von Polar Schlags Flüssigkeiten

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

Horizontale und vertikale elektroFlüssigkeitsBrücken sind einfach und leistungsfähige Werkzeuge für die Erkundung der Wechselwirkung von hoher Intensität elektrische Felder und Polar dielektrische Flüssigkeiten. Die Konstruktion der Basisvorrichtung und Betriebsbeispiele, einschließlich Wärmebilder für drei Flüssigkeiten (beispielsweise Wasser, DMSO und Glycerin) dargestellt.

Abstract

Horizontale und vertikale Flüssigkeitsbrücken sind einfach und leistungsfähige Werkzeuge für die Erkundung der Wechselwirkung von hoher Intensität elektrische Felder (8-20 kV / cm) und Polar dielektrische Flüssigkeiten. Diese Brücken sind einzigartig von Kapillar-Brücken dadurch, dass sie zeigen Erweiterbarkeit über ein paar Millimeter, haben komplexe bidirektionale Massenübertragungsmuster, und emittieren nicht-Planck-Infrarot-Strahlung. Eine Reihe von gängigen Lösungsmitteln können solche Brücken sowie niedrigen Leitfähigkeitslösungen und kolloidale Suspensionen zu bilden. Die makroskopische Verhalten von Elektrohydrodynamik bestimmt und stellt ein Mittel zum Studium der Fluidströmungsvorgänge ohne die Anwesenheit von starren Wänden. Vor dem Einsetzen einer Flüssigkeitsbrücke mehrere wichtige Phänomene zu beobachten, einschließlich Vorschubmeniskushöhe (Electrowetting) Hauptfluidkreislauf (der Sumoto-Effekt), und der Ausstoß von geladenen Tröpfchen (Elektrospray) werden. Die Wechselwirkung zwischen der Oberfläche, Polarisation und Verschiebekräfte können direkt untersucht werdenunterschiedlichen angelegten Spannung und Brückenlänge. Das elektrische Feld, durch die Schwerkraft unterstützt, stabilisiert die Flüssigkeitsbrücke gegen Rayleigh-Plateau-Instabilitäten. Konstruktion der Basisvorrichtung für vertikale und horizontale Ausrichtung sowie Betriebsbeispiele, einschließlich Wärmebilder für drei Flüssigkeiten (beispielsweise Wasser, DMSO und Glycerin) dargestellt.

Introduction

Die Wechselwirkung zwischen elektrischen Feldern und flüssige Materie Ergebnisse in einer Reihe von sich entwickelnden Kräfte im Material der Masse. In Echt flüssigen Dielektrikum Systeme ergeben sich die nicht zu vernachlässigenden Feldgradienten und Symmetriebrechung Geometrien in einer Reihe von scheinbar eigenartigen Effekten. Hertz war einer der ersten, beachten Sie die Drehbewegung in Flüssig-Fest-Systemen dielektrische 1. Quincke beobachtet, daß die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten nicht nur durch das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes verändert, aber dass diese Änderung in Folge der Ausübung von Kräften auf den Strömungskörper und könnte verwendet werden, um die Drehbewegung 2 induzieren. Armstrong entdeckte die schwimmenden Wasserbrücke im Jahre 1893 3, die eine rätselhafte Partytrick blieb bis vor kurzem, als Fuchs und Mitarbeiter erkundet Masse und Ladungstransportmechanik 4,5 und wiedereröffnet ernsthafte wissenschaftliche Untersuchung der Mechanismen, mit denen diese Brücken zu bilden. Elektrische Felder haben die ability Flüssigkeiten gegen die Schwerkraft als Pellat Arbeit über dielektrische Flüssigkeit Anstieg zwischen parallelen Plattenelektroden heben zeigt 6. Dieser Hebevorgang zeigt einen Frequenzabhängigkeit und schließlich über die Maxwell Spannungstensors 7 beschrieben. Dies ist wichtig, wenn man die Flüssigkeit Anstieg mit elektro (EHD) Flüssigkeitsbrücken verbunden, die unter AC Bedingungen zeigen nicht eine Frequenzabhängigkeit 8 ähnlich auf dielektrischen (EWOD) und Elektrobenet dielektrophoretischer (DEP) Massenstrom 9. Darüber hinaus ist die Anwendung von High Potential elektrischer Felder bei der Kontrolle der Flüssigkeitsstrahl brechen wichtig und die Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit Flüssigkeiten für das Verständnis der industriell wichtige Prozess der Elektrospray-Zerstäubung 10,11 ist.

Ein externes elektrisches Feld beeinflusst nicht nur die Oberflächenenergie. Aufgrund der Wirkung der Polarisation und Schubspannung, Strömungsmusterhergestellt werden. Ein Beispiel ist die Zirkulation von Flüssigkeiten in Gegenwart eines inhomogenen elektrischen Feldern. Hiermit electroconvective Strömungen in der flüssigen Masse durch Scherspannungen angetrieben etabliert. Sumoto gezeigt, dass ein Fluid-Motor kann mit einem Glas Rotor, der entweder eine polare Flüssigkeit oder eine Metallstange in einem nichtpolaren dielektrischen eingetaucht und in einem inhomogenen elektrischen Feld 12 plaziert gebaut werden. Spätere Analyse von Okano verwendet ein homogenes Feld Annäherung 13, um die Drehung Problem, das nur qualitativ die experimentellen Ergebnisse entsprechen könnte zu lösen und benötigt die dielektrischen Flüssigkeiten als singuläre Massen reagieren. Andere Forscher über das Thema verfehlt den Punkt, als sie völlig falsch berichtet und erkundeten die Sumoto Wirkung wie ein Flüssigkeitspegel steigen 14-16 in Reaktion auf das elektrische Feld Arbeit Pellat 17 Pionierarbeit geleistet. Die Bedeutung der Oberflächensymmetriebrechung für den Prozess der Lokalisierung von Ladung und erzeugt Scher stress 18 ist wichtig, für die Forschung an Flüssigkeit EHD Brücken zu erreichen. Melcher Abhandlung über Kontinuum Elektromechanik 19 bietet eine komplette theoretische Grundlage für die Behandlung von Mengen von Flüssigkeiten und erleichtert die Freiflächen innerhalb der isotropen homogenen Grenze. Die Bedeutung der Flächen ist jedoch klar, auch aus dem Kontinuum Standpunkt als den Verlust der Symmetrie Ergebnisse in Schubspannung, die Groß Bewegung erzeugen kann. Im allgemeinen Fall von diskreten mobilen Fluidvolumina, die polarisiert und können zu der resultierenden Reaktionskraft bei Annäherung an die Oberfläche kann genommen wird, kann das elektrische Feld in Wechselwirkung sowohl der Navier-Stokes-20 und Bernoulli 7,21,22 Beziehungen ersetzt werden die Vielzahl der EHD Strömungsphänomene einschließlich Flüssigkeitsbrücken zu beschreiben. Weitere Untersuchung der Flüssigkeitsbrücken eine Anzahl von EHD basierten Technologien wie Tintenstrahldruck 23-25, Mikro und Nanomaterialbearbeitung 26-28, Drug Delivery 29 verbessern, 30, biomedizinische Anwendungen 31,32, 33 und Entsalzung.

