Fluido electrorreológico - Electrorheological fluid
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Los fluidos electrorreológicos ( ER ) son suspensiones de partículas extremadamente finas no conductoras pero eléctricamente activas (hasta 50 micrómetros de diámetro) en un fluido eléctricamente aislante . La viscosidad aparente de estos fluidos cambia reversiblemente en un orden de hasta 100.000 en respuesta a un campo eléctrico . Por ejemplo, un fluido ER típico puede pasar de la consistencia de un líquido a la de un gel , y viceversa, con tiempos de respuesta del orden de milisegundos . El efecto a veces se denomina efecto Winslow en honor a su descubridor, el inventor estadounidense Willis Winslow, quien obtuvo una patente estadounidense sobre el efecto en 1947 y escribió un artículo publicado en 1949.
El efecto ER
El cambio en la viscosidad aparente depende del campo eléctrico aplicado , es decir, el potencial dividido por la distancia entre las placas. El cambio no es un simple cambio en la viscosidad , por lo tanto, estos fluidos ahora se conocen como fluidos ER, en lugar del término más antiguo de fluidos electroviscosos. El efecto se describe mejor como un esfuerzo cortante elástico dependiente del campo eléctrico . Cuando se activa, un fluido ER se comporta como un plástico Bingham (un tipo de material viscoelástico ), con un límite de elasticidad que está determinado por la intensidad del campo eléctrico. Una vez que se alcanza el límite de fluencia, el fluido se corta como un fluido , es decir, el esfuerzo cortante incremental es proporcional a la velocidad de corte (en un fluido newtoniano no hay límite de fluencia y el esfuerzo es directamente proporcional al cortante). Por tanto, la resistencia al movimiento del fluido se puede controlar ajustando el campo eléctrico aplicado.
Composición y teoría
Los líquidos de emergencia son un tipo de líquido inteligente . Se puede preparar un fluido ER simple mezclando harina de maíz en un aceite vegetal ligero o (mejor) aceite de silicona .
Hay dos teorías principales para explicar el efecto: la tensión interfacial o teoría del "puente de agua" y la teoría electrostática . La teoría del puente de agua asume un sistema de tres fases, las partículas contienen la tercera fase que es otro líquido (por ejemplo, agua) inmiscible con el líquido de la fase principal (por ejemplo, aceite). Sin campo eléctrico aplicado, la tercera fase es fuertemente atraída y retenida dentro de las partículas. Esto significa que el fluido ER es una suspensión de partículas que se comporta como un líquido. Cuando se aplica un campo eléctrico, la tercera fase es impulsada a un lado de las partículas por electro ósmosis y une las partículas adyacentes para formar cadenas. Esta estructura de cadena significa que el fluido ER se ha vuelto sólido. La teoría electrostática asume solo un sistema de dos fases, con partículas dieléctricas que forman cadenas alineadas con un campo eléctrico de una manera análoga a cómo funcionan los fluidos magnetorreológicos (MR). Se ha construido un fluido ER con la fase sólida hecha de un conductor revestido con un aislante. Este fluido ER claramente no puede funcionar con el modelo de puente de agua. Sin embargo, aunque demuestra que algunos fluidos ER funcionan por efecto electrostático, no prueba que todos los fluidos ER lo hagan. La ventaja de tener un fluido ER que opera sobre el efecto electrostático es la eliminación de la corriente de fuga, es decir, potencialmente no hay corriente continua . Por supuesto, dado que los dispositivos ER se comportan eléctricamente como condensadores , y la principal ventaja del efecto ER es la velocidad de respuesta, es de esperar una corriente alterna .
Las partículas son eléctricamente activas. Pueden ser ferroeléctricos o, como se mencionó anteriormente, estar hechos de un material conductor revestido con un aislante , o partículas electro-osmóticamente activas. En el caso de material ferroeléctrico o conductor, las partículas tendrían una constante dieléctrica elevada . Puede haber alguna confusión aquí en cuanto a la constante dieléctrica de un conductor , pero "si un material con una constante dieléctrica alta se coloca en un campo eléctrico, la magnitud de ese campo se reducirá de manera medible dentro del volumen del dieléctrico" (ver página principal: constante dieléctrica ), y dado que el campo eléctrico es cero en un conductor ideal, entonces, en este contexto, la constante dieléctrica de un conductor es infinita.
