Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin--Madison, 1982. / Typescript. Vita. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references.

No description available.

No description available.

Active colloids are small particles that can convert external energy supply into self-propulsion. Because of the existence of the energy current inside and across the system, active colloids exhibit behaviors that are far away from thermodynamic equilibrium. During the past decades, active colloids have been used to provide models for many different non-equilibrium system studies and have been designed to complete tasks on small scale. By tuning the particle size, shape, etc, or changing the actuation methods of the active colloid systems, people have developed a large number of different active colloid systems. Among all active colloid systems, the Quincke rotation system can effectively propel particles with rapid speed. This phenomenon refers to the spontaneous rolling of a dielectric sphere in a weakly conducting liquid under a DC electric field. Although the basic mechanism of a single Quincke roller has been well explained, some behaviors that occur in complex environments or with multiple Quincke particles are still mysteries. For example, one particle will move back and forth on the bottom electrode under a high electric DC field. This so-called Quincke Oscillation motion cannot be explained by the previous models well. So a new model is required. In this dissertation, we will focus on explaining this newly-discovered dynamic in the Quincke system. Then we will study the collective dynamics of multiple Quincke oscillators with designed experiments and models. In Chapter 1, the background and different actuation methods of active colloid systems are first introduced. Then the Quincke rotation system and its field-dependent dynamics are explained with a classic leaky dielectric model. The recent research results with Quincke systems are shortly reviewed afterward. In Chapter 2, we introduce the experimentally discovered Quincke Oscillation phenomenon. Then we reveal its dependency on liquid conductivity and particle size. This dynamic is finally explained by the asymmetric charging of the particle surface in the field-induced boundary layer near the electrode. This work opens the door to the study of the collective dynamics of Quincke oscillators. In Chapter 3, we first introduce a dynamical model considering the charge, dipole, and quadrupole moments of the sphere and predict its oscillatory motion under a non-uniform liquid conductivity environment. Then we study the behavior of two coupled Quincke oscillators with far-field hydrodynamic and electrostatic interactions. The numerical simulations predict the synchronization and alignment of two oscillators with fixed positions. We further develop a model based on weakly coupled oscillator assumptions by considering the relative phase and oscillating orientations of two oscillators. The model successfully explains the numerical simulation results and can be applied to other active colloid systems with multiple mobile oscillators. In Chapter 4, we show that the Quincke oscillators can assemble into a cluster and oscillate with high synchronization and alignment. This formation of the cluster can also increase the oscillation frequency of the oscillators. By considering the perfect contact rolling of the oscillators on the electrode, we develop a weakly coupled oscillator theory model. This model explains the tendency of particles to synchronize and align in a cluster and predicts the increase of the oscillation frequency when particles are in synchronized phases. The cluster is stabilized due to the existing phase waves observed in experiments and simulations. In Chapter 5, we introduce two other studies on Quincke rollers with different experimental designs. Particles of helical shape exhibit self-propulsion in the liquid bulk and highlight the role of shape in controlling particle dynamics. For multiple spheres in a height-confined system, the particles display a transition from a fluctuating state to an absorbing stable state depending on their density and the applied field strength. This work provides an experimental model for studying absorbing state. In Chapter 6, the development of the Quincke system study is reviewed and some future directions are suggested.

The dielectric dispersion of poly(vinyl acetate) solutions was studied in an attempt to relate this behavior to the chemical nature of the material. The bridge method was employed in which capacitance measurement of solutions were made over a frequency range of 400 cycles to 500 kilocycles. The results of these experiments indicate that a vinyl type material possesses greater flexibility than cellulose derivatives in solution and, thus, the magnitude of capacitance changes over a frequency range is considerably reduced. Because of the very small changes in capacitance, reproducible results are difficult to obtain and definite conclusions as to the relation of dispersion to molecular weight are impossible. Dielectric dispersion studies were made on solutions of poly(vinyl acetate) in dioxane, ethylene chloride and acetone. / Master of Science

A new model for the complex dielectric constant, ε, of aqueous ammonia (NH4OH) has been developed based on laboratory measurements in the frequency range between 2-8.5 GHz for ammonia concentrations of 0-8.5 %NH3/volume and temperatures between 277-297 K. The new model has been validated for temperatures up to 313 K, but may be consistently extrapolated up to 475 K and ammonia concentrations up to 20 %NH3/volume. The model fits 60.26 % of all laboratory measurements within 2σ uncertainty. The new model is identical to the Meissner and Wentz (2004) model of the complex dielectric constant of pure water, but it contains a correction for dissolved ammonia. A description of the experimental setups, uncertainties associated with the laboratory measurements, the model fitting process, the new model, and its application to approximating jovian cloud opacity for NASA's Juno mission to Jupiter are provided.