Die hier beschriebenen Verfahren ermöglichen den Zugriff auf die Bildung von Flüssigkeitsbrücken EHD, die in polaren Flüssigkeiten, deren Moleküle eine permanente Dipolmoment vorhanden sind. Die verhängten inhomogenes elektrisches Feld führt zu einer teilweisen Polarisation des Dipols Bevölkerung was eine lokale Änderung der Dielektrizitätskonstante somit weiter verstärken Feldgradienten 18,34,35. Diese Polarisation führt zu einer Verschiebungskraft, die in Abhängigkeit von der relativen Stärke des angelegten Feldes eine Anzahl von verschiedenen Flüssigkeitsreaktionen (siehe Figuren 4-7), was schließlich zu der Bildung einer Brücke zu erzeugen. Die Flüssigkeit wird auch eine Taylor-Strömung 22,36 entlang der Elektrodenflächen vor allem in Fällen, wo es eine scharfe Kante vorhanden auf den Elektroden. Die Möglichkeit der Ladungsinjektion an scharfen Kanten auch existiert und ist im Einklang mit derBildung von Schichten, die heterocharge electroconvective Strömungen in der flüssigen Massen 22 und verbindet damit die Flüssigkeit Brückensystem mit dem Effekt Sumoto 12 zu generieren. Die Regierungs EHD Beziehungen für Brücken werden an anderer Stelle für Wasser und andere polare Flüssigkeiten 22,36-38 bedeckt. Diese theoretischen Ansätze leiden bestimmte Einschränkungen, die berücksichtigt werden sollten, bei der Annäherung an experimentellen Daten. Die Maxwell Spannungstensor Behandlung 36 ist unempfindlich gegen Feld Heterogenitäten sowie Ungleichmäßigkeiten in der flüssigen Brücke. Eine reine EHD Ansatz bietet 37 stationäre Definitionen des electrogravitational Nummer und seine Beziehung zu der Brücke Seitenverhältnis; jedoch werden die Strömungsdynamik und wichtige Einschwingvorgänge (zB Schaffung Brücke) nicht vorhergesagt werden. Drei dimensionslose Zahlen sind nützlich bei der Analyse von Stabilität der Brücke und werden hier abgeleitet, wie zuvor von Marín & Lohse 37 veröffentlicht E) ist, welche als das Verhältnis zwischen elektrischer und Kapillarkräften definiert ist:

Gleichung 1

wobei ε 0 die Vakuum-Dielektrizitätskonstante, ε r die relative Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit, E t ist das elektrische Feld über der Brücke, ist γ die Oberflächenspannung, d n und d L werden die vertikalen und horizontalen Projektionen des Durchmessers, so daß dem mittleren Durchmesser D m zu ergeben. Die Bond-Nummer (Bo) beschreibt das Gleichgewicht zwischen Schwerkraft und Kapillarkräfte:

Gleichung 2

wobei g die Erdbeschleunigung ist, l die freie Brückenlänge, und V das Volumen Brücke. Die Beziehung zwischenGravitations, Kapillar-und elektrische Kräfte in Bezug auf die Anzahl electrogravitational G E ausgedrückt werden:

Gleichung 3

Die maximale Dehnbarkeit von einer Brücke zu der angelegten Spannung bezogen, während der Strom durch die Brücke ist an die Querschnittsfläche und somit den Durchmesser bezogen. Diese Beziehungen sind gekoppelt, bestimmen die Brückenvolumen und damit die Stabilitätsbereich definieren für jede gegebene Betriebsflüssigkeitsbrücke. Die Kennlinien für eine Wasserbrücke sind in Abbildung 3, die eine Untergrenze, unterhalb welcher das angelegte Feld ist zu schwach, um die Oberflächenspannungskräfte und eine obere Schwelle, oberhalb der die Masse der Brücke zu groß ist, was zu undichten überwinden zeigt, welche weiter stört das Feld und die Ergebnisse in Brücke Bruch.

Die allgemeinere Genussment von Flüssigkeitsbrücken in polaren Lösungsmitteln 19,22 bietet die kombinierten Druck Begriffe, die mit der Brücke, die Kräfte über Flussdynamik im Rahmen eines modifizierten Bernoulli-Gleichung mit Elektro Verschiebung Begriffe auf den Druck tigen Mehrvorherzusagen. Neben der Onsager-Beziehung für die Ionenstabilität 24 ist in Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen über Gleichgewichtspumprichtung und thermische Emission aufgenommen.

Eine Anzahl von polaren Flüssigkeiten untersucht worden, einschließlich Wasser, niederen aliphatischen Alkoholen (beispielsweise Methanol), Poly-Alkohole (beispielsweise Glycerin), Dimethylsulfoxid (DMSO), und anderen polaren organischen Verbindungen (zB Dimethylformamid). Nicht-polaren dielektrische Flüssigkeiten (zB Hexan) nicht Brückenbildung aufweisen. Die dielektrischen Flüssigkeiten unterstützen kann Brücken bisher untersuchten 8,22,37 liegen in einem gut definierten Gruppe von physikalischen Parametern, die einen guten Ausgangspunkt zu etablieren for weitere Experimente: geringe Leitfähigkeit (σ <5 uS / cm), moderate statische relative Dielektrizitätskonstante (ε = 20-80), mäßige bis hohe Oberflächenspannung (γ = 21-72 mN / m). Interessanter eine breite Palette von Viskositäten (η = 0,3 bis 987 mPa · s) Arbeit so Brücken. In Flüssigkeiten mit ausreichend hoher Viskosität wie Glycerin ist es möglich, eine Brücke direkt aus der flüssigen Masse (siehe Abbildung 5) ziehen und ist ein wichtiges Bindeglied zwischen dielektrophoretischer Kräfte und Flüssigkeitsbrücken. Ionenlösungen (zB NaCl (aq)) sehr störend auf die Bildung und in früheren Studien 40 überbrückt ist gezeigt worden, um die Temperatur der Brücke zu erhöhen, verringert die Länge der angelegten Spannung Verhältnis und Erweiterbarkeit zu reduzieren. Dieses Verhalten ist im Wesentlichen auf die Ladungsabschirmungseffekt von gelösten Ionen sowie erhöhte Stromleitung, die die Kopplung zwischen den Fluidvolumenelemente und dem elektrischen Feld verringert zurückzuführen.

