Natuurkunde.nl wil graag goede profielwerkstukken aan zijn bezoekers tonen. En dan ook maar meteen de beste. We nodigen u uit, de beste twee natuurkunde-profielwerkstukken van uw leerlingen in te zenden.
De Profidolen van 2004 krijgen één jaar collegegeld aan een universiteit cadeau (maximaal twee per werkstuk). De school van de winnaar mag voor €500 aan practicumspullen kopen op rekening van natuurkunde.nl.
!!Inzendingen die binnenkomen na 10 april 2004 worden wel geplaatst maar komen niet meer in aanmerking voor de prijzen.!!
Mirte de Maaré heeft van haar profielwerkstuk de samenvatting ingestuurd om zo mee te dingen naar de hoofdprijs.
Hoofdvragen
Geïnspireerd door een bezoek aan de voorlichtingsdagen op de TU in Delft begon mijn onderzoek naar de werking van een electrospray. Het uiteindelijke werkstuk mondde uit in een vrij uitgebreide beschrijving van electospraying. Ook de toepassingen werden toegelicht. De hoofdvragen van het onderzoek worden samengevat weergegeven:
- Wat is electrospraying?
- Wat is de belangrijkste toepassing?
- Hoe maak je een electrospray?
Wat is electrospraying?
Electrospraying is de Engelse term voor het fenomeen dat ontstaat wanneer een druppel onder hoogspanning komt te staan. Normaal gesproken ziet een vloeistofdruppel eruit als klein bolletje. Neemt men echter een holle naald waar vloeistof doorheen stroomt, een geaard metalen plaatje en een hoogspanningsbron, kan men een electrospray maken. Wanneer de hoogspanning wordt aangesloten zodat een elektrisch veld ontstaat tussen de naald en het metalen plaatje, neemt de vloeistof na het opvoeren van de spanning een conusvorm (kegelvorm) aan. Deze conusvorm is ontdekt door Sir Geoffry Taylor, vandaar de Taylor conus.
Zodra de hoogspanning wordt aangezet gebeurt er dus iets merkwaardigs met de vloeistofdruppel. De ionen in de druppel gaan zich verplaatsen. Dit komt door het tangentiële elektrische veld. De ionen bewegen zich naar het vloeistofoppervlak. Afhankelijk van de lading op de naald zijn dat positieve of negatieve ionen. Dit verschijnsel leidt tot een naar buiten gericht elektrostatische druk op het vloeistofoppervlak. Als de spanning maar ver genoeg wordt opgevoerd, neemt de druppel de vorm aan van een conus (zie afbeelding).De ionen die zich in het vloeistofoppervlak bevinden bewegen zich naar de top van de conus. Deze ionen botsen met de omringende vloeistofmoleculen. Dit resulteert in een versnelling van deze omringende vloeistofmoleculen. Het resultaat van deze versnelling is dat uit de top van de conus een jet (dit is een straal van water, gas of bijvoorbeeld damp) ontstaat. Uit deze jet ontstaan een grote hoeveelheid kleine tot zeer kleine druppeltjes. Deze druppeltjes zijn allemaal exact even groot. Vanwege de overvloed aan lading op het oppervlak van de conus en de jet zijn de druppeltjes sterk geladen. Door de lading die deze druppeltjes dragen waaieren ze uit tot een spray.
Wat is de belangrijkste toepassing?
Er zijn vele toepassingen van electrospraying. Een van de belangrijkste daarvan betreft het toedienen van medicijnen.
- Electrospraying in de medicijnenwereld
Bijna dagelijks word je geconfronteerd met medicijnen. Sommige mensen lijden aan een chronische ziekte en moeten daarom elke dag medicijnen innemen. Een voorbeeld hiervan is astma. Mensen die aan deze ziekte lijden gebruiken van een inhaler. Middels een dergelijk apparaatje ademen de patiënten de medicijnen in. Echter, de druppeltjes die worden geproduceerd door een inhaler, zijn allemaal van een verschillende grootte. Dit heeft als gevolg dat niet alle druppeltjes op de juiste plaats in het lichaam terecht komen. Sommige deeltjes zijn te groot en komen terecht in je keel en vervolgens in je maag; dit kan voor bijwerkingen zorgen. Andere deeltjes zijn te klein en bereiken de longblaasjes niet. Omdat je met behulp van een electrospray druppeltjes kunt genereren die allemaal van dezelfde grootte zijn, is electrospraying ideaal bij het toedienen van medicijnen via de luchtwegen.
Hoe maak je een electrospray ?
1. De opstelling.
2. De werkwijze
- De opstelling wordt volgens het schema hierboven gebouwd.
- Ethanol wordt in de injectiespuit gedaan.
- De injectiespuit wordt ingedrukt totdat het hele slangetje gevuld is met ethanol en er geen luchtbellen meer aanwezig zijn.
- De naald wordt in een statief geplaatst en de hoogspanning wordt aangesloten op de naald.
- De verbinding met de aarde wordt aangesloten op het metalen plaatje dat twee centimeter onder de punt van de naald wordt geplaatst.
- De hoogspanningsbron wordt aangezet en ingesteld op ± 5 kV
- De laser wordt op de vloeistofspray gericht.
De resultaten
Ethanol is een geschikte stof voor electrospraying. Je krijgt vrij snel een goed resultaat. Demiwater is een stuk minder geschikt. Dit komt doordat demiwater een aanzienlijk grotere oppervlaktespanning heeft. Verder is het volgende geconcludeerd:
- De ideale afstand tussen de punt van de naald en het metalen plaatje om een mooie stabiele conus te laten ontstaan is 1,5 – 2,5 cm. (voor ethanol)
- De ideale vloeistoftoevoer snelheid is 0,7 – 1,5 ml/hr (voor ethanol)
Dit profielwerkstuk is gemaakt door:
Gegevens Auteur:
- Naam: Mirte de Maaré
- Woonplaats: Beek en Donk
Gegevens docent:
- Naam: A. Jacobs
- Woonplaats: Deurne
Gegevens School:
- Naam: Jan van Brabant College
- Adres: Molenstraat 91
- PC en Woonplaats: 5701 KD Helmond
Verder werkten mee:
- A. Hubacz, promovenda aan de TU Delft
- Dr. Ir. JCM Marijnissen, hoogleraar aan de TU Delft
- www.delftintegraal.tudelft.nl
- de mensen van het EXO steunpunt (materiaal)
