Основы электрогидродинамики - Основные образовательные

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Физико-технический институт
Кафедра радиофизики
ИВАНОВА Н.А.
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИКИ
Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для аспирантов направления
03.06.01 Физика и астрономия (Радиофизика)
очной и заочной форм обучения
Тюменский государственный университет
2014
Иванова Наталья Анатольевна. Основы электрогидродинамики. Учебно-методический
комплекс. Рабочая программа для аспирантов направления 03.06.01 Физика и астрономия
(Радиофизика), очной и заочной форм обучения. Тюмень, 2014, 10 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО с учетом
рекомендаций и ОПОП ВО по направлению и профилю подготовки.
Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Основы
электрогидродинамики [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3plus.utmn.ru,
свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой Радиофизики. Утверждено проректором по
научной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: В.А. Михеев, кандидат физико-математических наук,
заведующий кафедрой радиофизики.
© Тюменский государственный университет, 2014.
© Н.А. Иванова, 2014.
1. Пояснительная записка
1.1 Цели и задачи дисциплины (модуля):
Цель дисциплины – сформировать у аспирантов современное представление об
основных понятиях и закономерностях движения слабопроводящих жидкостей в
электрическом поле, а также способам их исследования.
Задача дисциплины – изучение методов исследования электрогидродинамических
явлений.
1.2 Место дисциплины в структуре образовательной программы
Курс «Основы электрогидродинамики» относится к факультативным дисциплинам
вариативной части блока 1.
При изучении курса используются знания, полученные аспирантами при изучении в
специалитете и магистратуре курсов: «Радиофизика», «Электродинамика», «Механика
сплошных сред», «Теплофизика».
Таблица 1.
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
п/п
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1.
Подготовка
диссертации
Радиофизика
2.
кандидатской
Темы дисциплины необходимые для изучения
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1.1
1.2
2.1
2.2
2.3
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1.3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения данной
образовательной программы
Не предусмотрены.
1.4 Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю)
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
ЗНАТЬ:
 основные закономерности физико-химических процессов в объеме жидких
диэлектриков и на поверхностях раздела фаз;
 математический аппарат электрогидродинамики;
УМЕТЬ:
 самостоятельно решать типовые задачи электрогидродинамики;
ВЛАДЕТЬ:
 приемами и навыками построения математических моделей электрофизических и
электрогидродинамических процессов в различных областях естествознания;
2. Структура и трудоемкость дисциплины
Семестр – 5. Форма промежуточной аттестации – зачет. Общая трудоемкость
дисциплины составляет 2 зачетных единицы, 72 академических часа, из них 50 часов,
выделенных на самостоятельную работу.
3. Тематический план
Таблица 2.
2.3
7
8
9
10
12
8
20
18
14
32
1
3
5
Беседа
Беседа
10
12
2
Беседа
10
14
2
Беседа
10
14
2
Беседа
30
50
40
72
6
11
Зачет
Самостоятельная
работа
Форма контроля
2.1
2.2
Из них в интерактивной
форме
1.1
1.2
Итого часов по теме
1
Лабораторные
занятия
Лекции
Тема
Виды учебной работы и
самостоятельная
работа, в час.
Семинарские
(практические)
занятия
№
2
4
5
6
Модуль 1. Основы электрогидродинамики.
Введение в электрогидродинамику.
6
0
0
Электрические свойства поверхностей.
6
0
0
Всего
12
0
0
Модуль 2. Электрокинетические эффекты в микрофлюидике.
Электрокапиллярные эффекты.
2
0
0
Электрофоретическое движение частиц в
4
0
0
микроканалах.
Электроосмотические течения в микро4
0
0
каналах произвольной формы.
Всего
12
0
0
Итого (часов)
22
0
0
4. Содержание дисциплины
Модуль 1: Основы электрогидродинамики.
Тема 1.1. Введение в электрогидродинамику.
Определение электрогидродинамики (ЭГД). История развития ЭГД. Классические ЭГД
эффекты: Лейденская банка, электрофорная машина, Франклиново колесо и др. ЭГД
приближение. Система ЭГД уравнений и граничных условий. Термодинамика жидких
диэлектриков. Обзор электрокинетических эффектов. Применение ЭГД эффектов в
современных технологиях. Омическая модель проводимости в ЭГД. Многоионныедиссационно-инжекционные модели. Неустойчивость ЭГД течений.
Тема 1.2. Электрические свойства поверхностей.
Электрическое поле в диэлектрической среде. Физическая и химическая природа заряда на
поверхности тела в жидкости. Понятие электрического двойного слоя. Механизм
формирования двойного электрического слоя и его структура. Электрокинетический
потенциал (дзета-потенциал). Дебаевский радиус. Модели двойного слоя: Гельмгольца, ГуиЧапмена, Штерна. Уравнение Пуассона-Больцмана. Емкость двойного электрического слоя.
Поле электрического двойного слоя вблизи поверхностей произвольной формы.
Модуль 2: Электрокинетические эффекты в микрофлюидике.
Тема 2.1. Электрокапиллярный эффект. Термодинамика электрокапиллярного эффекта.