<p class = "jove_content"> auf dem Kontinuum Ebene EHD Phänomene entstehen, nur weil die notwendige Druck Begriffe, die Elektrostriktion begleiten werden nur an der Flüssigkeitsoberfläche 21 gefunden. Außerdem gibt es eine Beziehung zwischen der Stabilität EHD Flüssigkeitsbrücken und die Stabilität der Schnittstellen im System. Im Fall der Schwerkraft reduziert Experimente 41 die expandierenden Oberfläche führt zu einer Kraft, die die Brücke auseinander reißt. Ebenso, wenn die Oberfläche zu beschränken oder die Kontaktfläche gegenüber liegenden kleinen Brücke wird wahrscheinlich entwickeln Instabilitäten. Dies kann in den Brücken, die durch Rohrleitungen oder im Fall von vertikalen Brücken, wo eine Elektrode nach oben von der Oberfläche gezogen gespeist werden erläutert - die resultierenden Brücken im Dauerbetrieb weniger stabil, da sie nicht über die charakteristischen Strömungsdynamik in der Situation, wo gefunden Beide Behälter haben eine große freie Fläche. Brücken, deren Verbindungen mit dem Fluidreservoir innerhalb Schlauch anzeigen i beschränktncreased thermische Akkumulation und fallende Oberflächenspannung. Es ist typisch, dass eine Luftschnittstelle spontan innerhalb der Rohrleitung zu bilden. Diese Bedingung Grenzen sowohl die maximale Erweiterbarkeit sowie die durchschnittliche Lebensdauer der Brücke für enge Flüssigkeitsbrücken. Offene Oberflächenwasser Brücken bis 35 mm Länge bei 35 kV erweitert werden, während keine Brücke wird zu einem so Beschleunigungsspannung in der Gefangenschaft als Flüssigkeit bestehen vorzugsweise Übergänge in einem Elektrobetrieb. Ebenso kostenlos Oberflächenwasser Brücken Stabilität Lebensdauer annähernd 10 Stunden lang unter kontrollierten Bedingungen, während im Rohr zugeführt Systeme die Lebensdauer ist in der Regel weniger als 2 Stunden.

EHD Phänomene werden in der Regel nur auf der Ebene Kontinuum betrachtet. Eine begrenzte Anzahl von Untersuchungen über die molekularen Grundlagen von Flüssigkeitsbrücken durchgeführt wurden. Ein Raman-Studie mit 42 vertikalen AC Brücken untersuchten die intermolekulare OH-Streckschwingung im Vergleich zu reinem Wasser. Einige Änderungen in der SCattering Profile nach der Anwendung des elektrischen Feldes gezeigt, um eine strukturelle Ursprung haben. Mit ultraschnellen Mittelinfrarotspektroskopie Pump-Probe auf einer schwimmenden Wasserbrücke 43 die Schwingungs Lebensdauer der OH-Streckschwingung von HDO-Moleküle in einer HDO enthalten: D 2 O Wasser Brücke wurde festgestellt, dass kürzere (630 ± 50 fs) als für HDO-Moleküle in Groß HDO: D 2 O (740 ± 40 fs), während im Gegensatz dazu die Thermalisierung Dynamik nach dem Schwingungs Entspannung viel langsamer (1.500 ± 400 fs) als in Groß HDO: D 2 O (250 ± 90 fs). Diese Unterschiede in der Energie Relaxationsdynamik deuten stark darauf hin, dass der Wasserbrücke und Großwasser unterscheiden auf molekularer Ebene. Außerdem Forschung über die Infrarot-Emission eines schwimmenden Wasserbrücke ergab eine nicht-thermische Funktion, die zu einem Übergang von einem angeregten Zustand in den Grundzustand eines Protonenleitungsband 44 durch sein könnte. Eine weitere neuere Studie Raman Reported, die in DC Wasserbrücken ein radialer Verteilung in den Spektren, die indikativ für relative Unterschied in der lokalen pH zwischen Kern und Außenschale der Brücke 45 ist. Die radiale Verteilung der physikalischen Eigenschaften innerhalb EHD Flüssigkeitsbrücken wird durch UV unelastischen Streuexperimente 46, die widersprüchlichen radialen Verteilungen gibt der Temperatur und Dichteprofile und kann durch einen Gradienten in der molekularen Freiheitsgrade oder die Anwesenheit eines Sekundärphase erklärt werden, entweder unterstützt Nano Blasen. Die spätere Konzept nicht durch einen Kleinwinkel-Röntgenstreuung Studie 47 gelagert, während der Begriff der gehinderten Rotation (dh Librationen) aus Infrarot-Emissionsspektren 44 unterstützt. Die Vorzugsströmungsrichtung im EHD Flüssigkeitsbrücken ergibt sich aus Veränderungen in der Auto Dissoziationskinetik. In Übereinstimmung mit der Arbeit von Onsager diese Feststellung hält Versprechen für den Anschluss von molekularen und Kontinuum Phänomene Pegel <sup> 22. Weitere Hinweise auf molekularer Basis zu EHD Phänomen wird bei der Beobachtung festgestellt, dass die thermische Emission aus einem dielektrischen Tropfens verringert lokal als Reaktion auf die Erhöhung des elektrischen Feldes und mindestens einen Wert unmittelbar vor dem Einsetzen einer Brücke (siehe Abbildung 7).

EHD Flüssigkeitsbrücken eine Gelegenheit, das Zusammenspiel zwischen den Kräften an mehreren Längenskalen zu untersuchen und es ist das spezifische Ziel dieser Arbeit, ein standardisiertes Verfahren zur Herstellung dieser Art von Brücken in einer Reihe von Flüssigkeiten mit beliebiger Orientierung relativ zur Schwerkraft sorgen, dass die Träger ist Entstehung der volle Satz von charakteristischen Phänomenen zuvor diskutiert.

Protocol

1. Allgemeine Empfehlungen

  1. Während der Aufbau des Experiments, um eine Verunreinigung durch Schweiß oder Öl von den Händen zu verhindern tragen Einweg, puderfreie Handschuhe.
  2. Reinigen Sie alle Glaswaren, Elektroden und andere Teile, die Kontakt mit der Flüssigkeit untersucht, wobei besonderes Augenmerk auf die Einführung von Verunreinigungen, die in der flüssigen Phase lösen kann, zu verhindern.
  3. Mit Hilfe eines Leitfähigkeitsmessgerät, messen die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit, die im Experiment verwendet werden und bestätigen, dass es ≤1 uS / cm.

2. Versuchsaufbau

  1. Horizontalen Brückensystem (Abbildung 1a)
    1. Setzen Sie ein Paar einstellbare Höhe Plattformen auf einer Ebene nicht leitende Oberfläche. Fix einer Plattform an Ort und Stelle und montieren Sie die andere Plattform auf einem motorisierten Linearverschiebetisch, der eine Mindestreise von 25 mm hat.
    2. Sichere Isolierplatten (Abbildung 1a, Teil j) zu the Oberseite der verstellbaren Plattformen. Verwendung isolierenden Platten, die überdimensioniert sind, so dass sie überragen die Plattformen von mindestens 10 mm auf allen Seiten. Verwenden Sie gängige Materialien wie Teflon, Acryl oder Fensterglas. Wählen Sie die Dicke auf Schlag an der geplanten Maximalspannung zu verhindern.
    3. Schließen Sie die Hochspannungsversorgung (Abbildung 1a, Teil m) nach den Anweisungen des Herstellers.
    4. Lot Krokodilklemmen an das Ende von sowohl der Hochspannung und Masseleitungen.
    5. Klemmen Sie ein Ende eines starren Tragarm aus Isolationsmaterial auf einen Ring aufgebaut stehen mit dem isolierenden Stab waagerecht über der isolierenden Plattformen herausragt.
    6. Montieren Sie den Boden und Hochspannungsleitungen zu den Tragarmen entweder mehrere Packungen von Isolierband, Kabelbinder Nylon oder anderen geeigneten Mitteln, so dass die Krokodilklemmen ragen nach unten über den isolierten Plattformen.
    7. Clip eine Platinelektrode (Abbildung 1a, Teil k) In jeder der beiden Krokodilklemmen.
    8. Positionieren der Tragarme, so daß die Hochspannungsleitung über der festen Plattform und der Massedraht oberhalb der beweglichen Plattform.
  2. Vertikale Brückensystem (Abbildung 1b)
    1. Befestigen eines nicht-leitfähigen Klemme in eine lineare Verschiebebühne, so dass die Klammer mindestens 25 mm zu reisen. Verwenden Sie diesen Haken, um den Behälter (Abbildung 1b, Teil I), die mit dem Schutzleiter verbunden wird halten.
    2. Montieren Sie diese Versammlung zu einer vertikalen starren Tragstruktur.
    3. Befestigen einer ähnlichen nicht leitenden Klammer in der Linie und unterhalb des Trägers auf der linearen Translationsbühne. Verwenden Sie diesen Haken, um den Behälter, der an die Hochspannungsleitung angeschlossen wird halten.
  3. Machen Sie eine "dead-Stick" (siehe Abbildung 1c zur Illustration)
    1. Zu erhalten, ein Stück aus einem nicht leitenden steifen Material, wie einem Glas oder Kunststoffstab 30-40 cm lang (Figur &# 160; 1c, Teil p).
    2. Bringen Sie ein Stück aus leitendem Metall 10-15 cm lang (Abbildung 1c, Teil q) an einem Ende der Stange mit mehreren Windungen des Elektro-Band (Abbildung 1c, Teil r) in einer Art und Weise durchzogen oder andere Befestigungsmaterial aufgebracht.
    3. Mit der "dead-Stick", um die Hochspannung und der Masseelektrode mit dem Metallende zu überbrücken, nachdem die Stromversorgung abgeschaltet, um sicherzustellen, daß die Schaltung vor Transport entladen.

