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Engineering

A preparação de eletro Pontes de Polar dielétricos líquidos

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

Pontes líquidas eletro horizontais e verticais são ferramentas simples e poderosas para explorar a interação de campos elétricos de alta intensidade e líquidos dielétricos polares. A construção de um aparelho de base e os exemplos operacionais, incluindo imagens, termografia para líquidos (por exemplo três, água, DMSO e glicerol) são apresentados.

Abstract

Pontes horizontais e verticais líquido são ferramentas simples e poderosas para explorar a interação de campos elétricos de alta intensidade (8-20 kV / cm) e líquidos dielétricos polares. Estas pontes são únicos a partir de capilares de pontes em que eles apresentam capacidade de extensão para além de alguns milímetros, têm padrões de transferência de massa bidireccionais complexos, e não emitem radiação infravermelha de Planck. Um número de solventes comuns podem formar tais pontes, assim como soluções de baixa condutividade e suspensões coloidais. O comportamento macroscópica é governada por electro e fornece um meio para estudar os fenómenos de fluxo de fluido, sem a presença de paredes rígidas. Antes do início de uma ponte de vários fenómenos importantes de líquido pode ser observado, incluindo o avanço altura menisco (eletroumectação), a circulação do fluido em massa (o efeito Sumoto), e a ejecção de gotículas carregadas (electrospray). A interação entre a superfície, polarização, e as forças de deslocamento pode ser diretamente analisados ​​porvariando a tensão aplicada e o comprimento da ponte. O campo elétrico, auxiliado pela gravidade, estabiliza a ponte líquida contra instabilidades Rayleigh-Plateau. Construção de aparelho de base para ambos orientação vertical e horizontal, juntamente com exemplos operacionais, incluindo imagens termográficas, por três líquidos (por exemplo, água, DMSO e glicerol) são apresentados.

Introduction

A interação entre os campos elétricos e resultados de matéria líquidos em uma série de forças evolutivas dentro da massa material. Em sistemas reais de dieléctrico líquido, os gradientes de campo não negligenciáveis ​​e simetria quebrar geometrias resultar num certo número de efeitos aparentemente peculiares. Hertz foi um dos primeiros a notar o movimento de rotação nos sistemas de dieléctrico sólido-líquido 1. Quincke observado que a tensão interfacial entre dois líquidos não só foi alterado por aplicação de um campo eléctrico externo, mas que esta alteração resultou no esforço de forças sobre o corpo de fluido e pode ser utilizado para induzir movimento de rotação 2. Armstrong descobriu a ponte flutuante água em 1893 3, que permaneceu um truque de festa enigmático até recentemente, quando Fuchs e colegas de trabalho explorado massa e carga mecânica de transporte de 4,5 e reaberto séria investigação científica sobre os mecanismos pelos quais essas pontes formam. Os campos elétricos têm a ability para levantar líquidos contra a força da gravidade como o trabalho de Pellat em aumento líquido dielétrico entre os eletrodos de placas paralelas mostra 6. Esta ação levantamento mostra uma dependência de frequência e, finalmente, pode ser descrita através do tensor de tensão de Maxwell 7. Isso é importante quando se considera o aumento do nível do líquido associado com eletro (DHE) pontes de líquidos que, em condições de AC mostram uma dependência de frequência 8 semelhante ao Electrowetting em dielétrica (EWOD) e dieletroforética (DEP) de fluxo de massa 9. Além disso, a aplicação de campos eléctricos elevados potenciais é importante no controlo de jacto de líquido de dissolução e da interacção do campo eléctrico com líquidos é essencial para a compreensão do processo industrialmente importante de atomização electropulverização 10,11.

Um campo elétrico externo não só influenciam a energia de superfície. Devido à ação de polarização e tensão de cisalhamento, os padrões de fluxo podeser estabelecida. Um exemplo, é a circulação de líquidos na presença de campos eléctricos não homogéneos. Nisto correntes electroconvective estão estabelecidos no granéis líquidos impulsionada por tensões de cisalhamento. Sumoto demonstrado que um motor de fluido pode ser construído usando um rotor de vidro contendo quer um líquido polar ou uma haste de metal imerso em um banho de dieléctrico não polar e colocado dentro de um campo eléctrico não homogéneo 12. Posterior análise por Okano utilizada uma aproximação campo homogéneo 13 para resolver o problema de rotação, que só poderia corresponder qualitativamente os resultados experimentais e os líquidos dieléctricos necessário para responder como uma massa singular. Outros pesquisadores sobre o assunto perdido completamente o ponto como eles erroneamente relatado e explorou o efeito Sumoto como um nível de líquido subir 14-16, em resposta ao trabalho de campo elétrico pioneiro Pellat 17. A importância da superfície de simetria para romper o processo de localização de carga e de corte gerada stress 18 é essencial para compreender a pesquisa em pontes EHD líquidos. O tratado de Melcher em eletromecânica contínuos 19 fornece uma base teórica completa para o tratamento de granéis líquidos e simplifica superfícies livres dentro do limite homogêneo isotrópico. A importância da superfície é no entanto claro, mesmo do ponto de vista contínuo como a perda de resultados de simetria em tensão de cisalhamento que podem gerar grandes quantidades de circulação. Recolhido o caso geral de discretos volumes fluidos móveis, que podem ser polarizadas e estão sujeitos à força de reação resultante sobre abordagem para a superfície, a interação campo eléctrico pode ser substituído em ambas as equações de Navier-Stokes 20 e Bernoulli 7,21,22 relações para descrever a multiplicidade de fenômenos de fluxo EHD incluindo pontes líquidas. Um estudo mais aprofundado de pontes líquidas pode melhorar uma série de tecnologias EHD base, como jato de tinta de impressão 23-25, micro-e nano-materiais de processamento de 26-28, distribuição de medicamentos 29, 30, aplicações biomédicas 31,32 e 33 de dessalinização.