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη στοχαστικών μοντέλων για τη μελέτη της τάσης διάσπασης διακένων με σύνθετη μόνωση. Αρχικά, περιγράψαμε τη συμπεριφορά των υγρών σε ισχυρά ηλεκτρικά πεδία. Μιλήσαμε για την εξάρτηση της πίεσης από ένα ηλεκτρικό πεδίο και την ηλεκτρική αγωγιμότητα σε ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο. Ακόμα, αναφέραμε κάποιες πληροφορίες για την κατανομή της πίεσης σε ένα διηλεκτρικό υγρό. Μετά περιγράψαμε τη συμπεριφορά της αέριας φάσης των υγρών σε ισχυρά ηλεκτρικά πεδία. Μιλήσαμε για το ρόλο των φυσαλίδων στην κατάσταση του διηλεκτρικού υγρού και για τα φαινόμενα που συμβαίνουν σ' αυτές. Αργότερα, δώσαμε κάποιες πληροφορίες για τη διάδοση της εκφόρτισης σε μικρά διάκενα και αναφέραμε την εξάρτησή της από την πίεση. Επιπλέον, αναλύσαμε τη διάδοση της εκφόρτισης σε διάκενα με ανομοιογενές πεδίο. Περιγράψαμε την κατασκευή μιας εκφόρτισης και την επίδραση του στερεού διηλεκτρικού στην τάση διάσπασης. Ακόμη, δώσαμε πληροφορίες για την περιοχή ιονισμού και το κανάλι leader. Στη συνέχεια, αναλύσαμε την εξάρτηση της διηλεκτρικής αντοχής από ορισμένους παράγοντες. Οι παράγοντες στους οποίους αναφερθήκαμε είναι: η διάρκεια, η μορφή και η συχνότητα των παλμών τάσης, η πολικότητα της τάσης, η πίεση, η θερμοκρασία, η χημική φύση και σύνθεση των υγρών και η γεωμετρία του διακένου. Επίσης, αναλύσαμε τους φυσικούς μηχανισμούς έναρξης εκφόρτισης. Περιγράψαμε το μηχανισμό έναρξης εκφόρτισης με τη βοήθεια φυσαλίδων και κάποιους άλλους μηχανισμούς όπως τους μηχανισμούς έναρξης εκφόρτισης με ιονισμούς. Αργότερα, αναφέραμε τους μηχανισμούς διάδοσης εκφόρτισης. Έγινε περιγραφή της διαδικασίας διάδοσης του γρήγορου καναλιού και του αργού καναλιού. Ακόμα, μιλήσαμε για τη μετατροπή του αρχικού καναλιού σε leader. Στη συνέχεια, κάναμε μια εκτενή εισαγωγή στα στοχαστικά μοντέλα και αναφερθήκαμε στη χρησιμότητα τους, στις διάφορες κατηγορίες τους και στην εφαρμογή τους στον τομέα των ηλεκτρικών διασπάσεων. Για το λόγο αυτό, περιγράψαμε τις βασικές αρχές για το μοντέλο FFC και το μοντέλο του Biller. Μετά από όλα αυτά, αναλύσαμε τη διαδικασία που ακολουθήσαμε κατά τις εξομοιώσεις. Κάναμε λεπτομερή περιγραφή του προγράμματος που χρησιμοποιήσαμε για τις εξομοιώσεις. Οι εξομοιώσεις έγιναν για 2 διάκενα 2,5mm ομοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου και 2 διάκενα 1,5mm ομοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου. Κατά τις εξομοιώσεις το πάχος του φράγματος θεωρήθηκε σταθερό, ενώ μεταβάλαμε τη θέση του και το συντελεστή γήρανσης του λαδιού. Για τα διάκενα ομοιογενούς πεδίου, τοποθετήσαμε το φράγμα σε 3 διαφορετικές θέσεις και για τα διάκενα ανομοιογενούς διακένου τοποθετήσαμε το φράγμα σε 5 διαφορετικές θέσεις. Οι εξομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν σε υπολογιστή του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Επιπλέον, παραθέσαμε σε πίνακες τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις εξομοιώσεις. Στη συνέχεια κατασκευάσαμε διαγράμματα, για να καταλήξουμε σε κάποια συμπεράσματα. Για τα διάκενα ομοιογενούς πεδίου, σχεδιάσαμε την τάση V συναρτήσει του gi για τις διάφορες θέσεις του φράγματος. Για τα διάκενα ανομοιογενούς πεδίου, σχεδιάσαμε την τάση V συναρτήσει της σχετικής απόστασης (d1/d) του φράγματος από το πάνω ηλεκτρόδιο για διάφορες τιμές του gi. Έγινε σύγκριση μεταξύ των καμπυλών που προέκυψαν για τα διάκενα ανομοιογενούς πεδίου, με καμπύλη που προέκυψε από πειραματικά δεδομένα και βρίσκεται στο “Barrier Effect on the Dielectric Strength of Oil Gaps under DC Voltage” των A. Zouaghi και Α. Beroual. Στη συνέχεια, σχεδιάσαμε την τάση V συναρτήσει της σχετικής απόστασης (d1/d) του φράγματος από το πάνω ηλεκτρόδιο για διάφορες τιμές του gi, για τα διάκενα ομοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου μαζί. Τέλος, μετά τις συγκρίσεις διαπιστώσαμε ότι τα αποτελέσματά μας συμφωνούν μόνο σε κάποιες περιπτώσεις με τα πειραματικά δεδομένα. Αυτό συμβαίνει λόγω της απλότητας των μοντέλων και ίσως μηχανισμών που δεν έχουν συνυπολογιστεί. Οπότε, συμπεράναμε ότι το μοντέλο που χρησιμοποιήσαμε, απαιτεί βελτίωση. / The purpose of this diploma thesis is the study of stochastic models about the breakdown voltage of complex insulation gaps. Initially, we described the behavior of liquids in strong electric fields. We