techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2024-14-2-142-155techusgu-261Research ArticleФИЗИКАPHYSICSПоведение магнитных систем различной размерности в магнитном полеBehavior of magnetic systems of different dimensions in a magnetic fieldШельдешоваЕ. В.Shel’deshovaE. V.

Елена Владимировна Шельдешова, старший преподаватель

кафедра нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Elena V. Shel’deshova, Senior Lecturer

Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

blackberry__@mail.ruБондарьЕ. В.BondarE. V.

Елена Викторовна Бондарь, инженер

кафедра нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Elena V. Bondar, Еngineer

Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

e.v.bondar.31@mail.ruШабановаИ. А.ShabanovaI. A.

Ирина Александровна Шабанова, кандидат физико-математических наук, доцент

кафедра нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Irina A. Shabanova, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics, Associate Professor

Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

irina-a-sh@mail.ruЧураевА. А.ChuraevA. A.

Александр Анатольевич Чураев, инженер

кафедра нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Alexander A. Churaev, Еngineer

Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

tchyalex@yandex.ruСоколовЕ. А.SokolovE. A.

Евгений Александрович Соколов, преподаватель

кафедра нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладнойфизики

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Evgeny A. Sokolov, Lecturer

Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

evgeniysokolov1@yandex.ruМатарыкинК. А.MatarykinK. A.

Константин Александрович Матарыкин, инженер

кафедра нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладнойфизики

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Konstantin A. Matarykin, Еngineer

Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

icego132@gmail.comРяполовП. А.RyapolovP. A.

Петр Алексеевич Ряполов, доктор физико-математических наук, доцент, декан

естественно-научный факультет

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Petr A. Ryapolov, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor, Dean

Faculty of Natural Sciences

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

r-piter@yandex.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation202402072024142142155Copyright © Шельдешова Е.В., Бондарь Е.В., Шабанова И.А., Чураев А.А., Соколов Е.А., Матарыкин К.А., Ряполов П.А., 20242024Шельдешова Е.В., Бондарь Е.В., Шабанова И.А., Чураев А.А., Соколов Е.А., Матарыкин К.А., Ряполов П.А.Shel’deshova E.V., Bondar E.V., Shabanova I.A., Churaev A.A., Sokolov E.A., Matarykin K.A., Ryapolov P.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/261   Цель

   Цель. Исследовать влияние магнитного поля на образование структур в магнитных средах различной дисперсности.

   Методы

   Методы. Эксперименты по исследованию динамики магнитных включений проводились на самостоятельно изготовленной установке в плоских прозрачных ячейках посредством микроскопии. Магнитное поле создавалось электромагнитом ФЛ-1, подключенным к источнику питания. В качестве магнитной среды исследовались частицы магнетита различного размера, а также металлические шарики диаметром 0,5 мм. Видеофиксация проводилась с помощью микроскопа МИКМЕД WiFi 2000Х 5.0.

   Результаты

   Результаты. Проведены исследования динамики магнитных включений в вязкой жидкой среде под воздействием магнитного поля, а также в условиях механических сдвиговых воздействий. Изучено влияние напряженности магнитного поля на скорость роста цепочечных структур, а также на угол отклонения при сдвиговом воздействии. Предложена теоретическая интерпретация наблюдаемых явлений.

   Вывод

   Вывод. В процессе проведения эксперимента установлено, что под влиянием магнитного поля магнитные включения образуют цепочечные структуры. Их размер, скорость роста и динамика зависят от физических параметров системы и внешнего магнитного поля. Интенсивный рост образования цепочек из магнитных включений обнаружен при малых и средних значениях напряженности магнитного поля. Получена экспериментальная зависимость угла отклонения цепочечных структур из положения равновесия от напряженности магнитного поля, которая коррелирует с известными теоретическим данными, на основании которых предложена расчётная модель. Результаты исследования могут найти применение для визуализации численных расчетов динамики дисперсных систем при внешних воздействиях.

   Purpose

   Purpose. To investigate the influence of the magnetic field on the formation of structures in magnetic media of various dispersities.

   Methods

   Methods. Experiments to study the dynamics of magnetic inclusions were carried out on a self-made installation in flat transparent cells by microscopy. The magnetic field was created by an electromagnet FL-1 connected to a power source. Magnetite particles of various sizes, as well as metal balls with a diameter of 0.5 mm, were studied as a magnetic medium. Video recording was performed using a MICMED WiFi 2000X 5.0 microscope.

   Results

   Results. The dynamics of magnetic inclusions in a viscous liquid medium under the influence of a magnetic field, as well as under conditions of mechanical shear effects, have been studied. The influence of the magnetic field strength on the growth rate of chain structures, as well as on the angle of deflection under shear action, has been studied. A theoretical interpretation of the observed phenomena is proposed.

