נוזל אלקטרו-ראולוגי

נוזל אלקטרו-ראולוגי הוא תרחיף (קולואיד) של חלקיקים קטנים במיוחד (עד לקוטר של 50 מיקרון) לא מוליכים אך פעילים חשמלית בתוך נוזל מבודד חשמלית. הצמיגות של הנוזל הזה משתנה בסדר גודל של עד 100,000 בתגובה לשדה חשמלי. לדוגמה, נוזל אלקטרו-ראולוגי מסוגל לעבור ממצב של נוזל למצב של ג'ל ובחזרה בזמן תגובה של מיקרו שניות. אפקט זה נקרא לעיתים "אפקט וינסלוו" על שם הממציא האמריקאי שגילה את התופעה (רשם פטנט על התופעה ב-1947, ופרסם מאמר ב-1949).

שימושים
 מתג הידראולי: מתג לשליטה על זרימת נוזל המגיע למהירויות שליטה בסדר גודל של מילי-שניות.
 מצמד דיסק: מחבר בין שתי דיסקיות ומעביר כוחות. היתרון הוא שניתן לשנות את יחסי ההצמדה בהדרגה לפי שינוי מתח חיצוני. עובי המצמד הוא נוזל בסדר גודל של 1 מ"מ.
 בלם: בדומה למצמד המתואר למעלה, ניתן לעצור את תנועה הגלגל.
 בולם זעזועים: בדומה לבלם זעזועים במערכת שמן סגורה. הבלימה מתרחשת כאשר הנוזל מנסה לעבור דרך משאבה. כאשר ניתן לשנות את צמיגות הנוזל במהירות רבה על ידי שינוי המתח. 
 ליטוש: מאפשר דיוק רב יותר לביצוע מיקרו-ליטוש.
 אמצעי חישה/מסכי מגע (תחושה): כאשר המשתמש נוגע במסך חישה הוא מרגיש התנגדות ביחס לחפץ אליו התכוון המתכנת. זה קורה בזכות שינוי הצמיגות המהיר. 
 אלקטרוניקה גמישה: מסכים שניתנים לקיפול בזכות היותם צמיגים. כאשר מעוניינים להקשיח את המסך ולהפעילו ניתן בזכות הנוזל האלקטרו-ראולוגי להחזירו למצב מוצק.

אפקט האלקטרו-ראולוגי

הפעלת שדה חשמלי על הנוזל האלקטרו-ראולוגי (תרחיף חלקיקים אקטיביים חשמליים בנוזל מבודד) גורם לחלקיקים הנמצאים בשמן מבודד לקבל קוטביות מושרית וגורם למשיכה בין החלקיקים. בעקבות זאת נוצרות שרשראות של חלקיקים בין קצוות השדה (האלקטרודות) . שרשראות אלה הן אחד המאפיינים החשובים ביותר באפקט האלקטרו-רואלוגי (א"ר, ER). הנוזל יכול להחשב במקורב לנוזל בינגהם.

החומר והתאוריה
נוזל אלקטרו-ראולוגי הוא סוג של "נוזל חכם". ניתן להכין נוזל א"ר פשוט על ידי ערבוב בין קמח תירס לשמן צמחי קל (עדיף שמן סיליקון). 

ישנן שתי תאוריות בסיסיות כדי להסביר את האפקט: 

תאוריית מתח פנים בין שתי פאזות (גשר מים) ותאוריית האלקטרוסטטיקה. 

תאוריית גשר המים מניחה מערכת של שלוש פאזות (מצבים), החלקיקים כוללים את הפאזה השלישית שהיא נוזל נוסף, לדוגמה מים ושמן שלא יכולים להתערבב. כל עוד אין מתח חשמלי החלקיקים שומרים את הפאזה השלישית. זאת אומרת שהנוזל האלקטרו-ראולוגי שומר בתוכו את החלקיקים ומתנהג כמו נוזל. כאשר מפעילים מתח חשמלי הפאזה השלישית נסחפת לצד אחד על ידי "זרימה אלקטרו-אוסמוזית" ומתחברת לחלקיקים הסמוכים ביחד ליצירת שרשרת. יצירת השרשת אומרת שהנוזל בדרך לתצורה מוצקה. 

התאוריה האלקטרו-סטטית מניחה שיש רק שתי פאזות. חלקיקים מבודדים בתוך נוזל אשר יוצרים שרשראות בעקבות מתח חשמלי, בדרך דומה לכך שנוצר האפקט בנוזל אלקטרו-מגנטי. כאשר הנוזל בפאזה המוצקה המיוצר מחלקיקים מוליכים המצופים במבודד. חומר זה לא יכול לעבוד בגישת "גשר המים", אף על פי שלהדגמת נוזל אלקטרו-ראולוגי שעובד בתאוריה אלקטרו-סטטית אינו מוכיח שכל הנוזלים האלקטרו-ראולוגים פועלים ככה. היתרון בנוזל א"ר הפועל על-פי התאוריה האלקטרוסטטית הוא ביטול "זליגת זרם". נוזלים א"ר פועלים חשמלית כקבלים והיתרון המשמעותי הוא מהירות התגובה ולכן צפוי שהשימוש יהיה בזרם משתנה. 