Уравнение
Липпмана.
Электросмачивание
на
диэлектрике.
Применение
электрокапиллярного эффекта: адаптивные оптические элементы, электронная бумага,
переключатели, лаборатории на чипе.
Тема 2.2. Электроосмотические течения в микроканалах произвольной формы.
Электроосмотическое течение в щелевидном, прямоугольном и цилиндрическом
микроканалах. Анализ процесса смещения между двумя электролитами в канале.
Электроосмотическое течение в микроканале с переменным дзета-потенциалом.
Смешивание и дозирование в Т-образном микроканале. Методы измерения поля скоростей
электроосмотического течения.
Тема 2.3. Электрофоретическое движение частиц в микроканалах. Скорость
электрофоретического движения частиц. Уравнение Смолуховского для больших частиц с
малым поверхностным потенциалом. Функция Генри. Уравнения Хёкеля. Электровязкий
эффект. Применение электрофореза в медицине и современных технологиях. Основы теории
диэлектрофореза. Магнитофорез.
5. Семинарские (практические) занятия
Не предусмотрены.
6. Темы лабораторных работ.
Не предусмотрены.
7. Учебно-методическое обеспечение и планирование самостоятельной работы
аспирантов.
Для самостоятельного изучения теоретического материала студентами используются
учебники и учебные пособия, приведённые в списке литературы и интернет ресурсы
свободного доступа.
№
Модули и темы
Модуль 1
1. Введение в
электрогидродинамику.
2.
Представление о двойном
электрическом слое.
Всего
Модуль 2
3. Электрокапиллярные
эффекты.
4.
Электроосмотические
течения в микроканалах
произвольной формы.
Виды СРА
обязательные
дополнительные
1. Работа с учебной и
научной литературой.
2. Проработка лекций
1. Работа с учебной и
научной литературой.
2. Проработка лекций
Таблица 3.
Объем
часов
Подготовка
к беседе, зачету
12
Подготовка
к беседе, зачету
8
20
1. Работа с учебной и
научной литературой.
2. Проработка лекций
1. Работа с учебной и
научной литературой.
2. Проработка лекций
Подготовка
к беседе, зачету
10
Подготовка
к беседе, зачету
10
Электрофоретическое
движение частиц в
микроканалах.
Всего
ИТОГО:
5.
1. Работа с учебной и
научной литературой.
2. Проработка лекций
Подготовка
к беседе, зачету
10
30
50
8. Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые для оценки
знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующей этапы
формирования компетенций в процессе освоения образовательной программы
Примерные вопросы к зачету:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
ЭГД приближение. Система уравнений.
Омическая модель проводимости.
Диссоционно-инжекционная модель.
ЭГД уравнения для переменного внешнего поля.
Электрическое поле в диэлектрической среде.
Баланс зарядов на свободной поверхности.
Понятие электрического двойного слоя.
Механизм формирования двойного электрического слоя и его структура.
Электрокинетический потенциал (дзета-потенциал). Дебаевский радиус.
Модели двойного слоя Гельмгольца и Гуи-Чапмена.
Теория Штерна.
Уравнение Пуассона-Больцмана.
Емкость двойного электрического слоя.
Поле электрического двойного слоя вблизи поверхностей произвольной формы.
Электрокапиллярный эффект. Термодинамика электрокапиллярного эффекта.
Уравнение Липпмана.
Заряженные поверхности раздела фаз твердое тело-жидкость.
Типы потенциалов. Физический смысл разности потенциалов между двумя фазами.
Электросмачивание на диэлектрике. Применение электрокапиллярного эффекта:
адаптивные оптические элементы, электронная бумага, переключатели, лаборатории
на чипе.
Определение электроосмоса.
Электроосмотическое течение в щелевидном микроканале.
Электроосмотическое течение в прямоугольном микроканале.
Электроосмотическое течение в цилиндрическом микроканале.
Процесс смещения между двумя электролитами в канале.
Электроосмотическое течение в микроканале с переменным дзета-потенциалом.
Смешивание и дозирование в Т-образном микроканале.
Методы измерения поля скоростей электроосмотического течения.
Понятие электрофореза.
Скорость электрофоретического движения частиц.
Уравнение Смолуховского для больших частиц с малым поверхностным
потенциалом.
Функция Генри. Уравнения Хёкеля.
Электровязкий эффект.
Две частицы в микроканале.
Применение электрофореза в медицине и современных технологиях.
Природа магнитных полей в материалах.
Магнитофоретическая сила.
9. Образовательные технологии
Предусматривается использование в учебном процессе следующих активных и
интерактивных форм проведения занятий:
1. лекции;
2. беседы;
3. работа в малых группах.
10. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля)
10.1 Основная литература:
1. Романенко, Е.С. Физическая химия: учебное пособие / Е.С. Романенко, Н.Н. Францева;
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ставропольский государственный аграрный университет, Министерство сельского хозяйства РФ. - Ставрополь: Агрус, 2012. - 88 с. : ил.; То же [Электронный
ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=277422 (2.10.2014).