3. Betrieb von Flüssigkeitsbrücken

  1. Horizontale Flüssigkeitsbrücken
    1. Füllen Sie jedes Gefäß (Abbildung 1a, Teil I) mit ausreichend Flüssigkeit, um die Oberfläche innerhalb 1-5 mm des Becherauslauf oder die Felge zu bringen. Für die in dieser Demonstration eingesetzten Schiffe (Durchmesser 60 mm), verwenden 67 g Flüssigkeit für Wasser, 74 g für DMSO, oder 84,4 g Glycerin.
    2. Legen Sie die 2 Schiffe auf dem isolierenden Plattform, so dass sie phystisch einander an einer einzigen Stelle in Verbindung zu treten, wie die Ausläufe, aber die gerade Wand Felge wird auch funktionieren.
    3. Passen Sie die Bahnsteighöhen, so dass die Flüssigkeit nur an die Platin-Elektrode und nicht die Krokodilklemme oder Draht. Achten Sie auf die vertikale Ausrichtung, so dass die resultierende Brücke ist waagerecht.
    4. Positionieren der Platin-Elektroden in der Flüssigkeit gefüllt Gefäße, so dass sie ein Minimum von 15 mm von der Kontaktposition, wo die Brücke zu bilden. HINWEIS: In der Regel werden die Elektroden zwischen der Mitte des Gefäßes und der Wand am weitesten von dem die beiden Behälter einen Kontakt gebracht.
  2. Vertikale Flüssigkeitsbrücken
    1. Zwei saubere, geschlossene Gefäße mit einer Flüssigkeit Port, wie in 1b gezeigt, Teil I.
    2. Füllen Sie jedes Gefäß mit der Flüssigkeit untersucht, so dass es keine eingeschlossene Luftblasen.
    3. Legen Sie eine Elektrode (Abbildung 1b, Teil k) in jedem Gefäß und schließen Sie die cAP, um die Flüssigkeit festzuhalten.
    4. Montieren Sie die zwei geschlossenen Behältern in die nicht leitende Schellen (siehe 2.2), so dass die Öffnungen aufeinander zeigen.
    5. Ein paar Tropfen der Flüssigkeit an der Öffnung des unteren Rohrs, so daß eine gekrümmte Flüssigkeitsoberfläche ragt einige Millimeter über dem Glasrand.
    6. Bringen Sie den oberen Behälter nach unten, so dass es nur Kontakte die untere bilden eine kleine Kapillare Brücke.
    7. Verbinden der Hochspannungsausgang des Netzteils (1b, Teil M) zu dem unteren Behälter (stationär) Elektrodenanschluss und dem Boden zu dem oberen (übersetzen) Gefäß.
  3. Arbeit mit Hochspannung
    1. Allgemeine Überlegungen
      1. Bevor Sie weiter zu bestätigen, dass alle Oberflächen trocken sind, und dass keine Flüssigkeit Pools, Filme, oder Tropfen auf den isolierenden Plattformen vorhanden sind.
      2. Vor dem Einschalten des Experiments bestätigen, daß es keine Kurzschlüsse und dass es keinen Grund paths vorhanden, die in Personal oder Gerät in Kontakt mit spannungs kommenden Flächen führen kann. Seien Sie sicher, alle Verfahren zu folgen und beobachten Warnungen der Hochspannungsversorgung Herstellers. Wenn im Zweifel eine Beratung durch qualifizierte elektrische Sicherheitspersonal.
      3. Stellen Sie die Polarität der Stromversorgung (falls wählbar) vor dem Einschalten. Typischerweise verwenden positive Spannung Polarität, da dies stabilere Brücken. Hinweis: Negative Polarität kann auch aufgrund der funktionalen Unterschied in sinkenden anstatt Sourcing Elektronen verwendet werden, aber tendenziell ausgeprägter Raumladungseffekte, die die physikalischen Eigenschaften sowohl der dielektrischen Flüssigkeit 48 erheblich beeinträchtigen kann nachgeben und wirkt sich auf die lokalen Ladungsdichte in der Versuchsfläche unter High Potentials wie Überladung kann auf umliegende isolierenden Trägerstrukturen aufgesprüht werden.
      4. Öffnen Sie den aktuellen Grenzwert für die Stromversorgung, so dass nicht mehr als 5-6 mA Strom zur Verfügung zu stellen.
      </ Li>
    2. Wählen Sie eine der beiden Spannungsverläufe, die angewendet werden können - Rampe oder Stufe.
      1. Verwenden einer Spannungsrampe bei der ersten Inbetriebnahme und den Leistungseigenschaften der Flüssigkeit sind noch nicht bekannt.
        1. Drehen Sie die Spannungsgrenze an der Stromversorgung bis 0 kV liefern.
        2. Funktion die Ausgabe der Stromversorgung und langsam beginnen, die Spannungsgrenze mit einer Geschwindigkeit von etwa 250 V / sec erhöht.
        3. Beachten Sie die Spannung, bei der die Zündung erfolgt Brücke, das ist der ungefähre Zündungsschwellenspannung (V t).
      2. Verwenden Sie eine Spannungsstufe Spannung auf das System schnell anwenden.
        1. Stellen Sie die Versorgungsspannungsgrenze auf den gewünschten Wert über die Zündungsschwelle, die durch die Verwendung eines Spannungsrampe für die Flüssigkeit untersuchte System (siehe 3.3.2.1.3) bestimmt wurde.
        2. Funktion die Ausgabe der Stromversorgung. HINWEIS: Ein Spannungs Schritt kann in Lichtbogenbildung und der Ausstoß von Tröpfchen führen und kann mehrere sekunden, bevor eine stabile Brücke bildet. Lichtbogenbildung Ozon und Wasserstoffperoxid zu einer erhöhten Leitfähigkeit der Flüssigkeit erzeugen, wenn man sie für mehr als ein paar Sekunden anhalten. Es wird empfohlen, um die Flüssigkeit mit frischem Material zu ersetzen, wenn Lichtbogenbildung ist ein Problem.
    3. Stabilisierung der Brücke nach der Zündung.
      1. Bestätigen Brücke Zündung durch die Beobachtung einen stetigen Strom von Flüssigkeit zwischen den beiden Gefäßen. ANMERKUNG: Dies wird in der Regel zwischen 8-10 kV auf, und wird durch eine Stromleitung zwischen 250-500 uA je nach der verwendeten Flüssigkeit begleitet.
      2. Stimmen Sie die Brücke für die Erweiterung durch die Erhöhung der Spannung auf 10-15 kV mit Stromaufnahme ~ 1.000 uA. Hinweis: Die tatsächliche Wert der verwendeten Flüssigkeit ab.
      3. Erstrecken sich die Brücke in einem Abstand von ca. 1 mm auf 1 kV Spannung, beispielsweise 15 mm für 15 kV. Falls notwendig, stimmen die Brücke ferner je nach den Anforderungen des Experiments. HINWEIS: Eine stabile Brücke can für viele Stunden bestehen.
  4. Herunterfahren
    1. Löscht die Brücke durch Deaktivieren der Ausgabe auf der Hochspannungsversorgung. Warten Sie einige Sekunden, bis die Stromversorgung Kondensatoren entladen und die Spannungsanzeige auf Null fallen.
    2. Verwenden Sie die "dead-Stick" in Abschnitt 1.3 konstruiert, um kurz die Elektrodenhalter vor der Berührung irgend zuvor unter Spannung stehende Teile.