mentioned the dependence of the pressure on an electric field and electric conductivity in strong electric fields. We reported some information about the pressure distribution in a dielectric liquid. Afterwards, we described the behavior of gaseous phase in liquids in strong electric fields. We reported the influence of the bubbles in the state in the dielectric liquids and the phenomena at them. Later, we gave some information about the discharge propagation in short gaps and we refered its dependence on the pressure. Moreover, we analyzed the discharge propagation in gaps with a non uniform field. We described the structure of a discharge and the influence of the solid dielectric on the breakdown voltage. Also, we gave information about the ionization region and the leader channel. Afterwards, we analyzed the dependence of the dielectric strength on certain factors. The factors in which we were reported are: the duration, the shape and the frequency of voltage pulses, the voltage polarity, the pressure, the temperature, the chemical nature of liquids and the gap geometry. Also, we analyzed the physical discharge initiation mechanisms. We described the bubble discharge initiation mechanism and some other mechanisms like the ionization discharge initiation mechanism.Later, we mentioned the mechanisms of discharge propagation. We described the propagation process of the fast and the slow channel. Also, we were reported in the conversion of the initial channel into leader channel. Afterwards, we did an extensive import in the stochastic models and were reported in their usefulness, in their various categories and in their application in the sector of electric breakdown. For this reason, we described the basic elements of the FFC and the Biller model. After all these we analyzed the process that we followed at the simulations. We did a detailed description of the program used for the simulations. We did simulations for 2 gaps 2,5mm uniform and non uniform field and 2 gaps 1,5mm uniform and non uniform gaps. During the simulations, the barrier thickness was considered stable, while we were changing the position and the factor of ageing of the oil. For the uniform field gaps, we placed the barrier in 3 different positions and for the non uniform gaps, we placed the barrier in 5 different positions. The simulations were realised at computer at High Voltage Laboratory of the department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras, Greece. Moreover, we mentioned in tables the results that resulted from the simulations. Then, we drew diagrams to make some conclusions. For the uniform field gaps, we drew the voltage V as a function of the factor of ageing of the oil gi for the various positions of the barrier. For the non uniform field gaps, we drew the voltage V as a function of the relative distance (d1/d) of the barrier from the upper electrode for the various numbers of gi. We did comparison between the curves that resulted for the non uniform gaps and the curve tht resulted for experimental data and is found in “ Barrier Effect on the Dielectric Strength of Oil Gaps under DC Voltage” of A. Zouaghi and Α. Beroual. Afterwards, we drew the voltage V as a function of the relative distance (d1/d) of the barrier from the upper electrode for the various numbers of gi, for both uniform and non uniform gaps. Finally, after the comparisons we realised that the results agree only in some cases with the experimental data. This may happened because of the simplicity of the models and perhaps mechanisms that have not been included. So, we concluded that the model that we used, need improvement.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη στοχαστικών μοντέλων εκκενώσεων σε υγρά διηλεκτρικά και κατ’επέκταση η εξομοίωση τους σε υπολογιστή για να συγκριθούν ποιοτικά με μετρήσεις σε πραγματικές συνθήκες. Αρχικά περιγράψαμε βασικές έννοιες που χρησιμοποιούμε, όπως εκκένωση, τάση διάσπασης, ηλεκτρική αντοχή, απώλειες κ.