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Rotation de Quincke

- Porteur : Lemaire Élisabeth

- Collaborateurs LPMC : Lobry Laurent, Peters François

- Collaborateurs extérieurs : Zahn Markus (MIT, USA), Pannacci Nicolas (IFPEN)

- Description :

Lorsqu’une particule isolante, immergée dans un liquide légèrement conducteur, est soumise à un champ électrique continu suffisamment grand, elle se met spontanément en rotation sur elle même autour d’un axe perpendiculaire au champ appliqué. Cette brisure de symétrie est connue sous le nom de rotation de Quincke et peut être expliquée qualitativement par l’action des charges libres du liquide : en migrant d’une électrode à l’autre, les ions rencontrent le corps isolant et s’accumulent à sa surface induisant un dipôle, P, dans la direction opposée au champ électrique. Cet équilibre est instable et la particule se met en rotation pour tenter d’orienter sa polarisation dans la direction du champ appliqué.

Nous nous sommes intéressés au comportement d’un objet isolé subissant la rotation de Quincke et avons pu montrer théoriquement et expérimentalement que les équations régissant la dynamique du dipôle P étaient, sans aucune approximation, équivalentes aux équations de Lorenz, faisant du rotor de Quincke un modèle expérimental particulièrement intéressant (et quasiment unique) de l’attracteur de Lorenz. Par ailleurs, la rotation de Quincke a des conséquences inattendues sur l’orientation de fibres diélectriques soumises à un champ électrique continu. Elle permet en particulier de stabiliser une orientation des fibres perpendiculaire au champ.

L’autre volet de notre travail a consisté à étudier le comportement collectif d’une assemblée de particules, soumises à la rotation de Quincke ; ainsi, la rotation de Quincke peut conduire à une augmentation notable de la conductivité électrique effective de la suspension car, en tournant sur elles-mêmes, les particules convectent des charges électriques, ajoutant ainsi au courant de conduction présent dans le liquide dispersant, un courant convectif associé à la rotation des particules. A côté de cela, l’essentiel de notre travail a porté sur les conséquences de la Rotation de Quincke sur le comportement rhéologique d’une suspension : les particules en rotation jouent le rôle de micromoteurs qui entraînent le liquide suspendant et abaissent (de plus d’un facteur 10) la viscosité apparente de la suspension. Nous avons étudié cette diminution de viscosité induite par la rotation des particules d’un point de vue théorique et expérimental. Le modèle théorique ne prend en compte ni les interactions hydrodynamiques ni les interactions dipolaires électriques et il surestime ainsi la baisse de viscosité induite par le champ électrique. Il prédit en outre la possibilité d’obtenir une viscosité apparente négative ! Les expériences nous ont permis d’observer que les particules de la suspension avait tendance à se regrouper sous forme de feuillets ou de chaînes et que ces structurel mitaient la baisse de viscosité. L’influence du champ électrique sur la rhéologie d’une suspension a été caractérisée en écoulement de cisaillement simple et en écoulement dans un canal rectangulaire. Dans ce dernier cas, grâce à des mesures acoustiques, nous avons pu montrer que l’augmentation de débit observée, lorsqu’un champ électrique est appliqué perpendiculairement aux parois du canal, était accompagnée d’une modification de la forme des profils de vitesse.

Nous avons enfin mené une étude numérique en éléments finis pour montrer que lorsque la taille des particules n’était plus très grande devant l’épaisseur de la couche d’ions qui s’accumulent à sa surface sous l’effet du champ, la rotation de Quincke perdait en efficacité.

Aujourd’hui, l’étude que nous menons est centrée sur l’utilisation de la rotation de Quincke pour l’étude des mouvements collectifs.

Mots-clés

Fluides & Matériaux Complexes, Rhéologie des Suspensions