Electrohidrodinámica

La electrohidrodinámica ( EHD ), también conocida como electrofluidodinámica ( EFD ) o electrocinética , es el estudio de la dinámica de fluidos cargados eléctricamente . ^{[1] [2]} La electrohidrodinámica (EHD) es un dominio conjunto de la electrodinámica y la dinámica de fluidos centrado principalmente en el movimiento de fluidos inducido por campos eléctricos . La EHD, en su forma más simple, implica la aplicación de un campo eléctrico a un medio fluido, lo que resulta en la manipulación del flujo, la forma o las propiedades del fluido. Estos mecanismos surgen de la interacción entre los campos eléctricos y las partículas cargadas o los efectos de polarización dentro del fluido. ^[2] La generación y el movimiento de portadores de carga (iones) en un fluido sometido a un campo eléctrico son la física subyacente de todas las tecnologías basadas en EHD.

Las fuerzas eléctricas que actúan sobre las partículas consisten en fuerza electrostática (de Coulomb) y fuerza de electroforesis (primer término en la siguiente ecuación), fuerza dielectroforética (segundo término en la siguiente ecuación) y fuerza electroestrictiva (tercer término en la siguiente ecuación):

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

Esta fuerza eléctrica se inserta luego en la ecuación de Navier-Stokes , como una fuerza corporal (volumétrica).

La electroforesis en caliente (EHD) abarca los siguientes tipos de mecanismos de transporte de partículas y fluidos: electroforesis , electrocinesis , dielectroforesis , electroósmosis y electrorrotación . En general, los fenómenos se relacionan con la conversión directa de energía eléctrica en energía cinética y viceversa .

En primer lugar, los campos electrostáticos conformados (ESF) crean presión hidrostática (HSP, o movimiento) en medios dieléctricos . Cuando dichos medios son fluidos , se produce un flujo . Si el dieléctrico es un vacío o un sólido , no se produce flujo. Dicho flujo puede dirigirse contra los electrodos , generalmente para moverlos. En tal caso, la estructura móvil actúa como un motor eléctrico . Los campos prácticos de interés de EHD son el ionizador de aire común , los propulsores electrohidrodinámicos y los sistemas de enfriamiento EHD.

En el segundo caso, ocurre lo contrario: un flujo de energía dentro de un campo electrostático moldeado añade energía al sistema, que es captada como diferencia de potencial por los electrodos. En tal caso, la estructura actúa como un generador eléctrico .

La electrocinesis es el transporte de partículas o fluidos producido por un campo eléctrico que actúa sobre un fluido que tiene una carga móvil neta. (Véase -kinesis para una explicación y otros usos del sufijo -kinesis). La electrocinesis fue observada por primera vez por Ferdinand Frederic Reuss durante 1808, en la electroforesis de partículas de arcilla ^[3] El efecto también fue notado y publicitado en la década de 1920 por Thomas Townsend Brown , al que llamó efecto Biefeld-Brown , aunque parece haberlo identificado erróneamente como un campo eléctrico que actúa sobre la gravedad. ^[4] La velocidad de flujo en un mecanismo de este tipo es lineal en el campo eléctrico . La electrocinesis es de considerable importancia práctica en microfluídica , ^{[5] [6] [7]} porque ofrece una forma de manipular y transportar fluidos en microsistemas utilizando solo campos eléctricos, sin partes móviles.

La fuerza que actúa sobre el fluido, viene dada por la ecuación donde, es la fuerza resultante, medida en newtons , es la corriente, medida en amperios , es la distancia entre electrodos, medida en metros, y es el coeficiente de movilidad iónica del fluido dieléctrico, medido en m ² /(V·s).$${\displaystyle F={\frac {Id}{k}}}$$${\estilo de visualización F}$${\displaystyle I}$${\estilo de visualización d}$${\estilo de visualización k}$

Si los electrodos pueden moverse libremente dentro del fluido, mientras mantienen una distancia fija entre sí, entonces dicha fuerza en realidad impulsará los electrodos con respecto al fluido.

