Конус Тейлора - Taylor cone

Фотография мениска поливинилового спирта в водном растворе, показывающая волокно, вытянутое из конуса Тейлора в процессе электроспиннинга.

А Конус Тейлора относится к конусу, наблюдаемому в электроспиннинг, электрораспыление и гидродинамические процессы распыления, при которых струя заряженных частиц исходит с напряжением выше порогового. Помимо ионизация электрораспылением в масс-спектрометрии, конус Тейлора важен в автоэмиссионная электрическая тяга (FEEP) и коллоидные двигатели используется для точного управления и высокой эффективности (малой мощности) тяги космических аппаратов.

История

Этот конус описал сэр Джеффри Ингрэм Тейлор в 1964 году до того, как был «открыт» электроспрей.^[1] Эта работа последовала за работой Зеленый^[2] сфотографировавший конусную струю глицерина в сильном электрическом поле и работы нескольких других: Уилсона и Тейлора (1925),^[3] Нолан (1926)^[4] и Macky (1931).^[5] Тейлора в первую очередь интересовало поведение капель воды в сильных электрических полях, например, во время гроз.

Формирование

Схема электрораспыления, изображающая конус, струю и шлейф Тейлора

Когда небольшой объем электропроводящей жидкости подвергается воздействию электрического поля, форма жидкости начинает деформироваться от формы, вызванной поверхностное натяжение один. По мере увеличения напряжения влияние электрического поля становится более заметным. Когда это воздействие электрического поля начинает оказывать на каплю силу, аналогичную силе поверхностного натяжения, начинает формироваться конус с выпуклыми сторонами и закругленным концом. Это приближается к форме конус с общим углом (шириной) 98,6 °.^[1] При достижении определенного порогового напряжения слегка закругленный наконечник переворачивается и излучает струю жидкости. Это называется конусной струей и является началом электрораспыление процесс, в котором ионы могут переходить в газовую фазу. Обычно обнаруживается, что для достижения стабильной конической струи необходимо использовать напряжение, немного превышающее пороговое значение. При еще большем увеличении напряжения обнаруживаются другие режимы распада капель. Термин «конус Тейлора» может конкретно относиться к теоретическому пределу идеального конуса с точно предсказанным углом или вообще относиться к приблизительно конической части конической струи после начала процесса электрораспыления.

Теория

Сэр Джеффри Ингрэм Тейлор в 1964 году описал это явление, теоретически выведенное на основе общих предположений о том, что для формирования идеального конуса в таких условиях требуется полувертикальный угол 49,3 ° (полный угол 98,6 °) и продемонстрировал, что форма конуса такой конус приблизился к теоретической форме непосредственно перед образованием струи. Этот угол известен как Угол Тейлора. Этот угол точнее ${\displaystyle \pi -\theta _{0}\,}$ куда ${\displaystyle \theta _{0}\,}$ это первый ноль ${\displaystyle P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$ (в Полином Лежандра порядка 1/2).

Вывод Тейлора основан на двух предположениях: (1) что поверхность конуса является эквипотенциальной поверхностью и (2) конус существует в установившемся состоянии равновесия. Чтобы соответствовать обоим этим критериям, электрическое поле должно иметь азимутальный симметрия и иметь ${\displaystyle {\sqrt {R}}\,}$ зависимость для противодействия поверхностному натяжению для создания конуса. Решение этой проблемы:

${\displaystyle V=V_{0}+AR^{1/2}P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$

куда ${\displaystyle V=V_{0}\,}$ (эквипотенциальная поверхность) существует при значении ${\displaystyle \theta _{0}}$ (независимо от R), образуя эквипотенциальный конус. Угол, необходимый для ${\displaystyle V=V_{0}\,}$ для всех R является нулем ${\displaystyle P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$ от 0 до ${\displaystyle \pi \,}$ который есть только один на 130,7099 °. Дополнением к этому углу является угол Тейлора.

Рекомендации

1. Сэр Джеффри Тейлор (1964). «Распад капель воды в электрическом поле». Труды Королевского общества А. 280 (1382): 383–397. Bibcode:1964RSPSA.280..383T. Дои:10.1098 / rspa.1964.0151. JSTOR  2415876.
2. Зеленый, Дж. (1914). «Электрический разряд из жидких точек и гидростатический метод измерения электрической напряженности на их поверхности». Физический обзор. 3 (2): 69–91. Bibcode:1914ПхРв .... 3 ... 69З. Дои:10.1103 / PhysRev.3.69.
3. Wilson, C.T .; Г. И. Тейлор (1925). «Лопание мыльных пузырей в однородном электрическом поле». Proc. Cambridge Philos. Soc. 22 (5): 728. Bibcode:1925PCPS ... 22..728Вт. Дои:10.1017 / S0305004100009609.
4. Нолан, Дж. Дж. (1926). "Разрушение капель воды электрическими полями". Proc. R. Ir. Акад. А. 37: 28.
5. Макки, В. А. (1 октября 1931 г.). «Некоторые исследования деформации и разрушения капель воды в сильных электрических полях». Труды Королевского общества А. 133 (822): 565–587. Bibcode:1931RSPSA.133..565M. Дои:10.1098 / rspa.1931.0168.