Reference : Influences of electric charges on an isolated drop
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Physical, chemical, mathematical & earth Sciences : Physics
http://hdl.handle.net/2268/203561
Influences of electric charges on an isolated drop
English
[fr] Influences des charges électriques sur une goutte isolée
Brandenbourger, Martin mailto [Université de Liège > Département de physique > Physique statistique >]
10-Oct-2016
Université de Liège, ​Liège, ​​Belgique
Docteur en Sciences Physiques
Dorbolo, Stéphane mailto
Martin, John mailto
Caps, Hervé mailto
Marin, Alvaro mailto
Eddi, Antonin mailto
Scheid, Benoit mailto
[en] Charged droplet ; Electric field ; Bouncing drop ; Charge leakage ; Leidenfrost ; microgravity ; interaction charged drop
[en] Research such as the famous Millikan experiment or the studies concerning thunderclouds have shown that droplets can be considerably influenced by an excess of electric charges. Indeed, an excess of charges can affect the intrinsic properties of a droplet, such as its natural oscillation frequency or its internal pressure. Moreover, the electric charges in excess in droplets can also interact with external electric fields. In this thesis, we investigated the influence of electric charges on millimetric droplets that are electrically isolated.

In literature, research on isolated charged droplets are mainly focused on droplets with a micrometric size. The lack of studies concerning millimetric charged droplets is explained by the difficulty storing them while avoiding charge leakage. In order to answer to this issue, we examined three storage systems limiting the charge leakage: the microgravity, the vibrating bath method and the Leidenfrost effect. Through these systems, we studied the influence of electric charges on the droplet physical properties, but also the interaction between the charged droplet and its storage system. Furthermore, we investigated the interaction of charged droplets with external electric fields. More precisely, we studied the interaction between two electrically charged droplets and the interaction between one charged droplet and an external homogeneous electric field.

A first set of experiments on electrically charged droplets allowed us modeling the charge migration process in liquids and the charge leakage from a millimetric droplet. In particular, we identified and modeled a new mechanism of charges leakage occurring at a time scale of several minutes. Moreover, we confirmed the influence of the electric charges on the droplet surface energy previously deduced from experiments on micrometric droplets. Concerning the three storage systems, the experiments performed in microgravity allowed us describing the influence of the electric interaction on the impact between two charged droplets. The diverse behaviors observed were compared to the cases of impacts between two neutral drops. On a different note, the study of a charged droplet moving on the surface of a vibrating bath because of the influence of an external electric field gave new insights on the interaction between a bouncing droplet and a viscous liquid bath. For example, we observed a ``go-stop" motion during which the droplet horizontally moves when it bounces away and is stopped during its interaction with the liquid bath. We showed that this motion occurs when large droplets are influenced by a weak electric field. Droplets with this kind of motion move with a constant average speed, which makes them easily manoeuvrable. Therefore, the control of the droplet motion led to the development of a new microfluidic prototype. Via this new setup, basic microfluidic tasks can be performed without polluting droplet via contacts with solids or liquids. With these results in mind, we also examined the interaction between two charged droplets bouncing on the vibrating bath. This study brought new insights on the interaction between two charged droplets. Indeed, we observed that two drops with the same charges tend to remain at an equilibrium distance. Our study showed that this equilibrium distance is due to the compensation of the electric repulsion by capillary attraction at the surface of the vibrating bath. Finally, our study of charged droplet in Leidenfrost state on a liquid bath led to a better understanding of the interaction between charged liquid interfaces. Indeed, we showed that electric charges cause the early coalescence of charged droplet because of an increase in the vapor layer drainage.

We conclude from our results that an excess of electric charges influences ostensibly the intrinsic behavior of a droplet and its interaction with the environment. Furthermore, each storage system studied brought answers to specific issues. The study of the impact between charged droplets in microgravity outlines new explanations on the behavior of thunderclouds. The results accumulated on the micromanipulation of charged droplet bouncing on a vibrating bath opens the way to a new kind of microfluidic system. Finally, the study on the charged Leidenfrost droplets describes new ways to investigate the influence of electric charges on liquid interfaces.
[fr] La célèbre expérience de Millikan, ainsi que l'étude des nuages d'orages, ont montré qu'un excès de charges électriques dans une goutte peut considérablement influencer son comportement. D'une part, l'excès de charges électriques influence les propriétés des gouttes, telles que sa fréquence d'oscillation ou sa pression interne. D'autre part, les charges au sein de la goutte peuvent interagir avec des champs électriques extérieurs. Dans cette thèse, on s'est intéressé à l'influence d'un excès de charges électriques sur une goutte millimétrique isolée électriquement.

