Un cono de Taylor se refiere al cono observado en los procesos de electrohilado , electropulverización y pulverización hidrodinámica del cual emana un chorro de partículas cargadas por encima de un voltaje umbral. Aparte de la ionización por electropulverización en espectrometría de masas , el cono de Taylor es importante en la propulsión eléctrica por emisión de campo (FEEP) y en los propulsores coloides utilizados en el control fino y el empuje de alta eficiencia (baja potencia) de las naves espaciales.
Este cono fue descrito por Sir Geoffrey Ingram Taylor en 1964 antes de que se "descubriera" el electrospray. [1] Este trabajo siguió al trabajo de Zeleny [2] quien fotografió un chorro cónico de glicerina en un fuerte campo eléctrico y el trabajo de varios otros: Wilson y Taylor (1925), [3] Nolan (1926) [4 ] y Macky (1931). [5] Taylor estaba interesado principalmente en el comportamiento de las gotas de agua en campos eléctricos fuertes, como en las tormentas eléctricas.
Cuando un pequeño volumen de líquido conductor de electricidad se expone a un campo eléctrico, la forma del líquido comienza a deformarse de la forma causada únicamente por la tensión superficial . A medida que aumenta el voltaje, el efecto del campo eléctrico se vuelve más prominente. A medida que este efecto del campo eléctrico comienza a ejercer una magnitud de fuerza similar sobre la gota a la tensión superficial, comienza a formarse una forma de cono con lados convexos y una punta redondeada. Esto se aproxima a la forma de un cono con un ángulo total (ancho) de 98,6°. [1] Cuando se alcanza un determinado voltaje umbral, la punta ligeramente redondeada se invierte y emite un chorro de líquido. Esto se llama chorro cónico y es el comienzo del proceso de electropulverización en el que los iones pueden transferirse a la fase gaseosa. Generalmente se encuentra que para lograr un chorro de cono estable se debe utilizar un voltaje ligeramente superior al umbral. A medida que el voltaje aumenta aún más, se encuentran otros modos de desintegración de las gotas. El término cono de Taylor puede referirse específicamente al límite teórico de un cono perfecto de exactamente el ángulo previsto o, en general, referirse a la porción aproximadamente cónica de un chorro de cono después de que ha comenzado el proceso de electropulverización.
Sir Geoffrey Ingram Taylor describió en 1964 este fenómeno, derivado teóricamente de suposiciones generales de que los requisitos para formar un cono perfecto en tales condiciones requerían un ángulo semivertical de 49,3° (un ángulo entero de 98,6°) y demostró que la forma de dicho cono se acercó a la forma teórica justo antes de la formación del chorro. Este ángulo se conoce como ángulo de Taylor . Este ángulo es más precisamente donde está el primer cero de (la función de Legendre de orden 1/2).
La derivación de Taylor se basa en dos suposiciones: (1) que la superficie del cono es una superficie equipotencial y (2) que el cono existe en un equilibrio de estado estacionario. Para cumplir ambos criterios, el campo eléctrico debe tener simetría azimutal y depender de contrarrestar la tensión superficial para producir el cono. La solución a este problema es:
donde (superficie equipotencial) existe en un valor de (independientemente de R) produciendo un cono equipotencial. El ángulo necesario para todo R es un cero entre 0 y el cual solo hay uno en 130,7099°. El complemento de este ángulo es el ángulo de Taylor.