Os métodos descritos aqui proporcionam acesso para a formação de pontes EHD líquidos que são encontrados em líquidos polares cujas moléculas possuem um momento dipolar permanente. Os impostos não homogêneas de campo elétrico resulta em uma polarização parcial da população dipolo produzindo uma alteração local da permissividade dielétrica, assim, reforçando ainda mais a gradientes de campo 18,34,35. Esta polarização dá origem a uma força de deslocamento que, dependendo da intensidade relativa do campo aplicado irá gerar uma série de respostas diferentes líquidos (ver Figuras 4-7), eventualmente, resultando na formação de uma ponte. O líquido também irão desenvolver um fluxo de Taylor 22,36 ao longo das superfícies dos eléctrodos, especialmente nos casos em que existe uma aresta viva presente nos eléctrodos. A possibilidade de injectar a carga arestas vivas também existe e é consistente com oformação de camadas que geram correntes heterocharge electroconvective na massa de líquido 22 que ligam, portanto, o sistema de ponte de líquido com o efeito Sumoto 12. Os que regem as relações EHD para pontes são amplamente cobertas em outro lugar para água e outros líquidos polares 22,36-38. Estas abordagens teóricas sofrer certas limitações que devem ser consideradas quando se aproxima dos dados experimentais. O Maxwell estresse tratamento tensor 36 é insensível a heterogeneidades campo, bem como não-uniformidades na ponte líquido. A abordagem DHE pura 37 fornece definições de estado estacionário do número electrogravitational e sua relação com a relação de aspecto da ponte; No entanto, a dinâmica de fluxo e fenômenos transitórios importante (por exemplo, a criação de ponte) não são previstos. Três números adimensionais são úteis quando se analisa a estabilidade da ponte e são derivados aqui como publicado anteriormente por Marín & Lohse 37 E) é o que é definido como a relação entre as forças eléctricas e capilares:

Equação 1

onde ε 0 é a permissividade do vácuo, ε r a permissividade dieléctrica relativa do líquido, e t é o campo eléctrico através da ponte, γ é a tensão superficial, d e s d L são as projecções verticais e horizontais do diâmetro de modo para se obter o diâmetro médio D m. O número Bond (Bo) descreve o equilíbrio entre a gravidade e as forças capilares:

Equação 2

em que g é a aceleração gravitacional, l é o comprimento da ponte livre, e V é o volume da ponte. A relação entregravitacional, capilar e forças eléctricas podem ser expressos em termos de número electrogravitational G E:

Equação 3

A extensibilidade máxima de uma ponte está relacionada com a tensão aplicada, enquanto que a corrente que flui através da ponte está relacionada com a área da secção transversal e, portanto, o diâmetro. Estas relações são acoplados, determinar o volume de ponte, e, portanto, definir a região de estabilidade para qualquer dado ponte líquido operacional. As curvas características de uma ponte de água estão apresentados na Figura 3, que mostra um limiar inferior, abaixo dos quais o campo aplicado é demasiado fraco para ultrapassar as forças de tensão superficial e um limite superior, acima do qual a massa da ponte é demasiado grande, resultando em mais de vazamento que perturba o campo e resulta em ruptura de ponte.

O tratamento mais geralmento de pontes líquidas em solventes polares 19,22 fornece os termos de pressão operacionais combinados com a ponte de prever as forças que regem a dinâmica de fluxo, no contexto de uma equação de Bernoulli modificada com termos de deslocamento eléctricos acrescentados ao termo de pressão. Além disso, a relação de Onsager para a estabilidade de íons 24 é constituída de acordo com as observações experimentais sobre o equilíbrio de bombeamento direção e emissão térmica.

Um certo número de líquidos polares foram explorados, incluindo a água, os álcoois alifáticos inferiores (por exemplo, metanol), poli-álcoois (por exemplo, glicerol), dimetilsulfóxido (DMSO), e outros compostos orgânicos polares (por exemplo, dimetilformamida). Dielétricos líquidos não-polares (por exemplo, hexano) não apresentam a formação de ponte. Os líquidos dielétricos capazes de suportar pontes até agora estudados 8,22,37 mentira dentro de um grupo bem-definido de parâmetros físicos que estabelecem um bom ponto de partida for experimentação posterior: EM de baixa condutividade (σ <5 mS / cm), a permissividade relativa estática moderada (ε = 20-80), moderada a elevada tensão superficial (γ = 21-72 mN / m). Curiosamente uma ampla gama de viscosidades (η = 0,3-987 mPa · s) de trabalho em tais pontes. Em líquidos com viscosidade suficientemente elevada como o glicerol é possível puxar uma ponte diretamente do granel líquido (ver Figura 5) e é um elo importante entre as forças dielectrof oréticas e pontes líquidas. Soluções iónicos (por exemplo, NaCl (aq)) são altamente prejudiciais para a formação de uma ponte e em estudos anteriores 40 ter sido demonstrado que o aumento da temperatura da ponte, diminuir a proporção de comprimento para tensão aplicada, e para reduzir a extensibilidade. Este comportamento é largamente atribuída ao efeito de blindagem carga dos iões dissolvidos, bem como aumento da condução de corrente que reduz o acoplamento entre os elementos de volume de fluido e do campo eléctrico.

