อิเล็กโทรไฮโดรไดนามิกส์ ( EHD ) หรือที่รู้จักกันในชื่ออิเล็กโทรฟลูอิดไดนามิกส์ ( EFD ) หรืออิเล็กโทรคิเนติกส์คือการศึกษาพลศาสตร์ของของไหลที่มีประจุไฟฟ้า^{[ 1 ] [ 2 ]}อิเล็กโทรไฮโดรไดนามิกส์ (EHD) เป็นสาขาร่วมของอิเล็กโทรไดนามิกส์และพลศาสตร์ของไหล โดยเน้นที่การเคลื่อนที่ของของไหลที่เกิดจากสนามไฟฟ้าเป็นหลัก EHD ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดเกี่ยวข้องกับการประยุกต์ใช้สนามไฟฟ้ากับตัวกลางของไหล ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงการไหล รูปทรง หรือคุณสมบัติของของไหล กลไกเหล่านี้เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าและอนุภาคที่มีประจุหรือผลกระทบจากการโพลาไรเซชันภายในของไหล^{[ 2 ]}การสร้างและการเคลื่อนที่ของตัวนำประจุ (ไอออน)ในของไหลที่อยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าเป็นฟิสิกส์พื้นฐานของเทคโนโลยีที่ใช้ EHD ทั้งหมด

แรงทางไฟฟ้าที่กระทำต่ออนุภาคประกอบด้วย แรงไฟฟ้าสถิต (คูลอมบ์) และแรงอิเล็กโทรโฟเรซิส (พจน์แรกในสมการต่อไปนี้) แรงไดอิเล็กโทรโฟเรติก (พจน์ที่สองในสมการต่อไปนี้) และแรงอิเล็กโทรสตริกทีฟ (พจน์ที่สามในสมการต่อไปนี้)

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

จากนั้นจึงนำแรงทางไฟฟ้าดังกล่าวไปใส่ใน สมการ นาเวียร์-สโตกส์ ในรูปของแรงกระทำต่อวัตถุ (แรงปริมาตร)

EHD ครอบคลุมกลไกการขนส่งอนุภาคและของเหลวประเภทต่อไปนี้: อิเล็กโทรโฟเรซิส , อิเล็กโทรคิเนซิส , ไดอิเล็กโทรโฟเรซิส , อิเล็กโทรออสโมซิ ส และอิเล็กโทรโรเทชันโดยทั่วไป ปรากฏการณ์เหล่านี้เกี่ยวข้องกับการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานจลน์ โดยตรง และในทางกลับกัน

ในขั้นแรกสนามไฟฟ้าสถิต ที่มีรูปร่าง (ESF) จะสร้างแรงดันไฮโดรสแตติก (HSP หรือการเคลื่อนที่) ในตัวกลางไดอิเล็กทริกเมื่อตัวกลางดังกล่าวเป็นของเหลว จะเกิด การไหลขึ้นหากตัวกลางไดอิเล็กทริกเป็นสุญญากาศหรือของแข็งจะไม่เกิดการไหล การไหลดังกล่าวสามารถถูกส่งไปยังขั้วไฟฟ้า ได้ โดยทั่วไปเพื่อเคลื่อนย้ายขั้วไฟฟ้า ในกรณีเช่นนี้ โครงสร้างที่เคลื่อนที่ได้จะทำหน้าที่เหมือนมอเตอร์ไฟฟ้าสาขาการใช้งานจริงที่น่าสนใจของ EHD ได้แก่ เครื่อง สร้างไอออนในอากาศ ทั่วไป เครื่องขับเคลื่อนด้วย ไฟฟ้าไฮโดรไดนามิกและระบบระบายความร้อน EHD

ในกรณีที่สอง สถานการณ์จะตรงกันข้าม การไหลของตัวกลางที่มีพลังงานภายในสนามไฟฟ้าสถิตที่มีรูปร่างเฉพาะ จะเพิ่มพลังงานให้กับระบบ ซึ่งพลังงานนั้นจะถูกแปลงเป็นความต่างศักย์โดยขั้วไฟฟ้า ในกรณีเช่นนี้ โครงสร้างดังกล่าวจะทำหน้าที่เป็นเครื่อง กำเนิดไฟฟ้า

