[論文レビュー] Liquid soap film generates electricity

Ahmad Amjadi, Sadegh Feiz+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2013

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、回転する液体 soapy フィルムが、電気流体力学的力による機械的回転を電流に変換することで、電気発電機器として機能できることを示している（LFEG）。外部電界にさらされ回転するとき、フィルムはその角速度および印加電界に比例した測定可能な電圧と電流を発生し、その結果は電気対流理論に基づく数値シミュレーションと定性的に一致する。

ABSTRACT

We have observed that a rotating liquid soap film generates electricity when placed between two non-contact electrodes with a sufficiently large potential difference. In our experiments suspended liquid film (water + soap film) is formed on the surface of a circular frame, which is forced to rotate in the $x-y$ horizontal plane by a motor. This system is located at the center of two capacitor-like vertical plates to apply an external electric voltage difference in the $x-$direction. The produced electric current is collected from the liquid film using two conducting electrodes that are separated in the $y-$direction. We previously reported that a liquid film in an external electric field rotates when an electric current passes through it, naming it the liquid film motor (LFM). In this paper we report a novel technique, in which a similar device can be used as an electric generator, converting the rotating mechanical energy to electrical energy. The liquid film electric generator (LFEG) is in stark contrast to the LFM, both of which could be designed similarly in very small scales like micro scales with different applications. Although the device is comparable to commercial electric motors or electric generators, there is a significant difference in their working principles. Usually in an electric motor or generator the magnetic field causes the driving force, while in a LFM or LFEG the Coulomb force is the driving force. This fact is also interesting from the Bio-science point of view and brings a similarity to bio motors. Here we have investigated the electrical characteristics of such a generator for the first time experimentally and modelled the phenomenon with electroconvection governing equations. A numerical simulation is performed using the local approximation for the charge-potential relation and results are in qualitative agreement with experiments.

研究の動機と目的

• 回転する液体 soapy フィルムの電気的特性を、機械的エネルギーから電気的エネルギーに変換する装置として調査すること。
• 薄膜内の電気流体力学的（EHD）力がマイクロスケールでのエネルギー生成に利用可能かどうかを検討すること。
• 観察された現象を記述するための電気対流支配方程式に基づく理論的モデルの構築と検証すること。
• 以前に報告された液体フィルムモーター（LFM）と比較し、エネルギー変換の方向性の相違を強調すること。

提案手法

• 水と soapy を用いた円形フレーム上に浮遊する液体フィルムを形成し、モーターを用いて水平方向に回転させる。
• 2つの垂直なコンデンサ型の電極を用いて外部電界を印加し、x方向に横断的な電界を発生させる。
• y軸に沿って分離された2つの非接触電極を用いて電流を収集する。
• システムは漏れのある誘電体モデルおよび電気対流方程式を用いてモデル化され、電荷-電位関係に対して局所的近似が適用される。
• 次に、極座標系における次元なしの支配方程式を用いて数値的シミュレーションが実施され、さまざまな角速度における電位および電荷分布が解かれる。
• 次元なしパラメータ K = ωR²/(σα) がシステムを特徴付けるために用いられ、異なる回転速度に対応するK値についてシミュレーションが実行される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部電界にさらされた回転する液体 soapy フィルムは、測定可能な電流を発生させるか？
• RQ2 発生する電圧および電流は、フィルムの角速度および外部電界の強度にどのように依存するか？
• RQ3 電気対流および表面電荷分布が、液体フィルム内でのエネルギー変換を可能にする役割は何か？
• RQ4 フィルムの導電率は、電気的エネルギー生成効率にどのように影響するか？
• RQ5 電気対流理論に基づく数値的シミュレーションは、実験的観察をどの程度再現するか？

主な発見

• 液体フィルム発電機（LFEG）で発生する電圧および電流は、いずれもフィルムの角速度および外部電界の強度に比例する。
• フィルムの導電率を高めると、発生電圧が低下するが、これは電気対流理論の予測と一致する。
• 数値的シミュレーションでは、低角速度域では電位がy方向にωに比例する勾配を示し、実験観察と一致する。
• 角速度が増加する（Kが高くなる）と、等電位線がフィルムとともに回転し始め、高速な電荷の拡散により電荷密度が低下する。
• 非常に高い回転速度（5000 RPM以上）では、フィルムが不安定化し、定量的測定が困難になるが、最大電圧方向における角度ずれの傾向は、シミュレーションと一致する。
• 剛体運動の簡略化されたモデルと局所的電荷-電位近似に基づく理論モデルは、実験結果と定性的に一致する。