4. Imaging

  1. Streifenprojektion
    1. Bereiten Sie eine binäre Randplatte durch Drucken schwarze Streifen auf transparente Folie und kleben Sie diese auf eine opalisierende Streuschirm. Für dieses Beispiel verwenden Sie eine A4 (dh 297 mm x 210 mm) Randplatte.
    2. Legen Sie die Randplatte vor einer Hintergrundbeleuchtung, so dass die Streifen werden auf die gesamte Versuchsaufbau projiziert.
    3. Rekord entweder Standbilder oder Filme des Streifenmusters mit einer beliebigen Anzahl von digitalen Kameras.
    4. Änderungen verfolgen in die Flüssigkeitsoberfläche, sowie Änderungen in der optischen Pfadlänge der gegenüber liegenden Flüssigkeit durch die Analyse der aufgezeichneten Bilder in 4.1.3. HINWEIS: Die quantitative Analyse der beobachteten Veränderungen über Rand Auswertung mit verschiedenen Software-Paketen wie dem frei verfügbaren Programm IDEA 49 durchgeführt. Die konkreten Details und Überlegungen von Rand Analyse werden an anderer Stelle 49-51 abgedeckt.
  2. Thermographie
    1. Stellen Sie den Dynamikbereich der Wärmebildkamera nach den Anweisungen des Herstellers. HINWEIS: In der Regel ein Zwei-Punkt-Kalibrierung, die das erwartete Temperaturbereich umfasst ist ausreichend, um eine gute thermische Auflösung bieten. Liquidesten Brücken arbeiten im Temperaturbereich von 20 bis 50 ° C.
    2. Durchführen einer Korrektur der Emissions und Temperaturkalibrierung durch Abbilden der offenen Oberfläche eines Volumens der Flüssigkeit unter Studie bei Temperaturen für das Experiment geeignet.
      1. Füllen Sie ein Gefäß identischdaß in der Versuchsanordnung mit der Flüssigkeit in Untersuchung bei Raumtemperatur verwendet.
      2. Messung der Temperatur der Flüssigkeit im Tauchthermosonde, wie einem Thermoelement Typ K.
      3. Aufnehmen eines Bildes von der Flüssigkeit in dem Infrarot.
      4. Erhöhen Sie die Temperatur der Flüssigkeit auf Temperaturen in der Brücke unter Verwendung einer Heizplatte oder Mikrowellen erwartet. Hinweis: Dies ist typischerweise nicht mehr als 10 ° C unter dem Siedepunkt der Flüssigkeit (beispielsweise 90 ° C Wasser).
      5. Wiederholen Sie die Schritte 4.2.2.2 und 4.2.2.3 für die erhöhte Temperatur flüssig.
    3. Positionieren Sie die Kamera etwas über einer horizontalen Ebene und Brücke mit einer vertikalen Brücke, so wie die aufgezeichnete Fläche zu maximieren. Hinweis: Aufgrund der starken Absorption von mittleren und langwelligen Infrarot-Strahlung, die von den meisten polaren Flüssigkeiten, wird nur die Oberflächentemperaturverteilung sichtbar sein.
    4. Rekord Infrarot-System der Brücke beginnt vor der Aktivierung der Ausgänge auf der poWer Versorgung und Weiterbildung, bis das Experiment abgeschlossen ist oder die Kamera Puffer voll ist.

Representative Results

Elektroflüssigkeitsbrücken unterscheiden sich von kapillaren Flüssigkeitsbrücken durch drei Eigenschaften: 1) Fluss, 2) Erweiterbarkeit, 3) thermische Emission; Ein Vergleich ist in Figur 2 vor der Anwendung der Spannung klein Kapillarbrücken gezeigt. oft beobachtet zwischen den zwei Behältern, wenn der Flüssigkeitspegel selbst mit den Tüllen in der horizontalen Konfiguration. Sie sind in der vertikalen Konfiguration unvermeidlich, wenn der Abstand weniger als ein paar Millimeter.

Spannung angelegt werden kann entweder in einer Rampe (siehe 3.4.2.1 in Protokoll) oder Schritt (siehe 3.4.2.2 in Protokoll). Spannungen unterhalb des Schwellenwertes (V T) nicht ein EHD-Brücke herzustellen, sondern kann verschiedene andere Phänomene wie flüssige Volumenexpansion auslöst (Figur 4), die Aufwärtsbewegung der Flüssigkeit Elektrodenleitung (5), Drehung und Zirkulation des flüssigen Masse (6), electrospraying und Jet-Bildung (Abbildung 7). V t ist eine Eigenschaft der dielektrischen Flüssigkeit unter Untersuchung, die Konzentration und die Art der Bestandteile enthalten, sowie die Schutzgasatmosphäre verwendet. Die Schwelle für die Zündung ist auch eine Funktion der Trenngefäß. Während Brücken Zündung mit Trennungen von vielen Millimetern möglich ist die angelegte Spannung muß höher sein und eine längere Ruhezeit kann mit heftiger Elektrospray beobachtet, bevor ein stabiler Flüssigkeitsverbindung gebildet wird. Beispielsweise mit Wasser gefüllten Behältern von 5 mm, V t erhöht sich auf 17-20 kV oder mehr getrennt sind.