อิเล็กโทรคิเนซิสคือการขนส่งอนุภาคหรือของเหลวที่เกิดจากสนามไฟฟ้าที่กระทำต่อของเหลวที่มีประจุเคลื่อนที่สุทธิ (ดู -kinesis สำหรับคำอธิบายและการใช้งานเพิ่มเติมของคำต่อท้าย -kinesis) อิเล็กโทรคิเน ซิสถูกสังเกตครั้งแรกโดยเฟอร์ดินานด์ เฟรเดอริก รอยส์ ในปี 1808 ในการเคลื่อนที่ด้วยไฟฟ้าของอนุภาคดินเหนียว^{[ 3 ]}ผลกระทบนี้ยังถูกสังเกตและเผยแพร่ในช่วงทศวรรษ 1920 โดยโทมัส ทาวน์เซนด์ บราวน์ซึ่งเขาเรียกว่าผลกระทบบีเฟลด์-บราวน์แม้ว่าเขาดูเหมือนจะระบุผิดว่าเป็นสนามไฟฟ้าที่กระทำต่อแรงโน้มถ่วง^{[ 4 ]}อัตราการไหลในกลไกดังกล่าวเป็นเชิงเส้นกับสนามไฟฟ้า^อิ เล็ก โทรคิเนซิสมีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างมากในไมโครฟลูอิดิกส์ [ ^{5 ] [ 6 ] [ 7 ]}เนื่องจากเป็นวิธีในการจัดการและลำเลียงของเหลวในระบบไมโครโดยใช้เพียงสนามไฟฟ้าโดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่

แรงที่กระทำต่อของเหลวนั้นกำหนดโดยสมการ โดยที่คือแรงลัพธ์ มีหน่วยเป็นนิวตันคือกระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์คือระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด มีหน่วยเป็นเมตร และคือสัมประสิทธิ์การเคลื่อนที่ของไอออนของของเหลวไดอิเล็กทริก มีหน่วยเป็น m² ^/ (V·s) $${\displaystyle F={\frac {Id}{k}}}$$${\displaystyle F}$${\displaystyle I}$${\displaystyle d}$${\displaystyle k}$

หากอิเล็กโทรดสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในของเหลว โดยรักษาระยะห่างระหว่างกันให้คงที่ แรงดังกล่าวจะผลักดันอิเล็กโทรดให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับของเหลว

อิเล็กโตคิเนซิสยังได้รับการสังเกตในทางชีววิทยาด้วย โดยพบว่าทำให้เกิดความเสียหายทางกายภาพต่อเซลล์ประสาทโดยการกระตุ้นให้เกิดการเคลื่อนไหวในเยื่อหุ้มเซลล์^{[ 8 ] [ 9 ]} มีการกล่าวถึงใน "ประจุคงที่ในเยื่อหุ้มเซลล์" ของ RJ Elul (1967)

ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2546 ดร. แดเนียล ควอก ดร. แลร์รี คอสติอุค และนักศึกษาปริญญาโทสองคนจากมหาวิทยาลัยอัลเบอร์ตาได้หารือเกี่ยวกับวิธีการแปลงพลังงานไฮโดรไดนามิกเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางไฟฟ้าจลน์ตามธรรมชาติของของเหลว เช่นน้ำประปา ธรรมดา โดยการสูบของเหลวผ่านไมโครแชนเนลขนาดเล็กที่มีความแตกต่างของความดัน^{[ 10 ]}เทคโนโลยีนี้อาจนำไปสู่อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานที่ใช้งานได้จริงและสะอาด แทนที่แบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น โทรศัพท์มือถือหรือเครื่องคิดเลข ซึ่งจะชาร์จโดยการอัดน้ำให้มีความดัน สูง จากนั้นจะปล่อยความดันตามต้องการเพื่อให้ของเหลวไหลผ่านไมโครแชนเนล เมื่อน้ำเคลื่อนที่หรือไหลผ่านพื้นผิว ไอออนในน้ำจะ "เสียดสี" กับของแข็ง ทำให้พื้นผิวมีประจุเล็กน้อย พลังงานจลน์จากไอออนที่เคลื่อนที่จึงถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า แม้ว่าพลังงานที่สร้างจากแชนเนลเดียวจะมีขนาดเล็กมาก แต่สามารถใช้ไมโครแชนเนลแบบขนานนับล้านแชนเนลเพื่อเพิ่มกำลังไฟฟ้าได้ ปรากฏการณ์การไหลของน้ำ ที่มีศักยภาพนี้ถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2492 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันGeorg Hermann Quincke ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 11 ]}