α με σκοπό να είναι κατανοητή πλήρως η εργασία. Ύστερα αναλύσαμε τα φυσικά μοντέλα που υπάρχουν και πάνω στα οποία στηρίζονται τα στοχαστικά μοντέλα που μελετήσαμε. Αναλύσαμε το μοντέλο της φυσαλίδας και την συμπεριφορά των φυσαλίδων στις εκκενώσεις στα υγρά διηλεκτρικά. Επίσης μιλήσαμε για το μοντέλο μικροδιάσπασης καθώς και το μοντέλο ιονισμού. Στη συνέχεια περιγράψαμε τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η διάδοση της εκκένωσης μέσα σε ένα υγρό διηλεκτρικό. Αρχικά μιλήσαμε για την έννοια της ηλεκτρονικής στιβάδας και για το πώς αυτή δημιουργείται. εν συνεχεία αναλύσαμε της βασικότατες έννοιες του streamer (αρνητικό και θετικό) καθώς και του leader και περιγράψαμε τους τρόπους δημιουργίας τους, διάδοσης τους και την σχέση που έχουν μεταξύ τους. Τελειώνοντας το θεωρητικό κομμάτι αυτής της διπλωματικής εργασίας αναλύσαμε τα βασικά υπάρχοντα θεωρητικά μοντέλα. Συγκεκριμένα αναλύσαμε το μοντέλο Niemeyer-Pietronero-Wiesmann, εν συνεχεία περιγράψαμε τις βασικές αρχές του μοντέλου FFC (Field Fluctuation Model). Έπειτα αναλύσαμε το μοντέλο Biller και τις εξισώσεις που το διέπουν. Τέλος παρουσιάσαμε και το μοντέλο Δανίκα αναπτύχθηκε το 1996 στο Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης. Στη συνέχεια παρουσιάσαμε το μοντέλο εξομοίωσης με το οποία ασχοληθήκαμε και την βασική ιδέα πάνω στην οποία στηριχθήκαμε. Επίσης περιγράψαμε τις παραμέτρους του προγράμματος και τις παραδοχές που κάναμε. Τέλος αναλύσαμε τις βασικές συναρτήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την εξομοίωση του μοντέλου. Επιπρόσθετα δώσαμε τα αποτελέσματα, με πίνακες και γραφικές παραστάσεις, αρχικά για ομογενές πεδίο και μετά για μή ομογενές πεδίου (ακίδα-πλάκα). Επίσης παρουσιάσαμε τα αποτελέσματα κρατώντας διαφορετικές παραμέτρους σταθερούς όπως το συντελεστή γήρανσης και το μήκος του διακένου, με σκοπό να μελετήσουμε ποιοτικά την συμπεριφορά του μοντέλου μας υπό διαφορετικές συνθήκες. Τέλος κάναμε αναλυτικό σχολιασμό τον αποτελεσμάτων των εξομοιώσεων και σύγκριση των με πειραματικές μετρήσεις. Έγινε ακόμα περαιτέρω σχολιασμός για τις πιθανές αστοχίες που μπορεί να εμφανίσει το μοντέλο μας. / The purpose of the current diploma research is the study on the stochastic models of discharge in liquid dielectrics and furthermore the simulation of these models with computer software in order to compare the simulated results with the laboratory results. Firstly we describe the basic theory that we used, for example the discharge voltage, the breakdown voltage, the electric strength and the power loss. The purpose of this description is the diploma research to be easy read. Afterwards we analyzed the physical models that exist which on them are based the stochastic models that we are going to discuss. We analyzed the bubble model and the behavior of the bubbles when a discharge happens in liquid dielectrics. Also we discussed for the model of microexplosion and the model of ionize. Furthermore we described the way that is done the discharge phenomenon inside the dielectric gap. Firstly we analyzed the meaning of the electronic pile and the way that she is formed. Continuously we described the Streamer (negative and positive) and the leader and we described the ways of their creation according with the relationship both of them have. Also we talked about the basic theoretical stochastic models that already exist. In especial we analyzed the Niemeyer-Pietronero-Wiesmann and also we described the basic principles of the model FFC (Field Fluctuation Model). After that we analyzed the model Biller and the equation on which this model is based. Continuously we introduced the model Danika. Furthermore we introduced the model of simulation that we made and the basic idea on which we are based on. Also we described the parameters of the program and the assumptions that we made. Finally we analyzed the basic functions of the program that we used during the simulation of the program. Additionally we introduced the results that we have, with result tables and graphics, firstly for homogeneous field and then for inhomogeneous field. Also we introduced the results with different parameters as guide, like the growth factor and the gap space, in order to have a qualitative analysis of the behavior of the model into different circumstances. Finally we commented thoroughly the results of the simulation and we compare of the results with the laboratories. Also we made further discussion on the possible failure that the program may have.

A study of procedures and techniques of measuring dielectric constant and dipole moment of liquids.