الديناميكا الكهربائية المائية

الديناميكا الكهربائية المائية ( EHD )، والمعروفة أيضًا باسم الديناميكا الكهربائية للسوائل ( EFD ) أو الحركية الكهربائية ، هي دراسة ديناميكيات السوائل المشحونة كهربائيًا . ^{[ 1 ] [ 2 ]} تُعدّ الديناميكا الكهربائية المائية (EHD) مجالًا مشتركًا بين الديناميكا الكهربائية وديناميكا الموائع، وتركز بشكل أساسي على حركة السوائل الناتجة عن المجالات الكهربائية . تتضمن الديناميكا الكهربائية المائية، في أبسط صورها، تطبيق مجال كهربائي على وسط سائل، مما يؤدي إلى تغيير تدفق السائل أو شكله أو خصائصه. تنشأ هذه الآليات من التفاعل بين المجالات الكهربائية والجسيمات المشحونة أو تأثيرات الاستقطاب داخل السائل. ^{[ 2 ]} يُعدّ توليد وحركة حاملات الشحنة (الأيونات) في سائل مُعرّض لمجال كهربائي الأساس الفيزيائي لجميع التقنيات القائمة على الديناميكا الكهربائية المائية.

تتكون القوى الكهربائية المؤثرة على الجسيمات من القوة الكهروستاتيكية (كولوم) وقوة الترحيل الكهربائي (الحد الأول في المعادلة التالية)، وقوة الاستقطاب الكهربائي (الحد الثاني في المعادلة التالية)، وقوة الانقباض الكهربائي (الحد الثالث في المعادلة التالية):

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

ثم يتم إدخال هذه القوة الكهربائية في معادلة نافيير-ستوكس ، كقوة جسم (حجمية).

يشمل علم الهيدروديناميكيات الكهربائية الأنواع التالية من آليات نقل الجسيمات والسوائل: الترحيل الكهربائي ، والحركة الكهربائية ، والترحيل الكهربائي العازل ، والتناضح الكهربائي ، والدوران الكهربائي . وبشكل عام، تتعلق هذه الظواهر بالتحويل المباشر للطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية ، والعكس صحيح .

في البداية، تُولّد الحقول الكهروستاتيكية المُشكّلة ضغطًا هيدروستاتيكيًا (أو حركة) في الأوساط العازلة . عندما تكون هذه الأوساط سوائل ، يتولد تدفق . أما إذا كان العازل فراغًا أو مادة صلبة ، فلا يتولد أي تدفق. يمكن توجيه هذا التدفق نحو الأقطاب الكهربائية ، عادةً لتحريكها. في هذه الحالة، يعمل الهيكل المتحرك كمحرك كهربائي . من المجالات العملية ذات الأهمية في الديناميكا الكهربائية المائية (EHD) أجهزة تأيين الهواء الشائعة ، والمحركات الكهروهيدروديناميكية ، وأنظمة التبريد الكهروهيدروديناميكية.

في الحالة الثانية، يحدث العكس. إذ يُضيف تدفقٌ مُشغَّلٌ للوسط داخل مجال كهرساكن مُشكَّل طاقةً إلى النظام، والتي تلتقطها الأقطاب الكهربائية على شكل فرق جهد . في هذه الحالة، يعمل الهيكل كمولد كهربائي .

الحركة الكهربائية هي نقل الجسيمات أو السوائل الناتج عن تأثير مجال كهربائي على سائل ذي شحنة متحركة صافية. (انظر -kinesis لمزيد من التوضيح والاستخدامات الأخرى لللاحقة -kinesis). رُصدت الحركة الكهربائية لأول مرة على يد فرديناند فريدريك رويس عام 1808، في عملية الفصل الكهربائي لجزيئات الطين ^{[ 3 ].} كما لُوحظ هذا التأثير ونُشر في عشرينيات القرن العشرين على يد توماس تاونسند براون، الذي أطلق عليه اسم تأثير بيفيلد-براون ، على الرغم من أنه يبدو أنه أخطأ في تحديده، إذ اعتبره مجالًا كهربائيًا يؤثر على الجاذبية. ^{[ 4 ]} يتناسب معدل التدفق في هذه الآلية خطيًا مع المجال الكهربائي . تُعد الحركة الكهربائية ذات أهمية عملية كبيرة في مجال الموائع الدقيقة [ ^{5 ] [ 6 ] [ 7 ] ،} لأنها تُتيح طريقةً لمعالجة السوائل ونقلها في الأنظمة الدقيقة باستخدام المجالات الكهربائية فقط، دون أي أجزاء متحركة.

القوة المؤثرة على السائل تُعطى بالمعادلة $${\displaystyle F={\frac {Id}{k}}}$$ أين،${\displaystyle F}$هي القوة الناتجة، مقاسة بالنيوتن ،${\displaystyle I}$التيار، الذي يُقاس بالأمبير ،${\displaystyle d}$المسافة بين الأقطاب الكهربائية، مقاسة بالأمتار، و${\displaystyle k}$هو معامل حركة الأيونات للسائل العازل، ويقاس بوحدة م² ^/ (فولت·ثانية).

إذا كانت الأقطاب الكهربائية حرة الحركة داخل السائل، مع الحفاظ على المسافة بينها ثابتة، فإن هذه القوة ستدفع الأقطاب الكهربائية فعليًا بالنسبة للسائل.