Sobald V t ist eine Kombination von Lichtbögen und Spritzmarkierungen Zündung überschritten (8a, 9a), unmittelbar gefolgt von der Bildung einer dünnen Brücke <1 mm im Durchmesser. Sobald die Brücke hergestellt Strom wird durch das Anschwellen der Brücke (Bild 8b, 9b) an, gefolgt fließen3-5 mm Durchmesser in Abhängigkeit von den Bedingungen. In vielen der Flüssigkeiten bisher untersuchten die Zeit von Brückenzündungs ​​Quellung liegt zwischen 10-500 ms und ist weitgehend eine Funktion der angelegten Spannung, Abstand und Flüssigkeitsviskosität 8,22,37.

Im horizontalen Brücken Strömungsrichtung ist abhängig von den spezifischen Bedingungen flüssig. Typischerweise wird die Nettoströmung verläuft von der Anode zur Kathode, wenn die Hochspannungspolarität positiv ist. Beim Ausfahren (8c) der Durchmesser wird in der Regel bei niedrigen Frequenzen zwischen 1-10 Hz schwanken. Höherfrequenten Schwingungen auch auf und werden als Oberflächenwellen sichtbar. Optisch aktive Dichtewellen sind in der Brückenkörper sichtbar, wenn wieder mit einem binären Streifenmuster beleuchtet. Die spezifische Antwortfunktion des Systems ist sowohl von dem flüssigen System, sowie die Stromversorgungseigenschaften.

Vertikalen Brücken in vieler Hinsicht ähnlich zu H sindorizontal diejenigen; Allerdings sind diese nicht Hinweise auf ein starkes Massenstrom zeigen, und haben in der Regel eine übertriebene Amphore-ähnliche Form. Erhöhen der Antriebsspannung führt zu einer zylindrischen Säule von Flüssigkeit und Dehnbarkeit (9c) ist ein wenig besser als in der horizontalen Brücken (zB 1,25 mm / kV für Wasser). Wie horizontale Brücken vertikalen Brücken können ohne direkten Kontakt zwischen den Fluidkörper vor Spannung zu bilden. In diesem Fall wird eine Taylor-Konus wird beobachtet, daß an der oberen hängenden Tröpfchen zu bilden. Dieses Spray wird nach unten erstrecken, eine stabile Jet, schnell quillt beim Kontakt mit der unteren festsitzenden Tropfen.

Im Gegensatz zu Elektrosprays, EHD Brücken in polaren dielektrischen Flüssigkeiten abzuführen Energie in Form von sowohl thermischen als auch nicht-thermische Infrarotstrahlung (IR) 44. Thermografische Erfassung von Flüssigkeitsbrücken (Abbildungen 7-10) ist ein nützliches Werkzeug für die Prüfung Oberfläche Strömungsdynamik als auch für quantifying die in operando IR-aktiven Verteilung von Energie. Thermische Emission ist zum großen Teil auf Ohmsche Heizung und ist somit ein empfindliches Maß von Ionenstabilität als andere Flüssigkeiten neigen dazu, die gleiche Wärme Verlustleistung anders angegeben. Zum Beispiel Wasserbrücken (9c) arbeiten typischerweise zwischen 35-50 ° C und Alkohol Brücken laufen ein paar Grad kühler wegen der beiden niedrigeren Dampfdruck als auch Unterschiede in der Ionenstabilität 39. Ein weiteres Beispiel für dieses Verhalten verknüpft ist, die in aprotischen DMSO niedrigen Dampfdruck hat und bildet negativen Ionen, die in die entgegengesetzte Richtung zu den meisten anderen polaren Flüssigkeiten zu migrieren gefunden. DMSO Brücken neigen dazu, bei Temperaturen um 100 ° C (Abbildung 10a) zu betreiben. Viskosität und Wärmekapazität spielen ebenfalls eine wichtige Rolle, wie thermische Energie in dem System abgeführt, wie durch die lokale Erwärmung gesehen werden in Glycerin Brücken (Abbildung 10b).

(8D, 9d) fort, bis ein kritischer Wert erreicht ist und Plateau-Rayleigh-Instabilitäten stören die Liganden-wie Brücken (Abbildungen 8e, 9e) in eine Kette von Tröpfchen, die in der Migration wird elektrischen Feld. Eine andere Art der Brücke Störung, typischerweise nur in der horizontalen Konfiguration gefunden wird, tritt auf, wenn die Brücke Durchmesser zu groß, was zu einer hohen Masse und einer Abwärtswasserstrahl. Dieses Verhalten kann zu Schwingungen der Brücke, wodurch ein "schwingenden" Wirkung, die dazu führen können, die Brücke wieder in Tröpfchen destabilisieren führen. Großer Durchmesser Bridges kann als Folge der Wasserüberkopfdruck in einem Behälter durch unidirektionale Strömung, die in einem Überlaufzustand führt auftreten; alternativ Erhöhung der Spannung auf hohe Werte mit nur geringem Abstand eine sehr breite Brücke oder "Wasserautobahn" zu produzieren. Diese großen Durchmesser Brücken können auch durch Kollabieren zu einem großen Tröpfchen, die nach unten fällt unter Schwerkraft scheitern.

