電気流体力学

電気流体力学( EHD ) は、電気流体力学( EFD ) または電気運動学とも呼ばれ、電荷を帯びた流体のダイナミクスを研究する分野です。^{[1] [2]}電気流体力学 (EHD) は、電気力学と流体力学の共同分野であり、主に電界によって引き起こされる流体の動きに焦点を当てています。EHD は、最も単純な形式では、流体媒体に電界を適用して、流体の流れ、形状、または特性を操作します。これらのメカニズムは、電界と荷電粒子との相互作用、または流体内の分極効果から生じます。 ^{[2]電界にさらされた流体内の}電荷キャリア (イオン)の生成と移動は、すべての EHD ベースのテクノロジーの基本的な物理学です。

粒子に作用する電気力は、静電力（クーロン力）、電気泳動力（次の式の第 1 項）、誘電泳動力（次の式の第 2 項）、および電気歪力（次の式の第 3 項）で構成されます。

${\displaystyle F_{e}=\rho _{e}{\overrightarrow {E}}-{1 \over 2}\varepsilon _{0}{\overrightarrow {E}}^{2}\triangledown \varepsilon _{r}+{1 \over 2}\varepsilon _{0}\triangledown {\Bigl (}{\overrightarrow {E}}^{2}\rho _{f}\left({\frac {\partial \varepsilon _{r}}{\partial \rho _{f}}}\right){\Bigr )}}$^[2]

この電気力は、ナビエ・ストークス方程式に体積力として挿入されます。

EHD は、電気泳動、電気運動、誘電泳動、電気浸透、電気回転という粒子および流体の輸送メカニズムをカバーします。一般に、これらの現象は電気エネルギーから運動エネルギーへの直接変換、およびその逆の変換に関係しています。

まず、成形静電場(ESF) が誘電体媒体に静水圧(HSP、または運動)を生成します。このような媒体が流体の場合、流れが生成されます。誘電体が真空または固体の場合、流れは生成されません。このような流れは電極に向けられ、通常は電極を動かします。このような場合、可動構造は電気モーターとして機能します。EHD の実際の対象分野は、一般的な空気イオン化装置、電気流体力学的スラスタ、および EHD 冷却システムです。

2 番目の例では、逆のことが起こります。成形された静電場内で媒体の動力流がシステムに追加されるエネルギーは、電極によって電位差として取り出されます。このような場合、構造は発電機として機能します。

電気運動とは、正味の移動電荷を持つ流体に作用する電場によって生成される 粒子または流体の輸送である。(説明と -kinesis 接尾辞のさらなる用法については -kinesis を参照。)電気運動は、1808 年にフェルディナント・フレデリック・ロイスが粘土粒子の電気泳動で初めて観察した^{[3]この効果は 1920 年代に}トーマス・タウンゼント・ブラウンによっても注目され公表され、彼はこれをビーフェルト・ブラウン効果と呼んだが、彼はこれを重力に作用する電場と誤認していたようである。^[4]このようなメカニズムの流量は電場に対して線形である。電気運動はマイクロ流体工学において実用上極めて重要である。^{[5] [6] [7]}これは、可動部品を使用せずに電場のみを使用してマイクロシステム内の流体を操作および搬送する方法を提供するためである。

流体に作用する力は、次の式で与えられます 。ここで、は結果として生じる力で、単位はニュートン、は電流で、単位はアンペア、は電極間の距離で、単位はメートル、 は誘電性流体のイオン移動係数で、単位は m ² /(V·s) です。 $${\displaystyle F={\frac {Id}{k}}}$$${\displaystyle F}$${\displaystyle I}$${\displaystyle d}$${\displaystyle k}$

電極が互いの距離を一定に保ちながら流体内で自由に移動できる場合、そのような力は実際に流体に対して電極を推進します。

電気運動は生物学でも観察されており、膜の動きを刺激することでニューロンに物理的な損傷を引き起こすことがわかっています。^{[8] [9]} RJ Elulの「細胞膜の固定電荷」（1967年）で議論されています。

2003 年 10 月、ダニエル・クォック博士、ラリー・コスティーク博士、およびアルバータ大学の 2 人の大学院生が、通常の水道水などの液体の自然な電気運動特性を利用して、圧力差のある小さなマイクロチャネルに流体を送り込むことで、流体力を電気エネルギーに変換する方法について議論しました。 ^{[10]この技術は、携帯電話や電卓などのデバイスのバッテリーに代わる実用的でクリーンなエネルギー貯蔵デバイスにつながる可能性があります。これらのデバイスは、水を}高圧に圧縮するだけで充電されます。その後、必要に応じて圧力が解放され、流体がマイクロチャネルを流れるようになります。水が移動したり、表面を流れたりすると、水中のイオンが固体に「こすれ」、表面がわずかに帯電します。移動するイオンの運動エネルギーは、このようにして電気エネルギーに変換されます。1 つのチャネルから生成される電力は極めて小さいですが、何百万もの並列マイクロチャネルを使用して出力を高めることができます。この流動電位、水の流れ現象は、1859年にドイツの物理学者ゲオルク・ヘルマン・クインケによって発見されました。^{[要出典] [6] [7] [11]}

マイクロ流体デバイスやナノ流体デバイス内の流体の流れは安定していることが多く、粘性力（レイノルズ数が 1 程度以下）によって強く減衰します。しかし、不均一なイオン伝導度場は、印加電界の存在下で特定の条件下では、電気動態不安定性（EKI）のために不安定な流れ場を生成する可能性があります。導電率勾配は、事前濃縮法（例：電界増幅サンプルスタッキングや等電点電気泳動）、多次元アッセイ、サンプルの化学的性質が十分に指定されていないシステムなどのオンチップ電気動態プロセスでよく見られます。電気動態不安定性のダイナミクスと周期的形態は、レイリー・テイラー不安定性を持つ他のシステムと似ています。底面に均一なイオンが注入される平面形状の特定のケースは、レイリー・ベナール対流と同じ数学的フレームにつながります。

EKI は、急速な混合に活用できますが、サンプルの注入、分離、スタッキングで望ましくない分散を引き起こす可能性があります。これらの不安定性は、電界とイオン伝導率勾配の結合によって電気体積力が生じ、この結合によって電気二重層の外側のバルク液体に電気体積力が生じ、一時的、対流的、絶対的な流れの不安定性が生じる可能性があります。伝導率勾配のある電気運動学的流れは、伝導性界面の電気粘性伸張と折り畳みが分子拡散の散逸効果よりも速く成長すると不安定になります。

これらの流れは低速で長さスケールが小さいという特徴があるため、レイノルズ数は 0.01 未満で流れは層流です。これらの流れの不安定性の始まりは、電気的な「レイリー数」として最もよく説明されます。

液体はパイロEHDによってナノスケールで印刷することができる。^[12]

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• ラリー・コスティーク博士のウェブサイト。
• この発見に関するサイエンスデイリーの記事。
• グラフィック付きの BBC の記事。