Otro factor que influye en el efecto ER es la geometría de los electrodos . La introducción de electrodos ranurados paralelos mostró un ligero aumento en el efecto ER, pero los electrodos ranurados perpendiculares duplicaron el efecto ER. Se puede obtener un aumento mucho mayor en el efecto ER recubriendo los electrodos con materiales eléctricamente polarizables. Esto convierte la desventaja habitual de la dielectroforesis en un efecto útil. También tiene el efecto de reducir las corrientes de fuga en el fluido ER.
El fluido electrorreológico gigante (GER, por sus siglas en inglés) se descubrió en 2003 y es capaz de mantener un límite elástico más alto que muchos otros fluidos ER. El fluido GER consta de nanopartículas recubiertas de urea de oxalato de titanio y bario suspendidas en aceite de silicona . El alto límite elástico se debe a la alta constante dieléctrica de las partículas, al pequeño tamaño de las partículas y al recubrimiento de urea . Otra ventaja del GER es que la relación entre la intensidad del campo eléctrico y el límite elástico es lineal después de que el campo eléctrico alcanza 1 kV / mm. El GER es un fluido de alto límite elástico, pero de baja intensidad de campo eléctrico y baja densidad de corriente en comparación con muchos otros fluidos ER. El procedimiento para la preparación de la suspensión se da en. La principal preocupación es el uso de ácido oxálico para la preparación de las partículas, ya que es un ácido orgánico fuerte .
Aplicaciones
La aplicación normal de los fluidos ER es en válvulas y embragues hidráulicos de acción rápida , siendo la separación entre placas del orden de 1 mm y el potencial aplicado del orden de 1 kV. En términos simples, cuando se aplica el campo eléctrico, se cierra una válvula hidráulica ER o las placas de un embrague ER se bloquean juntas, cuando se quita el campo eléctrico, la válvula hidráulica ER se abre o las placas del embrague se desacoplan. Otras aplicaciones comunes son los frenos ER (piense en un freno como un embrague con un lado fijo) y amortiguadores (que se pueden considerar como sistemas hidráulicos cerrados donde el amortiguador se usa para tratar de bombear líquido a través de una válvula).
Hay muchos usos novedosos para estos fluidos. Los usos potenciales son el pulido abrasivo preciso y como controladores hápticos y pantallas táctiles.
También se ha propuesto que el fluido ER tiene aplicaciones potenciales en la electrónica flexible , con el fluido incorporado en elementos como pantallas enrollables y teclados, en los que las cualidades de cambio de viscosidad del fluido permiten que los elementos enrollables se vuelvan rígidos para su uso y flexibles para enrollar y retraer para guardar cuando no esté en uso. Motorola presentó una solicitud de patente para aplicaciones de dispositivos móviles en 2006.
Problemas y ventajas
Un problema importante es que los fluidos ER son suspensiones, por lo tanto, con el tiempo tienden a asentarse, por lo que los fluidos ER avanzados abordan este problema por medios como hacer coincidir las densidades de los componentes sólidos y líquidos, o mediante el uso de nanopartículas, lo que lleva a los fluidos ER al interior. en línea con el desarrollo de fluidos magnetorreológicos . Otro problema es que el voltaje de ruptura del aire es de ~ 3 kV / mm, que está cerca del campo eléctrico necesario para que funcionen los dispositivos ER.
Una ventaja es que un dispositivo ER puede controlar considerablemente más energía mecánica que la energía eléctrica utilizada para controlar el efecto, es decir, puede actuar como un amplificador de potencia. Pero la principal ventaja es la rapidez de respuesta. Hay pocos otros efectos capaces de controlar cantidades tan grandes de potencia mecánica o hidráulica con tanta rapidez.
Desafortunadamente, el aumento en la viscosidad aparente experimentado por la mayoría de los fluidos electrorreológicos usados en modos de corte o flujo es relativamente limitado. El fluido ER cambia de un líquido newtoniano a un "aguanieve semiduro" parcialmente cristalino. Sin embargo, se puede obtener un cambio casi completo de fase líquida a sólida cuando el fluido electrorreológico experimenta adicionalmente un esfuerzo de compresión. Este efecto se ha utilizado para proporcionar pantallas braille electrorreológicas y embragues muy efectivos.
Ver también
- Mecánica de Medios Continuos
- Efecto Debye-Falkenhagen
- Polímeros electroactivos
- Electroadhesión
- Efectos electroviscosos
- Ferrofluido
- Mecánica de fluidos
- Fluido magnetorreológico
- Electrohumectación
- Fluido inteligente