<p class = "jove_content"> Sobre os fenômenos EHD nível contínuo surgem simplesmente porque os termos de pressão necessárias que acompanham electrostriction são encontrados somente na interface líquido 21. Além disso, existe uma relação entre a estabilidade de EHD pontes líquidas e a estabilidade das interfaces do sistema. No caso de redução de experimentos de gravidade 41 os resultados de expansão de área de superfície em uma força que rasga a ponte distante. Da mesma forma, se a superfície é muito confinado ou a área de contato subtending pequena ponte provavelmente irá desenvolver instabilidades. Isto pode ser ilustrado em pontes, que são alimentados por tubo, ou, no caso de pontes verticais onde um eléctrodo é puxado para cima a partir da superfície - as pontes resultantes são menos estáveis ​​em operação a longo prazo, dado que não possuem a dinâmica do escoamento característicos encontrados na situação em que ambos os reservatórios têm uma grande área de superfície livre. Pontes cujas conexões com o reservatório de fluido estão confinados dentro de tubulação mostram iacumulação térmica destaca o incremento e queda da tensão superficial. É típico que a interface de ar vai formar-se espontaneamente no interior do tubo. Que esta condição limita a extensibilidade máxima ambos, bem como o tempo médio de vida da ponte de pontes líquidas confinados. Abertas pontes água na superfície pode ser prolongado até 35 mm de comprimento a 35 kV ao passo que nenhuma ponte se mantenha em tal uma voltagem de aceleração de confinamento como o líquido de preferência a transição para um modo de electrospray. Da mesma forma pontes de água de superfície livre têm vida útil de estabilidade que se aproximam de 10 horas, sob condições controladas, enquanto que em sistemas de tubos alimentou a vida é normalmente inferior a 2 horas.

Fenómenos EHD são tipicamente considerados apenas ao nível contínuo. Um número limitado de estudos sobre a base molecular de pontes líquidas foram realizados. Um estudo de Raman utilizando 42 pontes AC verticais investigada a banda OH-alongamento inter-molecular em comparação com a água a granel. Algumas mudanças na scattering perfis após a aplicação do campo elétrico são mostrados para ter uma origem estrutural. Utilizando espectroscopia de sonda bomba infravermelho médio ultra em uma ponte flutuante de água 43 o tempo de vida vibracional do alongamento OH de vibração de moléculas HDO contido numa HDO: D 2 O ponte de água foi encontrada para ser mais curto (630 ± 50 FSEC) do que para as moléculas de HDO em grandes quantidades HDO: D 2 O (740 ± 40 FSEC), enquanto que em contraste, a dinâmica termalização seguintes o relaxamento vibracional são muito mais lento (1,500 ± 400 FSEC) do que em grandes quantidades HDO: D 2 O (250 ± 90 FSEC). Estas diferenças na dinâmica de relaxamento energia indicam fortemente que a ponte de água e água bruta diferem em escala molecular. Além disso, a investigação sobre a emissão de infravermelhos de uma ponte flutuante de água revelou uma característica não-térmico, que pode ser devido a uma transição de um estado animado para o estado fundamental de uma banda de condução de protões 44. Outra mais recente estudo Reporte Ramand em que a água preenche DC existe uma distribuição radial nos espectros o que é indicativo da diferença relativa no local do pH entre o núcleo e invólucro exterior da ponte 45. A distribuição radial das características físicas dentro de pontes líquidas EHD é ainda apoiada por experiências de dispersão de UV não elástico 46 que dá distribuições radiais contraditórias nos perfis de temperatura e de densidade e pode ser explicado quer por um gradiente em graus de liberdade moleculares ou a presença de uma fase secundária como bolhas de nano. O conceito mais tarde não é suportado por um pequeno ângulo de raios-X estudo de dispersão 47, enquanto o conceito de rotação impedida (ou seja libração) é suportado a partir de espectros de emissão de infravermelho 44. A direção do fluxo preferencial em EHD pontes líquidas decorre de mudanças na cinética auto-dissociação. De acordo com o trabalho de Onsager esta descoberta é promissora para conectar fenômenos nível molecular e do contínuo <sup> 22. Outra evidência para uma base molecular para fenómenos DHE é encontrado na observação de que a emissão de energia térmica a partir de uma gotícula dieléctrica diminui localmente em resposta ao aumento do campo eléctrico e atinge um valor mínimo apenas antes do início de uma ponte (ver Figura 7).

Pontes líquidas DHE apresentar uma oportunidade de examinar a interação entre as forças em múltiplas escalas de comprimento e é o objetivo específico deste trabalho para fornecer um método padronizado para a produção destes tipos de pontes em vários líquidos com qualquer orientação em relação à gravidade que suporta o surgimento de todo o conjunto de fenômenos característicos discutido anteriormente.

Protocol

1. Recomendações Gerais

  1. Use luvas sem pó descartáveis ​​durante todo o set-up do experimento para evitar a contaminação pelo suor ou óleo das mãos.
  2. Limpar todo o material de vidro, eletrodos e quaisquer outras partes que têm contato com o líquido em estudo, com atenção especial para evitar a introdução de contaminantes que podem dissolver na fase líquida.
  3. Utilizando um medidor de condutividade, medir a condutividade eléctrica do líquido que vai ser usado na experiência e confirmar que é ≤1 mS / cm.