การไหลของของเหลวใน อุปกรณ์ ไมโครฟลูอิดิกและนาโนฟลูอิดิกมักมีความเสถียรและถูกหน่วงอย่างมากด้วยแรงหนืด (โดยมีเลขเรย์โนลด์อยู่ในระดับประมาณหนึ่งหรือต่ำกว่า) อย่างไรก็ตาม สนามการนำไฟฟ้าของไอออนที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันในสภาวะที่มีสนามไฟฟ้า ภายนอก สามารถสร้างสนามการไหลที่ไม่เสถียรได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ เนื่องมาจากความไม่เสถียรทางไฟฟ้าเคมี (EKI)การไล่ระดับการนำไฟฟ้าพบได้ทั่วไปในกระบวนการทางไฟฟ้าเคมีบนชิป เช่น วิธีการเพิ่มความเข้มข้น (เช่น การเรียงซ้อนตัวอย่างที่ขยายด้วยสนามและการโฟกัสไอโซอิเล็กทริก ) การวิเคราะห์แบบหลายมิติ และระบบที่มีเคมีของตัวอย่างที่ไม่ระบุชัดเจน พลวัตและสัณฐานวิทยาเป็นระยะของความไม่เสถียรทางไฟฟ้าเคมีนั้นคล้ายคลึงกับระบบอื่นๆ ที่มี ความไม่เสถียรแบบ เรย์ลี-เทย์เลอร์กรณีเฉพาะของรูปทรงระนาบแบนที่มีการฉีดไอออนอย่างสม่ำเสมอที่ด้านล่างนำไปสู่กรอบทางคณิตศาสตร์ที่เหมือนกับการพาความร้อนแบบเรย์ลี-เบนาร์

การไหลแบบอิ เล็กโทรไคเนติก (EKI) สามารถนำมาใช้ประโยชน์ในการผสม อย่างรวดเร็ว หรืออาจทำให้เกิดการกระจายตัวที่ไม่พึงประสงค์ในการฉีดตัวอย่าง การแยก และการเรียงซ้อน ความไม่เสถียรเหล่านี้เกิดจากการเชื่อมโยงของสนามไฟฟ้าและการไล่ระดับการนำไฟฟ้าของไอออน ซึ่งส่งผลให้เกิดแรงทางไฟฟ้าในเนื้อของเหลว การเชื่อมโยงนี้ส่งผลให้เกิดแรงทางไฟฟ้าในเนื้อของเหลวส่วนใหญ่ นอกชั้นไฟฟ้าคู่ ซึ่งสามารถก่อให้เกิดความไม่เสถียรของการไหลในเชิงเวลา การพา และเชิงสัมบูรณ์ การไหลแบบ อิเล็กโทรไคเนติกที่มีการไล่ระดับการนำไฟฟ้าจะไม่มีเสถียรภาพเมื่อการยืดและการพับของส่วนต่อประสานการนำไฟฟ้าเนื่องจากความหนืดไฟฟ้าเติบโตเร็วกว่าผลกระทบของการแพร่กระจายของโมเลกุล

เนื่องจากกระแสการไหลเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะคือความเร็วต่ำและขนาดความยาวเล็ก ดังนั้นเลขเรย์โนลด์จึงต่ำกว่า 0.01 และการไหลเป็นแบบลามินาร์การเริ่มต้นของความไม่เสถียรในกระแสการไหลเหล่านี้สามารถอธิบายได้ดีที่สุดด้วย "เลขเรย์ลี" ทางไฟฟ้า

สามารถพิมพ์ของเหลวที่ระดับนาโนสเกลได้โดยใช้ไพโร-EHD ^{[ 12 ]}

• ระบบขับเคลื่อนแม่เหล็กไฟฟ้าไฮโดรไดนามิก
• พลศาสตร์ของแม่เหล็กไฟฟ้า
• การเปลี่ยนรูปหยดน้ำด้วยไฟฟ้าไดนามิก
• อิเล็กโทรสเปรย์
• ปรากฏการณ์อิเล็กโทรไคเนติก
• ออปโตอิเล็กโทรฟลูอิดิกส์
• เครื่องดักจับฝุ่นไฟฟ้าสถิต
• รายชื่อตำราเรียนวิชาแม่เหล็กไฟฟ้า

• เว็บไซต์ของ ดร. แลร์รี คอสติอุค
• บทความจาก Science-daily เกี่ยวกับการค้นพบนี้
• บทความจาก BBC พร้อมภาพประกอบ