لوحظت ظاهرة التحريك الكهربائي أيضًا في علم الأحياء، حيث وُجد أنها تُسبب ضررًا ماديًا للخلايا العصبية عن طريق تحفيز الحركة في أغشيتها. ^{[ 8 ] [ 9 ]} وقد نوقشت هذه الظاهرة في كتاب آر جيه إيلول "الشحنة الثابتة في غشاء الخلية" (1967).

في أكتوبر/تشرين الأول 2003، ناقش الدكتور دانيال كوك، والدكتور لاري كوستيوك، وطالبان من جامعة ألبرتا، طريقةً لتحويل الطاقة الهيدروديناميكية إلى طاقة كهربائية، وذلك باستغلال الخصائص الكهروكينيتيكية الطبيعية لسائل مثل ماء الصنبور العادي ، عن طريق ضخ السائل عبر قنوات دقيقة ذات فرق ضغط. ^{[ 10 ]} قد تُفضي هذه التقنية إلى جهاز عملي ونظيف لتخزين الطاقة، ليحل محل البطاريات في أجهزة مثل الهواتف المحمولة أو الآلات الحاسبة، والتي تُشحن ببساطة عن طريق ضغط الماء إلى ضغط عالٍ . ثم يُخفف الضغط عند الحاجة، ليتدفق السائل عبر القنوات الدقيقة. عندما يتحرك الماء، أو يتدفق فوق سطح ما، تحتك أيوناته بالسطح الصلب، تاركةً السطح مشحونًا جزئيًا. وهكذا، تتحول الطاقة الحركية للأيونات المتحركة إلى طاقة كهربائية. على الرغم من أن الطاقة المتولدة من قناة واحدة ضئيلة للغاية، إلا أنه يمكن استخدام ملايين القنوات الدقيقة المتوازية لزيادة إنتاج الطاقة. تم اكتشاف ظاهرة التدفق المائي الكامنة هذه في عام 1859 من قبل الفيزيائي الألماني جورج هيرمان كوينكه . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 11 ]}

غالبًا ما تكون تدفقات السوائل في الأجهزة الميكروفلويدية والنانوية مستقرة ومخمدة بشدة بفعل قوى اللزوجة ( بأرقام رينولدز من رتبة الواحد أو أقل). مع ذلك، يمكن لحقول التوصيل الأيوني غير المتجانسة، في وجود حقول كهربائية مطبقة ، أن تولد، في ظل ظروف معينة، حقل تدفق غير مستقر نتيجةً لعدم استقرار الكهروكينيتيكي . تنتشر تدرجات التوصيل في العمليات الكهروكينيتيكية على الرقاقة، مثل طرق التركيز المسبق (مثل تكديس العينات المُضخّم بالمجال والتركيز متساوي الكهربائية )، والتحليلات متعددة الأبعاد، والأنظمة ذات التركيب الكيميائي غير المحدد بدقة. تتشابه ديناميكيات وشكل عدم استقرار الكهروكينيتيكي الدوري مع الأنظمة الأخرى التي تعاني من عدم استقرار رايلي-تايلور . تؤدي الحالة الخاصة لهندسة مستوية مع حقن أيوني متجانس في الجانب السفلي إلى إطار رياضي مطابق لحمل رايلي-بينارد .

يمكن الاستفادة من التدفقات الكهروكينيتيكية للخلط السريع ، أو قد تُسبب تشتتًا غير مرغوب فيه أثناء حقن العينات وفصلها وتكديسها. تنشأ هذه الاضطرابات نتيجة اقتران المجالات الكهربائية وتدرجات التوصيل الأيوني، مما يُؤدي إلى قوة كهربائية جسمية. ينتج عن هذا الاقتران قوة كهربائية جسمية في السائل، خارج الطبقة الكهربائية المزدوجة ، والتي يُمكن أن تُولد اضطرابات تدفق مؤقتة وحملية ومطلقة. تصبح التدفقات الكهروكينيتيكية ذات تدرجات التوصيل غير مستقرة عندما ينمو التمدد والانثناء الكهرو- لزج لأسطح التوصيل بشكل أسرع من التأثير المُبدد للانتشار الجزيئي.

نظراً لأن هذه التدفقات تتميز بسرعات منخفضة وأطوال صغيرة، فإن رقم رينولدز يكون أقل من 0.01 ويكون التدفق انسيابياً . ويمكن وصف بداية عدم الاستقرار في هذه التدفقات على أفضل وجه برقم رايلي الكهربائي.

يمكن طباعة السوائل على المستوى النانوي باستخدام تقنية الطباعة الكهروهيدروديناميكية الحرارية. ^{[ 12 ]}

• محرك مغناطيسي هيدروديناميكي
• الديناميكا المغناطيسية المائية
• تشوه القطرات الكهروضوئي
• الرش الكهربائي
• الظواهر الكهروكينيتيكية
• البصريات الكهروضوئية المائعة
• جهاز الترسيب الكهروستاتيكي
• قائمة الكتب الدراسية في الكهرومغناطيسية

• موقع الدكتور لاري كوستيوك الإلكتروني .
• مقال في موقع ساينس ديلي حول هذا الاكتشاف .
• مقال من بي بي سي مع رسومات بيانية .