2 Configuração Experimental

  1. Sistema de ponte Horizontal (Figura 1a)
    1. Coloque um par de plataformas de altura ajustável em uma superfície não condutora nível. Fixar uma plataforma no lugar e montar a outra plataforma em um palco tradução linear motorizada que tem um curso mínimo de 25 mm.
    2. Placas isolantes seguros (Figura 1A, parte j) a the a superfície superior das plataformas ajustáveis. Utilização placas isolantes que são de grandes dimensões de modo a que eles pendem as plataformas de pelo menos 10 mm em todos os lados. Usar materiais comuns, como teflon, acrílico ou vidro da janela. Escolha a espessura para evitar a quebra na tensão máxima planejada.
    3. Ligue a fonte de alimentação de alta tensão (Figura 1-A, parte m) de acordo com as instruções do fabricante.
    4. Clips de solda jacaré até o fim, tanto da alta tensão e fios de aterramento.
    5. Grampo uma extremidade de um braço de suporte construída a partir de material rígido de isolamento para ficar com um anel da haste isolante saliente horizontalmente sobre as plataformas de isolamento.
    6. Monte os terrestres e os fios de alta tensão para os braços de apoio, seja através de várias voltas de fita isolante, fios de nylon laços, ou por outros meios adequados para que o jacaré se projetam para baixo por cima das plataformas isoladas.
    7. Clipe um eletrodo de platina (Figura 1-A, parte k) Em cada uma das duas pinças de crocodilo.
    8. Posicionar os braços de suporte de modo que o fio de alta tensão está acima da plataforma fixa e o fio de terra está acima da plataforma móvel.
  2. Sistema de ponte Vertical (Figura 1b)
    1. Anexar uma braçadeira não condutor para um estágio de translação linear, de modo que o grampo pode viajar um mínimo de 25 mm. Utilizar este grampo para prender o recipiente (Figura 1b, parte i), o qual será ligado ao fio de terra.
    2. Montar este montagem para uma estrutura de suporte rígida vertical.
    3. Anexar uma braçadeira não condutor semelhante na linha e abaixo do suporte na fase de tradução linear. Utilizar este grampo para segurar o recipiente que vai ser ligada ao cabo de alta tensão.
  3. Faça um "morto-stick" (veja Figura 1c para ilustração)
    1. Obter um pedaço de material rígido não-condutor, tal como uma vareta de vidro ou plástico de 30-40 cm de comprimento (Figura &# 160; 1c, parte p).
    2. Anexar um pedaço de metal condutor de 10-15 cm de comprimento (Figura 1-C, parte q) a uma extremidade da haste com várias voltas de fita isolante (Figura 1c, parte r) aplicada de forma entrecruzada ou outro material de fixação.
    3. Use o "morto-stick" para transpor os eletrodos de alta tensão e de terra com a ponta de metal após a fonte de alimentação é desligada para garantir que o circuito está descarregada antes de equipamento de manuseio.

3 Operação de Pontes líquidos

  1. Pontes horizontal líquido
    1. Encha cada reservatório (Figura 1-A, parte i) com líquido suficiente para trazer à superfície para dentro de 1-5 mm do bico copo ou aro. Para os recipientes (diâmetro 60 mm), utilizados na presente demonstração, utilizar 67 g de líquido por água, 74 g de DMSO, ou 84,4 g de glicerol.
    2. Colocar os dois recipientes para a plataforma de isolamento de tal modo que eles Physcamente em contato com o outro em um único local, como os bicos, mas o aro parede reta também irá funcionar.
    3. Ajuste as alturas de plataforma para que o líquido só vai entrar em contato com o eletrodo de platina e não o jacaré ou arame. Preste atenção ao alinhamento vertical, de modo que a ponte resultante é na horizontal.
    4. Posicione os eletrodos de platina para os vasos cheios de líquido para que eles sejam um mínimo de 15 mm a partir da posição de contato onde a ponte se formará. NOTA: Normalmente, os eletrodos são colocados entre o centro do navio e mais distante da parede de onde os dois navios fazem contato.
  2. Pontes verticais líquidos
    1. Use dois limpo, fechado embarcações com uma porta de líquido, como mostrado na figura 1b, parte i.
    2. Encha cada recipiente com o líquido em estudo de modo que não há bolhas de ar.
    3. Insira um eletrodo (Figura 1b, parte k) em cada recipiente e feche a cap a reter o líquido no lugar.
    4. Montar os dois reservatórios fechados em grampos não condutores (ver 2.2), de tal modo que as aberturas de apontar em direcção ao outro.
    5. Adicionar algumas gotas de líquido para a abertura da parte inferior do tubo de modo a que uma superfície do líquido curvo sobressai alguns milímetros acima da borda do vidro.
    6. Leve o recipiente de cima para baixo para que ele apenas contatos a uma menor formação de uma pequena ponte capilar.
    7. Conecte a saída de alta tensão da fonte de alimentação (Figura 1b, parte m) para o vaso menor terminal de eletrodo (estacionário) e do solo para o (traduzindo) navio superior.
  3. Operações de alta tensão
    1. Considerações Gerais
      1. Antes de prosseguir confirmar que todas as superfícies são secas e que não há líquido piscinas, filmes, ou gotículas estão presentes nas plataformas de isolamento.
      2. Antes de ligar o experimento confirmar que não há curto-circuitos e de que não há chão pATHS presente, que pode resultar em pessoas ou equipamentos que entram em contato com as superfícies energizadas. Certifique-se de seguir todos os procedimentos e observar os avisos emitidos pelo fabricante da fonte de alimentação de alta tensão. Em caso de dúvida procurar o conselho do pessoal de segurança elétrica qualificados.
      3. Defina a polaridade da fonte de alimentação (se selecionável) antes de aplicar o poder. Normalmente, usar polaridade positiva da tensão uma vez que oferece pontes mais estáveis. NOTA: polaridade negativa também pode ser usado, mas tende a produzir efeitos pronunciados de carga de espaço que pode afectar significativamente as propriedades físicas, tanto do líquido dieléctrico 48 e afecta a densidade de carga locais na área experimental, devido à diferença funcional em vez de afundamento abastecimento electrões sob potenciais elevados como excesso de carga pode ser pulverizado sobre as estruturas de apoio em torno de isolamento.
      4. Abra o limite de corrente da fonte de alimentação de modo a proporcionar não mais do que 5-6 mA de corrente.
      </ Li>
    2. Escolha um dos dois perfis de tensão que podem ser aplicados - rampa ou passo.
      1. Use uma rampa de tensão quando a primeira partida e as características de desempenho do líquido ainda não são conhecidos.
        1. Abaixe o limite de tensão na fonte de alimentação para fornecer 0 kV.
        2. Habilita a saída da fonte de alimentação e lentamente começa a aumentar o limite de tensão a uma taxa de cerca de 250 V / seg.
        3. Observe a tensão em que a ignição ponte ocorre, este é aproximado a tensão de limiar de ignição (V t).
      2. Usar um passo de voltagem para aplicar tensão rapidamente para o sistema.
        1. Definir o limite de tensão de alimentação para o valor desejado por cima do limiar de ignição, que foi determinada por meio de uma rampa de voltagem para o sistema de líquido em estudo (ver 3.3.2.1.3).
        2. Ativar a saída da fonte de alimentação. NOTA: Um degrau de tensão pode resultar em faíscas e ejeção de gotas e pode exigir várias segundos antes de se formar uma ponte estável. O escorvamento irá produzir ozono e peróxido, resultando num aumento da condutividade líquido se permitido a persistir durante mais do que alguns segundos. Recomenda-se para substituir o líquido com material fresco, se formar arcos é um problema.
    3. Estabilizar a ponte a seguir à ignição.
      1. Confirmar ponte de ignição por meio da observação de um contínuo fluxo de líquido entre os dois vasos. NOTA: Isto ocorrerá normalmente entre 8-10 kV e será acompanhado por condução de corrente entre 250-500 ìA dependendo do líquido utilizado.
      2. Sintonize a ponte para a extensão, aumentando a tensão para 10-15 kV com consumo de corrente ~ 1000 uA. Nota: O valor real dependerá do líquido utilizado.
      3. Estender a ponte para uma distância de cerca de 1 mm por 1 kV de tensão aplicada, por exemplo, 15 mm para 15 kV. Se necessário, ajustar a ponte mais dependendo das necessidades da experiência. NOTA: A ca ponte estáveln existe para muitas horas.
  4. Procedimentos de encerramento
    1. Extinguir a ponte, desativando a saída da fonte de alimentação de alta tensão. Aguarde alguns segundos para que os capacitores da fonte de alimentação para descarregar ea leitura de voltagem cair para zero.
    2. Use o "morto-stick" construído no ponto 1.3 a curto os porta-eletrodos antes de manusear as peças previamente energizados.

