droite|vignette|250x250px|Photographie d'un ménisque d'alcool polyvinylique, en solution aqueuse, montrant les fibres tirées à partir d'un cône de Taylor par le processus d'électrofilage. Un cône de Taylor désigne le cône observé (en électrofilage, électronébulisation et autres processus de pulvérisation hydrodynamique) à partir duquel un jet de particules chargées est émis lors du franchissement d'un seuil de tension. Hormis les processus d'ionisation par électronébuliseur (en spectrométrie de masse), le cône de Taylor est important dans la propulsion électrique à émission de champs (field emission electric propulsion ou FEEP) et dans les propulseurs colloïdes utilisés avec une haute efficacité (mais une faible puissance) pour la poussée d'engins spatiaux.
Histoire Le phénomène est décrit pour la première fois par Sir Geoffrey Ingram Taylor en 1964 avant que l'électrospray ne soit découvert. Ces travaux constituent la continuation de ceux de Zélény, qui était parvenu à photographier un cône-jet de glycérine dans un fort champ électrique, et de ceux de Wilson et Taylor (1925), Nolan (1926) et Macky (1931). Taylor était principalement intéressé par le comportement de gouttes d'eau dans de forts champs électriques, comme dans les orages.
Formation droite|vignette|300x300px|Diagramme d'électronébulisation (electrospray) d'un liquide électriquement conducteur soumis à un champ électrique à la sortie d'un très fin tube capillaire montrant trois éléments successifs : le cône de Taylor, le jet et le panache (plume) de nano-gouttelettes. Lorsqu'un petit volume de liquide électriquement conducteur est soumis à un champ électrique, sa forme initiale, liée à sa tension de surface, se déforme. Avec l'augmentation de la tension électrique, l'effet du champ électrique augmente. Quand le champ électrique exerce une force comparable à la tension de surface sur la goutte de liquide, on observe la formation d'un cône aux côtés convexes et au bout arrondi. La forme est proche de celle d'un cône avec un angle total (largeur) de 98,6°. Lorsqu'un certain seuil de tension est atteint, le bout légèrement arrondi s'inverse et émet un jet de liquide, phénomène appelé cône-jet (ou cone-jet dans la littérature anglophone) ; c'est le début du processus d'électronébulisation, au cours duquel les ions peuvent être transférés dans la phase gazeuse. Il est généralement constaté que, pour obtenir un cône-jet stable, une tension légèrement supérieure à la tension de seuil est nécessaire. Lorsque la tension est encore augmentée, d'autres modes de désintégration des gouttelettes sont observés.
Théorie Sir Geoffrey Ingram Taylor décrit la théorie du phénomène en 1964, en se basant sur des hypothèses générales, et énonce que les conditions requises pour former un cône parfait dans de telles conditions nécessitent un demi-angle semi-vertical de 49,3° (angle total de 98,6°). Il démontre que la forme de ce cône s'approche de la forme théorique qui précède la formation d'un jet. Cet angle est connu sous le nom dangle de Taylor. Cet angle est plus précisément où est le premier zéro de (polynôme de Legendre d'ordre 1/2).
Les équations de Taylor reposent sur deux hypothèses: (1) la surface du cône est une surface équipotentielle et (2) le cône existe dans un état d'équilibre. Pour répondre à ces deux critères, le champ électrique doit avoir une symétrie azimutale et avoir une dépendance à la tension de surface pour produire le cône. La solution à ce problème est:
où (surface équipotentielle) existe à une valeur de (quel que soit R) produisant un cône équipotentiel. L'angle nécessaire pour pour tout R est une valeur nulle de entre 0 et qui n'existe qu'à 130.7099°. Le complément de cet angle est l'angle de Taylor.
Références
Catégorie:Mécanique des fluides Catégorie:Spectrométrie de masse