החלקיקים הם :אקטיביים חשמלית". הם יכולים להיות פרו-חשמליים או (כפי שמצוין למעלה) מוליכים מצופים במבודד או פעילים "אלקטרו-אוסמוזיים" .

במקרה של פרו-חשמליים או מוליכים, לחלקיקים יהיה קבוע מבודד גבוה מאוד. יכול להיות כאן בלבול לגבי קבוע מבודד של מוליך, אם חומר בעל קבוע מבודד גבוה מוצב בתוך שדה חשמלי גודל השדה יקטן ביחס לנפח המבודד (ראה ערך מקדם דיאלקטרי). ומאחר שהשדה החשמלי הוא אפס במוליך אידיאלי אזי בהקשר זה הקבוע המבודד של מוליך הוא אינסוף. 

גורם נוסף שמשפיע על האפקט האלקטרו-ראולוגי הוא הגאומטריה של האלקטרודות. בעוד כשאלקטרודות ממוקמות במקביל ניתן לראות שיפור קל באפקט. כאשר האלקטרודות ממוקמות בניצב ניתן לראות שיעור כפול באפקט. אפקט גדול יותר ניתן להשיג כאשר מצפים את האלקטרודות בחומרים עם קוטביות חשמלית. זה משנה את החיסרון הנפוץ של "מבודד מחורר" (ראה Dielectrophoresis) ליתרון שימושי. 

האפקט האלקטרו-ראולוגי הענק (אר"ע; GER) התגלה ב-2003 והוא מסוגל להגיע למאמצים גזירה גדולים בהרבה מכל אלה של האפקט האלקטרו-ראולוגי הרגיל. הנוזל האלקטרו-ראולוגי-הענק מכיל ננו חלקיקים של בריום, טיטניום, ומלח של חומצה אוקסילית מצופים בשתנן תלויים בתוך שמן סיליקון. נקודת הכניעה הגבוהה של החומר היא תודות לקבוע המבודד הגבוה של החלקיקים. הגודל הקטן של החלקיקים והשתנן. יתרון נוסף של האפקט האלקטרו-ראולוגי-הענק הוא הקשר הליניארי שבין חוזק השדה החשמלי לבין נק' הכניעה של החומר לאחר שהשדה החשמלי מגיע ל-1 קילו-וולט למילימטר. אפקט זה הוא בעל חוזק רב לעומת שדה חשמלי קטן, וכמות חומר זורם קטנה ביחד לכל נוזל אלקטרו-ראולוגי אחר. תהליך יצירת החומר נתונה בהערת השוליים.

הדאגה היחידה היא השימוש בחומצה אוקסילית להכנת החלקיקים שהיא חומצה אורגנית חזקה מאוד.

 יתרונות וחסרונות 
בעיה עיקרית אחת לנוזל האלקטרו-ראולוגי היא הריחוף בתוך החומר, שכן החלקיקים נוטים לשקוע לאורך זמן. לכן בחומרים מתקדמים יותר דואגים להתאים את הצפיפיות של הנוזל ובמוצק, או בעזרת חלקיקים אשר מייצרים שורות בעזרת אפקט מגנטי-ראולוגי. בעיה אחרת היא השדה הקריטי לזליגה של זרם באוויר שהוא 3 קילו-וולט למילימטר, קרוב למתח שדרוש כדי לייצר את האפקט האלקטרו-ראולוגי. 

יתרון הנוזל הוא שהוא מאפשר שליטה מכנית רבה לעומת ההשקעה החשמלית שהוא דורש. לדוגמה הוא יכול לשמש כמגבר הספק. אך היתרון המשמעותי ביותר הוא מהירות התגובה הגבוהה. ישנם מעט אפקטים נוספים היכולים לשלוט במהירות על מערכות הידראוליות בסדר גודל דומה. 

ראו גם
 מכניקת הרצף
 נוזל מגנטי
 מכניקת הנוזלים
 אפקט דביי-פוקנהגן 
 פולימרים אלקטרו-אקטיביים
 תאחיזה חשמלית 
 אפקט אלקטרו-צמיגי 
 נוזל חכם 
 מרסן אלקטרו-מגנטי 

קישורים חיצוניים
 מסך חישה
 הסבר ושימושים 
 סרטון דוגמה 

הערות שוליים

קטגוריה:טכנולוגיה
קטגוריה:הנדסת מכונות
קטגוריה:ננוטכנולוגיה
קטגוריה:מכניקה