4 Imagem

  1. Fringe Projeção
    1. Prepare um prato franja binário imprimindo listras pretas sobre uma película transparente e apor isso para uma tela opaca difusor. Para este exemplo, usar um A4 (isto é, 297 mm x 210 mm) Placa de franja.
    2. Coloque a placa de franja na frente de uma luz de fundo para que as franjas são projetadas em todo o set-up experimental.
    3. Grave ou imagens estáticas ou filmes do padrão de franjas usando qualquer número de câmeras digitais.
    4. Controlar alterações in da superfície do líquido, bem como mudanças no comprimento do percurso óptico do líquido englobado por analisar as imagens gravadas em 4.1.3. NOTA: Análise quantitativa das mudanças observadas é realizada através da avaliação da franja usando vários pacotes de software, tais como o programa IDEA disponível gratuitamente 49. Os detalhes específicos e considerações da análise de franja são abordados em outro lugar 49-51.
  2. Imagem termográfica
    1. Definir a gama dinâmica da câmara termográfico conforme as instruções do fabricante. NOTA: Tipicamente, uma calibração de dois pontos, que abrange o intervalo de temperatura esperada é suficiente para proporcionar boa resolução térmica. A maioria das pontes líquidas funcionar na gama de temperatura de 20-50 ° C.
    2. Executar uma correção de emissividade e calibração de temperatura pela imagem da superfície aberta de um volume do líquido em estudo a temperaturas adequadas para o experimento.
      1. Encher um recipiente idêntico aoque utilizado no conjunto experimental com o líquido em estudo à temperatura ambiente.
      2. Medir a temperatura do líquido utilizando uma sonda térmica de imersão, tais como um termopar tipo K.
      3. Gravar uma imagem do líquido no infravermelho.
      4. Aumentar a temperatura do líquido a temperaturas esperadas na ponte utilizando uma placa quente ou microondas. NOTA: Este é tipicamente não mais do que 10 ° C abaixo do ponto de ebulição do líquido (por exemplo, 90 ° C para a água).
      5. Repita os passos 4.2.2.2 e 4.2.2.3 para o líquido a temperatura elevada.
    3. Posicionar a câmara ligeiramente acima de uma ponte plana e horizontal, com uma ponte vertical, de modo a maximizar a área de superfície gravada. NOTA: devido à forte absorção de médio e longo onda da radiação infravermelha pela maioria dos líquidos polares, apenas a distribuição da temperatura da superfície será visível.
    4. Registro de infravermelho do sistema ponte começando antes de ativar as saídas na pofornecimento wer e continuando até que o experimento seja concluído ou o tampão da câmara está cheia.

Representative Results

Eletro pontes líquidas são distintas das pontes líquidas capilares por três propriedades: 1) Fluxo, 2) extensibilidade, emissão térmica 3); uma comparação é mostrada na Figura 2. Antes da aplicação da tensão pequenas pontes capilares são frequentemente observáveis ​​entre os dois vasos, quando o nível do líquido é ainda com os bicos na configuração horizontal. Eles são inevitáveis ​​na configuração vertical, quando a distância de separação é menor do que alguns milímetros.

A tensão pode ser aplicada quer em rampa (ver protocolo em 3.4.2.1) ou passo (ver protocolo em 3.4.2.2). Voltagens abaixo do valor de limiar (V t) não vai produzir uma ponte da DHE, mas podem provocar vários outros fenómenos, tais como a expansão do volume de líquido (Figura 4), ​​o movimento para cima da linha de contacto do eléctrodo de líquido (Figura 5), a rotação e a circulação do líquido granel (Figura 6), ELEctrospraying e formação de jacto (Figura 7). V t é uma propriedade do líquido dieléctrico sob investigação, a concentração e o tipo de componentes presentes, bem como a atmosfera de blindagem usado. O limiar para a ignição é também uma função da separação navio. Enquanto ignição ponte é possível com separação de muitos milímetros a tensão aplicada deverá ser mais elevada e um período de tempo de repouso pode ser observada com mais violenta electrospraying antes de uma ligação líquida estável é formado. Por exemplo, com reservatórios cheios de água separadas por 5 mm, V t aumenta a 17-20 kV ou superior.