Figur 1
Abbildung 1. Grundausstattung für EHD Flüssigkeitsbrücke Experimenten. Schematische Darstellung der typischen horizontalen (a) und vertikale (b) experimentelles System für die Erstellung von EHD Flüssigkeitsbrücken. Einige mechanische Details, wie Befestigungslaschen und der Elektrodenträger sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Die wesentlichen Bestandteile sind Flüssigkeitsbehälter (i), Isolationsplattformen oder Mounts (j), Elektroden (K) und eine Hochspannungsversorgung (m). Linearverschiebetische sind für die sichere Trennung der beiden Schiffe einmal eine Brücke hergestellt ist empfohlen. Die in der Platte (c) gezeigt dead-Stick aus einem Stück aus einem nicht leitenden steifen Material (p), eine leitende Metallstange (Q) montiert ist, und mehrere Wicklungen Isolierband in einer Weise Gekreuzt oder anderen Befestigungsmaterial (R) angewendet . Die Metall-Ende wird verwendet, nach Abschluss der Experimente ein Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden zu bilden, um sicherzustellen, dass die Schaltung vor der Fördertechnik ausgetragen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2. Vergleich der Kapillare und EHD Wasserbrücken.Eine horizontale Kapillare Brücke kann nur eine kleine Lücke von 1,5 mm (a) überspannen Erwägung, horizontal EHD Brücken an drei verschiedenen Spannungen 4 kV (b), 6 kV (c), 8 kV (d) leicht die Lücke passieren. Beachten Sie, dass EHD Brücken fließen über die Ausläufe während eine Kapillare Brücke zwischen den Ausläufen suspendiert. Ebenso ist die vertikale Kapillare Brücke (e) eine schmalere Taille (~ 1,5 mm Durchmesser.) Und kann nur verlängert werden, ~ 3,3 mm im Gegensatz zu vertikalen EHD Brücken, die erweiterbar sind. EHD drei Brücken bei 4 kV (f), 6 kV (g) und 8 kV (h) gleichzeitig Abstand als die Kapillare Brücke angetrieben werden gezeigt. Höhere Spannung erhöht Brücke Taillendurchmesser, Strömungsgeschwindigkeit und erhöhter Erwärmung infolge der erhöhten Verlustleistung in der Brücke. Eine Erhöhung der Blasenbildung auch bei höheren Spannungen beobachtet Gas Löslichkeit mit zunehmender Temperatur abnimmt. Der Maßstabin allen Frames ist 1 mm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Figur 3 Kennlinien für eine Flüssigwasserbrücke. Die Strom-Spannungs-Beziehung für flüssiges Wasser Brücken bei 0, 5, 10, 15 mm Abstand aufgetragen ist. Eine Untergrenze, unterhalb der keine Flüssigkeit Brücke bilden (siehe Kasten Foto unten links), und eine obere Schwelle, ab der Brücken sind instabil (Einschub Fotos 1-4) gebunden die Region der Stabilität. Für die meisten Brücken mit einigen messbare Verlängerung (dh ≥ 5 mm) die Gesamtverlustleistung liegt zwischen 10 und 20 Watt. Der Bruch einer Brücke über der oberen Schwelle folgen häufig eine Folge von Ereignissen, fortschreitend von normalen OPERATIONENIonen (kleines Bild 1), undichte (Einschub 2), schlaffe (kleines Bild 3), und schließlich brechen (kleines Bild 4). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 4
Abbildung 4. Volumenausdehnung. Die gesamte Flüssigkeitsoberfläche von zwei Schiffen kann gesehen werden, in Reaktion auf das angelegte elektrische Feld mit Hilfe eines projizierten Streifenmuster binäre steigen. Zwei Teflonbechergläser mit Wasser gefüllt sind, mit einem projizierten Streifenmuster bei zwei verschiedenen angelegten Spannungen a) 0 kV und b) 15 kV abgebildet. Die Änderung in der projizierten Streifen (Panel C) unter Verwendung von IDEA 33 Software, die einen gefilterten Fourier-Transformation auf Veränderungen in der Streifenmodulationsfrequenz umzuwandeln, ein benutzt analysiertrelative Höhe steigen. Die Uneinheitlichkeit des erfassten Verschiebung ist aufgrund der diskreten Cosinus aufgrund der geringen räumlichen Frequenz des projizierten Streifen und Artefakte zu verwandeln basierend Phasenentkompaktierungstechniken Methode. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 5
Abbildung 5. Dielektrophorese und Electrowetting. Die elektromechanische Reaktion von Glycerin zu hohes Potenzial elektrische Felder. Zwei Platinelektroden in wasserfreiem Glycerin eingetaucht bei 0 kV (a) und 19 kV (b) zeigen, wie sich die Flüssigkeit stark nach oben getrieben. In einer Abwandlung des Pellat Experiment die angehoben Volumen vollständig aus dem gegenüber liegenden Behälter was eine EHD Glycerin entfernt bridgE zwischen den beiden Elektroden gehalten (c). Ebenso sind in dem Fall von stabförmigen Elektroden (d) die Kontaktlinie schreitet die Elektrode unter Anwendung von 15 kV (e) Anheben der Elektrode zieht den Flüssigkeitskörper nach oben kegelstumpf (f) zeigen die verbesserte Benetzung durch die starke erzeugt bilden Felder. Maßstabsbalken sind 5 mm. Standbilder aus Videos zusätzlichen S1 (ac) und S2 (df) entnommen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 6
Abbildung 6. Sumoto Effekt in der Infrarot visualisiert. Infrarot-Bildfolge von einem einzigen Gefäß von Glycerin in einem inhomogenen elektrischen Feld mit einer einfachen Punkt-Ebene Elektrodeim sichtbaren Licht in Tafel gezeigte System (a). Leistung (19 kV DC) bei t = 0 s angelegt. Lokale Oberflächenkühlung erfolgt unter der Punktelektrode (t = 15 sec) Das lokale Kühlung breitet sich über die Oberfläche und entwickelt Heterogenitäten, die Erzeugung einer Drehkraft, während sofort ist zunächst klein und benötigt ca. 75 Sekunden auf der Oberfläche sichtbar werden. Zeit zwischen den Bildern beträgt 15 Sekunden. Maßstab beträgt 10 mm. Standbilder aus Video zusätzlichen S3. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 7
Abbildung 7. Pre-Zündung Kühlung in einer vertikalen Brückensystem mit 10 mm Abstand. Die obere und untere Taylor-Konus liegenden Tropfens einer vertikalen Wasserbrücke Set-u p werden in Nahaufnahme während einer Spannungsrampe gezeigt. Die Bilder sind in den langwelligen Infrarot und stellen die Oberflächenemission. Aus den Abbildungen ist ein ständiger Kühlung und Dehnung (ad) der beiden flüssigen Oberflächen, wenn die angelegte Spannung erhöht sowohl Erreichen einer Mindesttemperatur von 1-2 ° C unterhalb der ersten (A) unmittelbar vor dem Ausstoßen eines Strahls (e) vom oberen Taylor-Konus. Die untere Tröpfchen schreckt vor der geladenen Jet aber rasch tritt nach Kontakt (ef), schnell steigt die Emission als eine stabile EHD Flüssigkeitsbrücke aufgebaut (g). Temperaturreduktion wurde unter Verwendung einer faseroptischen Sonde thermo bestätigt. Die untere festsitzenden Tropfens ~ 2 ° C wärmer als der obere Kegel durch den Betrieb zuvor; typischerweise die Hochspannungsgefäß wird eine etwas höhere Temperatur zu erreichen. Standbilder aus Videos ergänzende S4 (oben Kegel) und S5 (unten Tröpfchen).upload / 51819 / 51819fig7highres.jpg "target =" _blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 8
Abbildung 8. Thermografie-Bilder von einer horizontalen Wasserbrücke von der Zündung bis zur Ausrottung. Repräsentative Reihe von Verbund Mitte Welle (3,7-5,0 um) und langwellige (8,0-9,4 um) Infrarotbilder Charakterisierung der Betriebsstufen für horizontale gezeigt für Flüssigkeitsbrücken Wasser: (a) Zündung, (b) Entspannung, (c) Erweiterung, (d) Stabilisierung, (e) Trennung. In dieser Bildfolge wurde die Brücke durch die Stromzufuhr zum System gelöscht. Standbilder aus Video zusätzliche S6. Bitte klicken Sie hier, um eine AnsichtGrößere Version der Figur.

Figur 9
. Abbildung 9. Thermografie-Bilder von einer vertikalen Wasserbrücke von der Zündung bis zur Ausrottung Vertreter Reihe von langwelligen Infrarot (7,5-9,0 um) Bilder Charakterisierung der Betriebsstufen für die vertikale Flüssigkeitsbrücken für Wasser gezeigt: (a) die Zündung, (b) Ausbau (c) reduzierte Spannung, (d) Liganden Bildung, (e) Aufbrechen in Tröpfchen unter dem Einfluß der Rayleigh-Instabilitäten Plateau. Verstrichene Zeit wird in Millisekunden angezeigt. Der Hintergrund Kontrast wurde in den letzten Frames eingestellt, um die Tröpfchen Visualisierung zu verbessern. Standbilder aus Video zusätzliche S7. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version zu sehension dieser Figur.

