Основы электрогидродинамики. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для аспирантов направления 03.06.01 Физика и астрономия

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

. 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: , кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой радиофизики.

© Тюменский государственный университет, 2014.

© , 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	Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1.1	1.2	2.1	2.2	2.3
1.	Подготовка кандидатской диссертации	+	+	+	+	+
2.	Радиофизика	+	+	+	+	+

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.

№	Тема	Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час.	Итого часов по теме	Из них в интерактивной форме	Форма контроля
Лекции	Семинарские  (практические) занятия	Лабораторные занятия	Самостоятельная  работа
1	2	4	5	6	7	8	9	10
Модуль 1. Основы электрогидродинамики.
1.1	Введение в электрогидродинамику.	6	0	0	12	18	1	Беседа
1.2	Электрические свойства поверхностей.	6	0	0	8	14	3	Беседа
Всего	12	0	0	20	32	5
Модуль 2. Электрокинетические эффекты в микрофлюидике.
2.1	Электрокапиллярные эффекты.	2	0	0	10	12	2	Беседа
2.2	Электрофоретическое движение частиц в микроканалах.	4	0	0	10	14	2	Беседа
2.3	Электроосмотические течения в микроканалах произвольной формы.	4	0	0	10	14	2	Беседа
Всего	12	0	0	30	40	6
Итого (часов)	22	0	0	50	72	11	Зачет

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. Многоионные-диссационно-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, Гуи-Чапмена, 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.

Таблица 3.

№	Модули и темы	Виды СРА	Объем часов
обязательные	дополнительные
Модуль 1
1.	Введение в электрогидродинамику.	1. Работа с учебной и научной литературой. 2. Проработка лекций	Подготовка к беседе, зачету	12
2.	Представление о двойном электрическом слое.	1. Работа с учебной и научной литературой. 2. Проработка лекций	Подготовка к беседе, зачету	8
Всего	20
Модуль 2
3.	Электрокапиллярные эффекты.	1. Работа с учебной и научной литературой. 2. Проработка лекций	Подготовка к беседе, зачету	10
4.	Электроосмотические течения в микроканалах произвольной формы.	1. Работа с учебной и научной литературой. 2. Проработка лекций	Подготовка к беседе, зачету	10
5.	Электрофоретическое движение частиц в микроканалах.	1. Работа с учебной и научной литературой. 2. Проработка лекций	Подготовка к беседе, зачету	10
Всего	30
ИТОГО:	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:

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:

лекции; беседы; работа в малых группах.

10. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля)

10.1 Основная литература:

1. Романенко, химия: учебное пособие / , ; 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/, , ; 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, : учебное пособие / . - 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, процессы в газообразных, жидких и твердых диэлектриках. Процессы в жидкостях: учебное пособие / . - 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, гидродинамика: учебное пособие / , . - 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 конвекция слабопроводящей жидкости в переменном электрическом поле / , / , //Известия РАН. Механика жидкости и газа. - 2010. - № 1. - С. 3-11. - ISSN 0568-5281. - Библиогр.: с. 11 (10 назв.)

4. Жакин, течения и теплообмен в системе электродов лезвие - плоскость/ , //Известия РАН. Механика жидкости и газа. - 2013. - № 3. - С. 31-42. - ISSN 0568-5281. - Библиогр.: с. 42 (20 назв.)

5. Алтунин, , специальная теория относительности и электродинамика сплошных сред: учебно-методическое пособие / . - 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, в гидродинамику : учебное пособие / , , . - 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, электрическим полем / ; 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:

http://elibrary. ru/ – eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва).

2. http://spiedl. org/ – SPIE Digital  Library	Открыт доступ к 7 журналам SPIE Digital 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. – открыт доступ к электронным ресурсам издательства Springer по программе консорциума МЦНТИ – ICSTI Resource Network	SpringerLink – уникальная по тематическому содержанию электронная коллекция научных и технологических журналов, книг, а также ссылок на научные работы. Доступ применим ко всем электронным книгам Springer ( с 2005 по н/в) и электронным журналам (с 1997 по н/в) в течении тестового периода по всем тематическим коллекциям.
4. www.	Справочники и книги.
5. http://www. /htbin/dbrng. cgi? username=XXXX&access=XXXX	CSA Technology research databases – реферативные базы данных.
6. http://www.	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.