Uma vez V t foi excedida uma combinação de arcos e pulverização marcas ignição (Figuras 8a, 9a), seguido imediatamente pela formação de uma fina ponte de <1 mm de diâmetro. Uma vez que a ponte é estabelecida a corrente fluirá seguido de inchaço da ponte (8b Figuras, 9b) para3-5 mm de diâmetro, dependendo das condições. Em muitos dos líquidos estudados até agora o tempo de ignição ponte de inchaço é entre 10-500 ms e é em grande parte uma função da tensão aplicada, a distância de separação, e da viscosidade do líquido 8,22,37.

Nas pontes horizontais direcção do fluxo está dependente das condições específicas de líquidos. Tipicamente, o fluxo de líquido corre do ânodo para o cátodo quando a polaridade é positiva de alta tensão. Após a sua extensão (Figura 8c) o diâmetro vai flutuar normalmente em baixas freqüências entre 1-10 Hz. Oscilações de frequências mais altas ocorrem também e são visíveis como as ondas de superfície. Opticamente ondas de densidade ativos são visíveis no corpo da ponte quando volta iluminado com um padrão de franjas binário. A função de resposta específica do sistema depende tanto o sistema de líquido, bem como as características da fonte de alimentação.

Pontes verticais são semelhantes em muitos aspectos, ao hos orizontal; no entanto, estes não demonstram evidência de forte fluxo de massa e, tipicamente, tem uma forma semelhante a ânfora exagerada. Aumentar os resultados de tensão de condução em uma coluna cilíndrica de mais líquido e extensibilidade (Figura 9c) é um pouco melhor do que em pontes horizontais (por exemplo, 1,25 mm / kV para a água). Como pontes horizontais pontes verticais podem formar sem contato direto entre os corpos fluidos antes da tensão. Neste caso, um cone de Taylor é observado para formar sobre a gotícula pendular superior. Esta pulverização vai estender para baixo, formando um jacto estável que incha rapidamente ao entrar em contacto com a gota séssil inferior.

Ao contrário electrosprays, pontes EHD em líquidos dieléctricos polares dissipar a energia sob a forma de ambos térmica, bem como de infravermelhos (IR) de radiação não térmica 44. Gravação termográfica de pontes líquidas (Figuras 7-10) é uma ferramenta útil para examinar a dinâmica do escoamento superficial, bem como para quantifying o operando no IR de distribuição ativa de energia. Emissão térmica é devido, em grande parte, ao aquecimento óhmico e é, portanto, uma medida sensível de estabilidade de íons como diferentes líquidos tendem ao calor de forma diferente dado a mesma dissipação de energia. Por exemplo, as pontes de água (Figura 9c) funcionam normalmente entre 35-50 ° C, e as pontes de álcool rodar alguns graus mais frio em conta tanto menor pressão de vapor, bem como as diferenças na estabilidade de íons 39. Outro exemplo deste comportamento é encontrada ligada em DMSO aprótico que tem uma pressão de vapor baixa e forma iões negativos que migram na direcção oposta para a maioria dos outros líquidos polares. Pontes DMSO tendem a operar em temperaturas próximas de 100 ° C (Figura 10a). A viscosidade e a capacidade de calor também desempenham um papel importante no modo como a energia térmica é dissipada no sistema, como pode ser visto pelo aquecimento localizado encontrado em pontes de glicerol (Figura 10b).

(8d Figures, 9d) até um valor crítico é atingido e instabilidades Plateau-Rayleigh perturbar o (8e Figures, 9e) ponte ligando-como em uma seqüência de gotículas que migram na campo elétrico. Outro modo de ruptura da ponte, tipicamente encontrados somente na configuração horizontal, ocorre quando o diâmetro ponte se torna muito grande, resultando em alta massa e um jato de queda de água. Este comportamento pode causar oscilações da produção de um efeito de "ondulação", o que pode fazer com que a ponte para desestabilizar novamente em gotas ponte. Brid de grande diâmetroges pode ocorrer como um resultado de um excesso de pressão na cabeça hidrostática um navio, devido ao fluxo unidireccional que resulta num estado de escuta; em alternativa, o aumento da tensão para valores altos, com apenas uma pequena separação produzirá uma ponte muito larga ou "auto-estrada de água". Estas pontes de grande diâmetro também pode falhar por colapso em uma grande gota que cai para baixo por gravidade.