La electroquinesis también se ha observado en biología, donde se encontró que causa daño físico a las neuronas al incitar el movimiento en sus membranas. ^{[8] [9]} Se analiza en "Carga fija en la membrana celular" de RJ Elul (1967).

En octubre de 2003, el Dr. Daniel Kwok, el Dr. Larry Kostiuk y dos estudiantes de posgrado de la Universidad de Alberta discutieron un método para convertir la energía hidrodinámica en energía eléctrica explotando las propiedades electrocinéticas naturales de un líquido como el agua corriente común , bombeando fluido a través de diminutos microcanales con una diferencia de presión. ^[10] Esta tecnología podría conducir a un dispositivo de almacenamiento de energía práctico y limpio, reemplazando las baterías de dispositivos como teléfonos móviles o calculadoras que se cargarían simplemente comprimiendo agua a alta presión . Luego, la presión se liberaría a demanda, para que el fluido fluya a través de microcanales. Cuando el agua viaja o fluye sobre una superficie, los iones en el agua "frotan" contra el sólido, dejando la superficie ligeramente cargada. La energía cinética de los iones en movimiento se convertiría así en energía eléctrica. Aunque la energía generada a partir de un solo canal es extremadamente pequeña, se pueden utilizar millones de microcanales paralelos para aumentar la salida de energía. Este fenómeno de flujo de agua, el potencial de transmisión , fue descubierto en 1859 por el físico alemán Georg Hermann Quincke . ^{[ cita requerida ] [6] [7] [11]}

Los flujos de fluidos en dispositivos microfluídicos y nanofluídicos a menudo son estables y fuertemente amortiguados por fuerzas viscosas (con números de Reynolds de orden uno o menores). Sin embargo, los campos de conductividad iónica heterogéneos en presencia de campos eléctricos aplicados pueden, bajo ciertas condiciones, generar un campo de flujo inestable debido a inestabilidades electrocinéticas (EKI) . Los gradientes de conductividad son frecuentes en procesos electrocinéticos en chip, como métodos de preconcentración (por ejemplo, apilamiento de muestras con amplificación de campo y enfoque isoeléctrico ), ensayos multidimensionales y sistemas con química de muestra mal especificada. La dinámica y la morfología periódica de las inestabilidades electrocinéticas son similares a otros sistemas con inestabilidades de Rayleigh-Taylor . El caso particular de una geometría plana con inyección de iones homogéneos en el lado inferior conduce a un marco matemático idéntico a la convección de Rayleigh-Bénard .

Las inestabilidades electrocinéticas pueden aprovecharse para lograr una mezcla rápida o pueden causar una dispersión no deseada en la inyección, separación y apilamiento de muestras. Estas inestabilidades son causadas por un acoplamiento de campos eléctricos y gradientes de conductividad iónica que resultan en una fuerza de cuerpo eléctrico. Este acoplamiento resulta en una fuerza de cuerpo eléctrico en el líquido a granel, fuera de la doble capa eléctrica , que puede generar inestabilidades de flujo temporales, convectivas y absolutas. Los flujos electrocinéticos con gradientes de conductividad se vuelven inestables cuando el estiramiento y el plegamiento electroviscosos de las interfaces de conductividad crecen más rápido que el efecto disipativo de la difusión molecular.

Dado que estos flujos se caracterizan por velocidades bajas y escalas de longitud pequeñas, el número de Reynolds es inferior a 0,01 y el flujo es laminar . El inicio de la inestabilidad en estos flujos se describe mejor como un "número de Rayleigh" eléctrico.

Los líquidos se pueden imprimir a escala nanométrica mediante piro-EHD. ^[12]

• Accionamiento magnetohidrodinámico
• Magnetohidrodinámica
• Deformación electrodinámica de gotas
• Electropulverización
• Fenómenos electrocinéticos
• Optoelectrofluídica
• Precipitador electrostático
• Lista de libros de texto sobre electromagnetismo

• Sitio web del Dr. Larry Kostiuk.
• Artículo de Science-Daily sobre el descubrimiento.
• Artículo de la BBC con gráficos.