Les précédentes recherches sur des gouttes chargées isolées ont souvent été cantonnées à l'étude de gouttes micrométriques. Ceci s'explique par la difficulté d'isoler électriquement cette goutte. Pour répondre à cette problématique, nous nous sommes intéressé à trois dispositifs permettant d'éviter la décharge d'une goutte: la microgravité, l'expérience du bain vibrant et l'effet Leidenfrost. A travers ces trois systèmes, nous avons étudié l'influence des charges électriques sur les propriétés physiques de la goutte ainsi que sur son interaction avec les systèmes de stockages utilisés. En outre, nous nous sommes également intéressé à l'interaction d'une goutte chargée avec un champ électrique extérieur. Ainsi, nous avons examiné l'interaction entre deux gouttes chargées et l'interaction entre une goutte chargée et un champ électrique homogène.

L'ensemble de ces études nous a permis de mieux décrire le processus de migration de charges au sein d'un liquide ainsi que le processus de perte de charges d'une goutte. En particulier, nous avons pu identifier et modéliser un nouveau mécanisme de pertes de charges se produisant en un temps caractéristique de plusieurs minutes. Nous avons également pu confirmer l'influence de la charge électrique sur l'énergie de surface d'une goutte. Quant à l'utilisation de trois systèmes de stockages, nos études en microgravité nous ont permis de décrire l'influence de la répulsion ou de l'attraction électrique sur l'impact entre deux gouttes chargées. L'éventail de comportements observés a été comparé au cas d'impacts entre deux gouttes neutres. Dans un autre registre, l'étude d'une goutte chargée se déplaçant à la surface d'un bain vibrant grâce à l'action d'un champ électrique extérieur nous a permis d'en apprendre plus sur l'interaction entre une goutte et la surface d'un bain visqueux. Par exemple, nous avons observé un régime ``go-stop" dans lequel la goutte chargée se déplace durant son rebond et est stoppée durant son interaction avec le bain vibrant. Nous avons pu montrer qu'un tel régime apparait pour une goutte de volume important influencée par une force électrique faible. Dans cette configuration, la goutte se déplace avec une vitesse moyenne constante, ce qui la rend facilement manipulable. En conséquence, cette étude a menée au développement d'un prototype de microfludique permettant de contrôler le déplacement de gouttes en évitant toutes pollutions par contact. Dans cette optique, nous nous sommes également intéressé à l'interaction entre deux gouttes chargées stockées sur un bain vibrant. Cette étude a permis d'affiner notre compréhension de l'interaction entre deux gouttes chargées. Ainsi, nous avons pu montrer que deux gouttes de même charges se déplacent jusqu'à atteindre une distance d'équilibre. Cet équilibre est dû à la compensation de l'attraction capillaire par la répulsion électrique. Enfin, notre étude de gouttes chargées en Leidenfrost sur un bain liquide a démontré que la présence de charges électriques produit une coalescence prématurée de la goutte avec le bain liquide. Plus généralement, nos mesures nous ont amené à mieux comprendre comment la présence de charges électriques à la surface de deux interfaces liquides séparées d'une fine couche de gaz tend à générer une forte attraction entre ces deux interfaces.

A la vue de nos résultats, nous pouvons conclure que la présence de charges au sein de gouttes millimétriques influence de façon visible leurs comportements intrinsèques ainsi que leurs interactions avec leur environnement. En outre, chacun des systèmes de stockages étudiés a apporté des réponses à différentes problématiques. L'étude en microgravité de l'impact entre deux gouttes chargées ébauche de nouvelles explications quant au comportement des nuages d'orages. Les résultats accumulés quant à la manipulation de gouttes chargées sur bain vibrant ouvrent la voie à de nouveaux systèmes microfluidiques. Enfin, l'analyse d'une goutte chargée en Leidenfrost décrit un nouveau moyen d'étudier l'influence de charges électriques sur l'interaction entre interfaces liquides.
Complex and Entangled Systems from Atoms to Materials - CESAM
Fonds pour la formation à la Recherche dans l'Industrie et dans l'Agriculture (Communauté française de Belgique) - FRIA ; PAI MicroMast
Researchers ; Professionals ; Students
http://hdl.handle.net/2268/203561

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