Figura 1
Figura 1 O equipamento básico para EHD experiências ponte líquido. Representação esquemática da horizontal (a) e vertical (b) sistema experimental típico para a criação de pontes líquidas EHD. Alguns detalhes mecânicos, tais como tiras de montagem e suportes de eletrodos são omitidos para maior clareza. Os componentes essenciais são vasos líquido (i) de isolamento, plataformas ou mounts (j), (k) os eléctrodos e uma fonte de alimentação de alta tensão (m). Estágios de translação linear são recomendados para a separação segura dos dois vasos, uma vez por ponte é estabelecida. A vara morto mostrado no painel (c) é montada a partir de um pedaço de material não condutor rígido (p), uma haste de metal condutora (q), e várias voltas de fita eléctrica aplicada de forma entrecruzada ou outro material de fixação (r) . A ponta de metal é usado para formar um curto entre os dois eletrodos após a conclusão dos experimentos para assegurar que o circuito é descarregada antes de equipamento de manuseio. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2 Comparação dos capilares e EHD pontes de água.Uma ponte capilar horizontal só pode se estender por um pequeno espaço de 1,5 mm (a) que, pontes EHD horizontais em três diferentes voltagens 4 kV (b), 6 kV (c), 8 kV (d) passar facilmente a lacuna. Note-se que as pontes EHD fluir sobre os bicos enquanto uma ponte capilar é suspenso entre os bicos. Da mesma forma a ponte capilar vertical (e) tem uma cintura mais estreita (~ 1.5 mm de diâmetro.) E só pode ser estendida ~ 3,3 milímetros ao contrário pontes EHD verticais que são extensíveis. Três pontes EHD conduzidos a 4 kV (f), 6 kV (g), e de 8 kV (h) à mesma distância de separação como a ponte capilar são mostrados. Tensão mais elevada, aumentando o diâmetro da cintura ponte, a velocidade do fluxo e de aumento de aquecimento, como resultado do aumento da dissipação de energia na ponte. Um aumento da formação de bolhas é também observada a voltagens mais elevadas que a solubilidade do gás diminui com o aumento da temperatura. A barra de escalaem todos os quadros é de 1 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3 Curvas características para uma ponte de água líquida. A relação corrente-tensão para pontes água líquida a 0, 5, 10, 15 milímetros distância de separação é traçado. Um limiar inferior, abaixo dos quais não irá formar ponte líquida (ver fotografia inserida no canto inferior esquerdo), e um limite superior para além do qual as pontes são instáveis ​​(fotos inserir 1-4) ligados na região de estabilidade. Para a maioria das pontes com alguma extensão mensurável (isto é, ≥ 5 mm), a dissipação de potência total situa-se entre 10 e 20 watts. A ruptura de uma ponte para além do limite superior, muitas vezes, a uma seqüência de eventos que progridem de operat normaision (inserção 1), a vazamento (inserção 2), flacidez (inserção 3), e, finalmente, a ruptura (no detalhe 4). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4 A expansão de volume. Toda a superfície do líquido de dois vasos pode ser visto a subir em resposta ao campo eléctrico aplicado com o auxílio de um padrão de franjas projectado binário. Dois copos de teflon cheios de água são gravadas com um padrão de franjas projetadas em duas tensões aplicadas diferentes a) 0 kV e b) 15 kV. A mudança na franja projectada (painel c) é analisado utilizando o software IDEA 33 que utiliza uma transformada de Fourier filtrada para converter as alterações na frequência de modulação de uma franjaaumento da altura relativa. A não uniformidade da mudança detectada é devido à baixa freqüência espacial da franja e artefatos projetados devido ao cosseno transformada discreta método fase desembrulhar base. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5 dieletroforese e Electrowetting. A resposta eletromecânica de glicerol a campos elétricos de alta. Dois eléctrodos de platina imersos em glicerol anidro a 0 kV (a), e 19 kV (b) mostram a forma como o líquido é fortemente orientada para cima. Numa modificação da experiência de Pellat o volume extraído é completamente removido do reservatório produzindo uma pon englobado DHE glicerole mantida entre os dois eléctrodos (c). Da mesma forma, no caso de eléctrodos em forma de haste (d), a linha de contacto avança-se o eléctrodo com aplicação de 15 kV (e) elevar os eléctrodos puxa o corpo de líquido para cima, para formar troncónica (f) mostra a molhagem melhorada gerado pelo forte campos. Barras de escala são 5 mm. Stills retirados de vídeos complementares S1 (AC) e S2 (DF). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6 Sumoto efeito visualizado no infravermelho. Sequência de imagens de infravermelho de um único navio de glicerol em um campo elétrico não homogêneo fornecido usando um eletrodo de avião ponto simplessistema mostrado na luz visível no painel (a). Potência (19 kV DC) é aplicado no instante t = 0 seg. Arrefecimento da superfície local ocorre sob o ponto de eléctrodo (t = 15 segundos) Este arrefecimento local, se espalha por toda a superfície e heterogeneidades desenvolve, a geração de uma força de rotação quando é imediato inicialmente pequeno e requer cerca de 75 segundos para se tornar visível na superfície. Tempo entre molduras é de 15 seg. Barra de escala é de 10 mm. Stills de vídeo suplementar S3. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7
Figura 7 resfriamento pré-ignição em um sistema de ponte vertical com distância de separação de 10 mm. O cone Taylor superior e inferior da gota séssil de uma ponte vertical set-u p são mostrados em close-up durante uma rampa de tensão. As imagens são de infravermelhos de ondas longas e representar a emissão de superfície. A partir das imagens, há um arrefecimento constante e de alongamento (ad) de ambas as superfícies de líquidos, como a voltagem aplicada é aumentado tanto atingir uma temperatura mínima de 1-2 ° C abaixo da inicial (a) imediatamente antes da ejecção de um jacto (e) do cone de Taylor superior. A gotícula inferior recua em avanço do jacto carregada, mas rapidamente se junta a seguir ao contacto (ef), a emissão sobe rapidamente como uma ponte líquida estável DHE é estabelecida (g). Redução da temperatura foi confirmada usando uma fibra óptica termo-sonda. A gota séssil inferior é de aproximadamente 2 ° C mais quente do que o cone superior devido à operação anteriormente; tipicamente o vaso de alta tensão irá atingir uma temperatura ligeiramente mais elevada. Stills de vídeos S4 suplementares (topo do cone) e S5 (gotículas de baixo).carregar / 51819 / "target =" 51819fig7highres.jpg _blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8
Figura 8 imagens termográficas de uma ponte de água horizontal de ignição à extinção. Série Representante de meados de onda composta (3,7-5,0 mm) e de onda longa (8,0-9,4 mm) imagens infravermelhas que caracterizam as etapas operacionais para pontes líquidos horizontais mostrados para água: (a) de ignição, (b) expansão, (c) extensão, (d) estabilização, (e) rompimento. Nesta seqüência de imagens da ponte foi extinto, removendo a energia do sistema. Stills de S6 vídeo suplementar. Clique aqui para ver umaversão maior desta figura.

Figura 9
Figura 9. Imagens termográficas de uma ponte vertical de ignição à extinção série Representante do infravermelho de ondas longas (7,5-9,0 um) imagens que caracterizam as etapas operacionais para pontes líquidas verticais mostrado para a água: (a) de ignição, (b) a expansão , (c) a tensão reduzida, (d) formação de ligando, (e) dissolução em gotículas sob a influência de instabilidades Rayleigh-planalto. O tempo decorrido é mostrado no mseg. O contraste do fundo foi ajustado nos últimos quadros para melhorar a visualização das gotículas. Stills de vídeo suplementar S7. Clique aqui para visualizar a ver maiorsion desta figura.