10
Abbildung 10. Thermographische Bilder der horizontalen Brücken in DMSO und Glycerin. Dimethylsulfoxid (DMSO) (a) und Glycerin (b) Brücken Emission in einem Verbund aus Halbwellen (3,7-5,0 um) und langwelligen Infrarot (8,0 bis 9,4 um). Standbilder aus Videos ergänzende S8 (DMSO) und S9 (Glycerin). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

Die erfolgreiche Bildung von stabilen und robusten EHD Flüssigkeitsbrücken erfordert die Aufmerksamkeit auf bestimmte einfache, aber wichtige Details zu entrichten. Es ist wichtig, dass die ionische Leitfähigkeit der Lösungen so niedrig wie möglich (zB 1-5 uS / cm) sein. Seien Sie sich bewusst, dass Wasserverschmutzung kann zu erhöhter Leitfähigkeit für bestimmte polare Flüssigkeiten (zB Glycerin) führen. Alle Glas waschen und die Aufmerksamkeit auf eine sorgfältige Spülung, verwenden Sie nur Glaswaren frei von Oberflächenkontamination oder Bogen induzierte Brandflecken. Im Allgemeinen ist es ratsam, Handschuhe zu tragen, wenn Umgang mit jeder Ausrüstung, um Hautöle und Salze verunreinigt, das Experiment zu verhindern. Elektroden werden für mehrere Minuten in dem Lösungsmittel untersuchten beschallt werden und es wird empfohlen, dass diese "eingebrannt", indem man einen nicht erweiterten Brücke für 30-45 min bei hohen Stromwerten (zB 3-5 mA) zur Sekundärelektrode zu reduzieren Reaktionen. Hoher Reinheit (beispielsweise> 99,9%) Edelmetalle funktionieren am besten als Elektrodenmaterialien und genügend Fläche haben, um geringen Stromdichten in der Größenordnung von 10 A / m² zu erhalten, um lokale Erwärmung zu reduzieren.

Im Fall von Brücken, die geringe Stabilität haben, oder sind schwierig, es zu starten wird empfohlen, zunächst bestätigen Leitfähigkeit ~ 1 uS / cm, und dass es keine Fremd Pools von Flüssigkeit, die einen alternativen Strompfad ermöglichen kann. Im Allgemeinen wird empfohlen, dass alle Oberflächen so trocken wie möglich sein, besondere Aufmerksamkeit widmen, um dünne Filme, die zwischen Schiffen und Isolationsplatten bilden können. Wenn Lichtbogenbildung Interrupt-Leistung und reduzieren Spannungswert dann erneut Kraft als nachhaltige Lichtbogenbildung in der "Verkohlung" der betroffenen Gebiete, die Brücke Stabilität reduzieren oder zu verhindern Brücke Zündung alle zusammen führen kann. Eine isolierte Glasstab kann, wenn Kraft auf das System über der Schwellenspannung und keine Brücke bildet angewendet verwendet werden, um die Flüssigkeit nach oben in Richtung th ziehene Kontaktstellen (zB Becher Tüllen) zwischen den beiden Schiffen. Wenn das System weiterhin verhalten in eine instabile Mode reinigen Sie die Geräte und beginnen wieder mit frischer Flüssigkeit. Geschieht dies nicht, ist es empfehlenswert, Inventar der Umgebung als große Metallobjekte, Materialien, die statische Aufladung oder starke Luftströmungen können die Brücke und / oder das elektrische Feld, das es unterstützt stören zu unterstützen.

Das experimentelle System ist leicht modifiziert, um Materialien, die üblicherweise in den meisten Labors zur Verfügung zu passen. Flüssigkeitsbehälter können von nahezu jedem kompatiblen Material und besonderes Augenmerk auf die Brennbarkeit des Behälters oder flüssigen Phase bei elektrischen Lichtbogen bezahlt werden muss; zum Beispiel Teflon wird gefährliche Gase erzeugen, wenn verbrannt. Elektrodenform, Platzierung und Material kann auch geändert werden, um die Einschränkungen eines bestimmten Set-up passen. Typischerweise planare Elektroden aus Folie verwendet aber Draht kann ebenfalls verwendet werden, solange die Stromdichte Richtlinien berücksichtigt werden. Das angelegte elektrische Feld können reine DC, AC reinen zu sein, oder DC-AC vorgespannt. Alle werden Flüssigkeitsbrücken innerhalb des Frequenzbereichs für abhängige Antwort auf Elektrobenet auf dielektrischen (EWOD) in der Literatur beschrieben Flüssigkeiten und Dielektrophorese (DEP) 9, die eine Antwort Frequenzbereich zwischen 20 Hz und bis zu 20 kHz für moderate Spannungen definieren zu produzieren. Höheren Frequenzbereichen kann auch Brücken zu erzeugen, obwohl diese nicht explizit getestet und einige Mitarbeiter haben die Untergrenze für AC vertikalen Brücken berichtet auf 50 Hz 42 sein. Orientierung der Schwerkraft auch leicht modifiziert, so lange ein System entwickelt werden, um freie Flüssigkeitsoberflächen, die stabil sind, ohne ein angelegtes elektrisches Feld zu schaffen. Experimente wurden in Abwesenheit von Schwerkraft 41, die zeigten, dass diese Brücken haben eine Abhängigkeit der stabilisierenden Wirkung der Schwerkraft, die das empfindliche Gleichgewicht der Kräfte in einer Flüssigkeitsbrücke hält geführt.

ent "> EHD Flüssigkeitsbrücken sind ein neues Werkzeug, das zum Repertoire von vielen naturwissenschaftlichen Anwendungen hinzugefügt werden können. Sie erlauben die Erforschung der Wechselwirkung von Masse und Oberflächenkräfte mit extern angelegte elektrische Felder. Sie eröffnen die Möglichkeit, neue Mittel zu prüfen Mischen verschiedener Flüssigkeiten 37; verändernden chemischen Reaktionskinetik 52; Protonentransport 44,45, und der Prüfung der Antwort des biologischen Systemen, solche Bedingungen 53 Darüber hinaus sind diese Brücken ermöglichen den direkten Zugriff auf die Flüssigkeitsoberfläche ohne physikalisch aufspannt Strukturen, die bereits neue geführt hat. spektroskopische Informationen über die Dynamik in flüssigem Wasser 28 und deutet nicht nur auf die Existenz eines elektrisch gesteuerten Signalgeber, wodurch neue Eigenschaften entstehen 31 Groß aber Potenzial, Flüssig-Flüssig-Phasenübergänge 54 durch ein völlig neues Verfahren zu prüfen. breiten industriellen Anwendung EHD Prozesse (zB 26 und Elektrospray 32,33 Methoden) kann sicherlich von der weiteren Untersuchung dieser nahe verwandten Phänomenen profitieren.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Wetsus, Kompetenzzentrum für nachhaltige Wassertechnik (www.wetsus.nl) TTIW-Zusammenarbeit durchgeführt. Wetsus wird von der niederländischen Wirtschaftsministerium, dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung Union, die Provinz Friesland, der Stadt Leeuwarden und die EZ / Kompas-Programm der 'Samenwerkingsverband Noord-Nederland "gefördert. Die Autoren möchten die Teilnehmer des Forschungsthemas "Applied Physics Wasser" für die fruchtbaren Diskussionen und ihre finanzielle Unterstützung danken.

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

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Die Herstellung elektro Bridges von Polar Schlags Flüssigkeiten
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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).

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