2. Коллоидная химия: учебное пособие / Н. Францева, Е. Романенко, Ю. Безгина,
Е. Волосова; Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, ФГБОУ ВПО
«Ставоропольский государственный аграрный университет». - Ставрополь: Параграф, 2012. 52 с.: ил., табл., схем. - Библиогр. в кн.; То же [Электронный ресурс]. URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=277427 (2.10.2014).
3.
Физическая
химия:
учебное
пособие/Г.В. Булидорова,
Ю.Г. Галяметдинов,
Х.М. Ярошевская, В.П. Барабанов; Министерство образования и науки России, Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский национальный исследовательский технологический университет. - Казань: Издательство КНИТУ, 2012. - 396 с. : ил., табл. - ISBN 978-5-7882-1367-5; То же [Электронный ресурс]. - URL:http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=258360 (2.10.2014).
4. Фомичев, В.П. Магнитогидродинамика: учебное пособие / В.П. Фомичев. - Новосибирск:
НГТУ, 2011. - 150 с. - ISBN 978-5-7782-1802-4; То же [Электронный ресурс]. URL:http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=228764 (2.10.2014).
10.2 Дополнительная литература:
1. Коробейников, С.М. Электрофизические процессы в газообразных, жидких и твердых диэлектриках. Процессы в жидкостях: учебное пособие / С.М. Коробейников. - Новосибирск:
НГТУ, 2010. - 116 с. - ISBN 978-5-7782-1397-5; То же [Электронный ресурс]. URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=228970 (2.10.2014).
2. Куликовский, А.Г. Магнитная гидродинамика: учебное пособие / А.Г. Куликовский,
Г.А. Любимов. - 3-е изд. - М.: Логос, 2011. - 324 с. - (Классический Университетский Учебник).
ISBN
978-5-94010-556-5;
То
же
[Электронный
ресурс].
URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=89795(2.10.2014).
3. Смородин Б. Л. Параметрическая конвекция слабопроводящей жидкости в переменном
электрическом поле / Б. Л. Смородин, А. В. Тараут/ Б. Л. Смородин, А. В. Тараут //Известия
РАН. Механика жидкости и газа. - 2010. - № 1. - С. 3-11. - ISSN 0568-5281. - Библиогр.: с. 11
(10 назв.)
4. Жакин, А. И. Электрогидродинамические течения и теплообмен в системе электродов лезвие - плоскость/ А. И. Жакин, А. Е. Кузько //Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2013. - № 3. - С. 31-42. - ISSN 0568-5281. - Библиогр.: с. 42 (20 назв.)
5. Алтунин, К.К. Электродинамика, специальная теория относительности и электродинамика
сплошных сред: учебно-методическое пособие / К.К. Алтунин. - 2-е изд. - М.: Директ-Медиа,
2014. - 109 с. - ISBN 978-5-4475-0326-0; То же [Электронный ресурс]. URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=240549 (2.10.2014).
6. Александров, Д.В. Введение в гидродинамику : учебное пособие / Д.В. Александров,
А.Ю. Зубарев, Л.Ю. Искакова. - Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2012.
- 112 с. - ISBN 978-5-7996-0785-2; То же [Электронный ресурс].
URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=239521 (2.10.2014).
7. Жуков, М.Ю. Массоперенос электрическим полем / М.Ю. Жуков; Ростовский государственный университет. - Ростов-н/Д: Издательство Ростовского университета, 2005. - 216 с. ISBN
5-9275-0155-9;
То
же
[Электронный
ресурс].
URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=241101 (2.10.2014).
10.3. Интернет – ресурсы:
1. http://elibrary.ru/ – eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва).
2. http://spiedl.org/ – SPIE Digital Открыт доступ к 7 журналам SPIE Digital Library
Library
на английском языке. Библиотека насчитывает
260 000 статей, охватывающих информационные
технологии, защиту и промышленный контроль,
микро
и
нанотехнологии,
электронную
обработку изображений и данных, оптику и
электрооптику.
3. http://www.springerlink.com –
SpringerLink – уникальная по тематическому
содержанию электронная коллекция научных и
открыт доступ к электронным технологических журналов, книг, а также
ресурсам издательства Springer по ссылок на научные работы. Доступ применим ко
программе консорциума МЦНТИ – всем электронным книгам Springer ( с 2005 по
ICSTI Resource Network
н/в) и электронным журналам (с 1997 по н/в) в
течении
тестового
периода
по
всем
тематическим коллекциям.
4. www.crnetbase.com
Справочники и книги.
5. http://www.csa.com/htbin/dbrng.cgi? CSA
Technology
research
username=XXXX&access=XXXX
реферативные базы данных.
6. http://www.qpat.com
databases
–
Questel Patent – базы данных, содержащие
информацию
об
интеллектуальной
собственности. Коллекция патентного фонда
насчитывает свыше 50 миллионов документов из
80 стран и международных патентных ведомств.
11. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении
образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного
обеспечения и информационных справочных систем (при необходимости)
Электронные справочники по электрогидродинамике, магнитогидродинамике и
физической химии поверхностей.
12. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины
(модуля)
Лекционная аудитория с доской и мелом, лекционная аудитория с мультимедийным
оборудованием.