Figura 10
Figura 10. imagens termográficas de pontes horizontais em DMSO e glicerol. Dimetilsulfóxido (DMSO) (a), e glicerol (b) emissão ponte em um composto de meio-ondas (3,7-5,0 mm) e infravermelha de onda longa (8,0-9,4 im). Stills de vídeos complementares S8 (DMSO) e S9 (glicerol). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

A formação bem sucedida de pontes líquidas DHE estável e robusto exige que seja prestada atenção a certos detalhes simples, mas importante. É essencial que a condutividade iónica das soluções de ser tão baixa quanto prático (por exemplo, 1-5 mS / cm). Esteja ciente de que a contaminação da água pode resultar em aumento da condutividade para certos líquidos polares (por exemplo, glicerol). Lave todos os vidros bem prestando atenção à lavagem cuidadosa, use apenas copos livres de contaminação de superfície ou de arco induzida marcas de queimaduras. Em geral, é uma boa prática de usar luvas ao manusear qualquer equipamento para evitar a oleosidade da pele e sais de contaminar o experimento. Eletrodos devem ser ultra-sons durante vários minutos no solvente em estudo e recomenda-se que estes são "-in queimado" pela execução de uma ponte de unextended por 30-45 min em valores correntes elevadas (por exemplo, 3-5 mA) para reduzir eletrodo secundário reações. A pureza elevada (por exemplo,> 99,9%metais nobres) funcionam melhor como materiais de eléctrodos e deve ter suficiente área de superfície de modo a manter baixas densidades de corrente da ordem de 10 A / m, de modo a reduzir o aquecimento local.

No caso de pontes que têm fraca estabilidade ou são difíceis de iniciar é recomendada para confirmar primeira condutividade é ~ 1 mS / cm, e que não há piscinas estranhos de líquido que pode permitir que um percurso de corrente alternada. Em geral, recomenda-se que todas as superfícies ser o mais seco possível, preste atenção a filmes finos que podem formar entre vasos e placas isolantes. Se arco ocorre interrupção de energia e reduzir o valor da tensão reaplique poder como arco sustentado resultará na "carbonização" das áreas afetadas que pode reduzir a estabilidade da ponte ou evitar a ignição ponte todos juntos. Se a energia é aplicada ao sistema acima da tensão de limiar e nenhuma forma de ponte uma vareta de vidro de isolamento pode ser utilizado para retirar o líquido para cima na direcção the pontos de contacto (por exemplo, bicos taça) entre as duas embarcações. Se o sistema continua a comportar-se de forma instável limpar o equipamento e começar de novo com o líquido fresco. Caso contrário, recomenda-se fazer o inventário do ambiente como grandes objetos de metal, materiais que suportam a carga estática, ou fortes correntes de ar pode atrapalhar a ponte e / ou o campo elétrico que suporta.

O sistema experimental é facilmente modificado para atender os materiais normalmente disponíveis na maioria dos laboratórios. Recipientes com líquidos pode ser de quase qualquer material compatível e especial atenção deve ser dada à inflamabilidade do recipiente ou fase líquida em caso de arco elétrico; por exemplo Teflon irá gerar gases perigosos quando queimado. Eletrodo forma, posicionamento e material também pode ser alterado para se adequar às restrições de um determinado set-up. Tipicamente, os eléctrodos fabricados a partir de tiras planas são utilizados, mas também do fio pode ser utilizado, desde que as orientações da densidade da corrente são levados em consideração. O campo eléctrico pode ser aplicado puro DC, AC puro, ou DC tendenciosa AC. Todos irá produzir pontes de líquido dentro da gama de resposta dependente de frequência para líquidos descritos na literatura sobre eletroumectação em dieléctrico (EWOD) e dieletroforese (DEP) 9, que definem uma gama de frequências de resposta entre 20 Hz e 20 kHz para tensões moderadas. Faixas de freqüências mais altas também podem gerar pontes embora estes não tenham sido explicitamente testado e alguns trabalhadores relataram o limite inferior para pontes verticais AC para ser 50 Hz 42. Orientação a gravidade também pode ser facilmente modificado, enquanto que um sistema pode ser concebido para proporcionar superfícies de líquidos livres, que são estáveis, sem um campo eléctrico aplicado. As experiências foram realizadas na ausência de gravidade 41, que mostraram que estas pontes têm uma dependência em relação ao efeito estabilizador da gravidade, que mantém o equilíbrio delicado de forças em uma ponte de líquido.

Ent. "> pontes líquidas DHE são uma nova ferramenta que pode ser adicionada ao repertório de muitas aplicações de ciências naturais Eles permitem a exploração da interação de forças em massa e de superfície com campos elétricos aplicados externamente. Eles abrem a oportunidade de examinar os novos meios de mistura de diferentes líquidos 37; mudando a cinética de reações químicas 52, o transporte de prótons 44,45, e examinar a resposta de sistemas biológicos para estas condições 53 Além dessas pontes permitem o acesso direto para a superfície do líquido, sem quaisquer estruturas subtendo fisicamente que já produziu novo. informação espectroscópica na dinâmica em água líquida 28 e sugere não só a existência de um interruptor de estado electricamente controlada pela qual emergem novas propriedades a granel 31, mas com o potencial para examinar as transições de fase líquido-líquido 54 por meio de um método inteiramente novo. industrial A aplicação generalizada EHD de processos (por exemplo, 26, e electrospray 32,33 métodos) certamente pode se beneficiar do estudo mais aprofundado desses fenômenos intimamente aliadas.

Acknowledgments

Este trabalho foi realizado no âmbito TTIW-cooperação de Wetsus, centro de excelência em tecnologia sustentável da água (www.wetsus.nl). Wetsus é financiado pelo Ministério da Economia, o Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional da União, a província de Frísia, a cidade de Leeuwarden eo programa EZ / Compasso da 'Samenwerkingsverband Noord-Nederland "holandês. Os autores agradecem aos participantes do tema de pesquisa "Física Aplicada da Água" para as discussões frutíferas e seu apoio financeiro.

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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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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