   Conclusion

   Conclusion. During the experiment, it was found that under the influence of a magnetic field, magnetic inclusions form chain structures. Their size, growth rate and dynamics depend on the physical parameters of the system and the external magnetic field. An intensive increase in the formation of chains of magnetic inclusions was detected at low and medium values of the magnetic field strength. An experimental dependence of the angle of deviation of chain structures from the equilibrium position on the magnetic field strength is obtained, which correlates with known theoretical data, on the basis of which a computational model is proposed. The results of the study can be used to visualize numerical calculations of the dynamics of dispersed systems under external influences.

магнитные системыструктурообразованиемагнитное полемагнитные жидкостимагнитная гидродинамикаmagnetic systemsstructure formationmagnetic fieldmagnetic fluidsmagnetic hydrodynamicsРабота выполнена в рамках реализации программы стратегического академического лидерства "Приоритет-2030" (Соглашения № 075-15-2021-1155 и № 075-15-2021-1213), а также в рамках реализации Государственного задания Российской Федерации (№ 0851-2020-0035)The work was carried out within the framework of the implementation of the strategic academic leadership program "Priority 2030" (Agreements No. 075-15-2021-1155 and No. 075-15-2021-1213), as well as within the framework of the implementation of the State Assignment of the Russian Federation (No. 0851-2020-0035)ReferencesBuhrman R.A., Granqvist C.G. Log-normal size distributions from magnetization measurements on small superconducting Al particles // Journal of Applied Physics. 1976. Vol. 47, no. 5. P. 2220–2222.Buhrman R.A., Granqvist C.G. Log‐normal size distributions from magnetization measurements on small superconducting Al particles. Journal of Applied Physics. 1976;47(5):2220–2222.Direct observation of dipolar chains in iron ferrofluids by cryogenic electron microscopy / K. Butter, P.H.H. Bomans, P.M. Frederik, G.J. Vroege, A.P. Philipse // Nature materials. 2003. Vol. 2, no. 2. P. 88–91. doi: 10.1038/nmat811Butter K., Bomans P.H.H., Frederik P.M., Vroege G.J., Philipse A.P. Direct observation of dipolar chains in iron ferrofluids by cryogenic electron microscopy. Nature materials. 2003;2(2):88–91. doi: 10.1038/nmat811Apetroaie N., Roca A., Creanga D. E. Direct observation of dipolar chains in iron ferrofluids by cryogenic electron microscopy // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. 2005. Vol. 7, no. 6. P. 2865–2868.Apetroaie N., Roca A., Creanga D.E. Direct observation of dipolar chains in iron ferrofluids by cryogenic electron microscopy. Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. 2005;7(6):2865–2868.Ilg P., Odenbach S. Ferrofluid structure and rheology. In: Odenbach S. (ed.) Colloidal magnetic fluids: basics, development and application of ferrofluids. Berlin, Heidelberg Springer; 2008. P. 249–325.Ilg P., Odenbach S. Ferrofluid structure and rheology. In: Odenbach S. (ed.) Colloidal magnetic fluids: basics, development and application of ferrofluids. Berlin: Heidelberg Springer; 2008. P. 249–325.Ambacher O., Odenbach S., Stierstadt K. Rotational viscosity in ferrofluids // Zeitschrift für Physik B Condensed Matter. 1992. Vol. 86, no. 1. P. 29–32.Ambacher O., Odenbach S., Stierstadt K. Rotational viscosity in ferrofluids. Zeitschrift für Physik B Condensed Matter. 1992;86(1):29–32.Герметизаторы на основе нанодисперсных магнитных жидкостей и их моделирование / Ю.Б. Казаков, Н.А. Морозов, Ю.И. Страдомский, С.М. Перминов. Иваново: Ивановский гос. энергетический ун-т им. В. И. Ленина, 2010. 184 с.Kazakov Y.B., Morozov N.A., Stradomsky Y.I., Perminov S.M. Sealers on the basis of nano-disperse magnetic liquids and their modeling. Ivanovo: Ivanovskii gos. energeticheskii un-t im. V.I. Lenina; 2010. 184 p. (In Russ.)Zubarev A.Y., Odenbach S., Fleischer J. Rheological properties of dense ferrofluids. Effect of chain-like aggregates // Journal of magnetism and magnetic materials. 2002. Vol. 252. P.241–243.Zubarev A.Y., Odenbach S., Fleischer J. Rheological properties of dense ferrofluids. Effect of chain-like aggregates. Journal of magnetism and magnetic materials. 2002;252:241–243.Role of particle clusters on the rheology of magneto-polymer fluids and gels / W.R. Suarez-Fernandez, G. Scionti, J.D.G. Duran, A.Yu. Zubarev, M.T. López-López // Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2020. Vol. 378(2171). P. 20190254.Suarez-Fernandez W.R., Scionti G., Duran J.D.G., Zubarev A.Y., López-López M.T. Role of particle clusters on the rheology of magneto-polymer fluids and gels. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2020;378(2171):20190254.Borin D.Y., Bergmann C., Odenbach S. Characterization of a magnetic fluid exposed to a shear flow and external magnetic field using small angle laser scattering // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. Vol. 497. P. 165959.Borin D. Y., Bergmann C., Odenbach S. Characterization of a magnetic fluid exposed to a shear flow and external magnetic field using small angle laser scattering. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020;497:165959.Odenbach S., Raj K. Recent progress in magnetic fluid research // Magnetohydrodynamics. 2000. Vol. 36, no. 4. P. 312–319.Odenbach S., Raj K. Recent progress in magnetic fluid research. Magnetohydrodynamics. 2000;36(4):312–319.Hezaveh H., Fazlali A., Noshadi I. Synthesis, rheological properties and magnetoviscos effect of Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/paraffin ferrofluids // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2012. Vol. 43, no. 1. P. 159–164.Hezaveh H., Fazlali A., Noshadi I. Synthesis, rheological properties and magnetoviscos effect of Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/paraffin ferrofluids. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2012;43(1):159–164.The effect of nanoparticle concentration on the rheological properties of paraffin-based Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub> ferrofluids / S. Masoud Hosseini, E. Ghasemi, A. Fazlali, E. Henneke Dale // Journal of Nanoparticle Research. 2012. Vol. 14. P. 858.Masoud Hosseini S., Ghasemi E., Fazlali A., Henneke Dale E. The effect of nanoparticle concentration on the rheological properties of paraffin-based Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>Thurm S., Odenbach S. Particle size distribution as key parameter for the flow behavior of ferrofluids // Physics of Fluids. 2003. Vol. 15, no. 6. P. 1658–1664.Thurm S., Odenbach S. Particle size distribution as key parameter for the flow behavior of ferrofluids. Physics of Fluids. 2003;15(6):1658–1664.Khosroshahi M.E., Ghazanfari L. Preparation and rheological studies of uncoated and PVA-coated magnetite nanofluid // Journal of magnetism and magnetic materials. 2012. Vol. 324, no. 24. P. 4143–4146.Khosroshahi M.E., Ghazanfari L. Preparation and rheological studies of uncoated and PVA-coated magnetite nanofluid. Journal of magnetism and magnetic materials. 2012;324(24):4143–4146.Patel R., Virapura H., Parmar M. Magnetoviscous effect in dilute bidispersed ferrofluids through micro capillary // Journal of Nanofluids. 2014. Vol. 3, no. (4). P. 307–311.Pate R., Virapura H., Parmar M. Magnetoviscous effect in dilute bidispersed ferrofluids through micro capillary. Journal of Nanofluids. 2014;3(4):307–311.Sear R. P. Low-density fluid phase of dipolar hard spheres // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 76. P. 2310.Sear R.P. Low-density fluid phase of dipolar hard spheres. Phys. Rev. Lett. 1996;76:2310.Зубарев А.Ю. Реологические свойства полидисперсных магнитных жидкостей. Влияние цепочечных агрегатов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2001. Т. 120, № 1. С. 94‒103.Zubarev A.Y. Rheological properties of polydisperse magnetic liquids. Influence of chain aggregates. Zhurnal eksperimental'noi i teoreticheskoi phiziki = Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2001;120(1):94.Ivanov A.O., Kantorovich S.S. Chain aggregate structure and magnetic birefringence in polydisperse ferrofluids // Physical Review E. 2004. Vol. 70, no. 2. P. 021401.Ivanov A.O., Kantorovich S.S. Chain aggregate structure and magnetic birefringence in polydisperse ferrofluids. Physical Review E. 2004;70(2):021401.Analysis on the enhancement mechanism of bidisperse magnetorheological fluid based on the local microstructural models / H. Huang, H. Li, W. Wang, X. Peng // Rheologica Acta. 2022. Vol. 61. P. 87–98.Huang H., Li H., Wang W., Peng X. Analysis on the enhancement mechanism of bidisperse magnetorheological fluid based on the local microstructural models. Rheologica Acta. 2022;61:87–98.Динамика магнитных жидкостей и бидисперсных магнитных систем при колебательных сдвигах / Е.В. Шельдешова, П.А. Ряполов, А.Г. Рекс, А.В. Трепачев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 3. С. 130–146.Sheldeshova E.V., Ryapolov P.A., Rex A.G., Trepachev A.V. Dynamics of magnetic fluids and bidisperse magnetic systems under oscillatory shifts. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2022;12(3):130–146.Shel’deshova E., Churaev A., Ryapolov P. Dynamics of magnetic fluids and bidisperse magnetic systems under oscillatory shear // Fluids. 2023. Vol. 8, no. 2. P. 47.Shel’deshova E., Churaev A., Ryapolov P. Dynamics of magnetic fluids and bidisperse magnetic systems under oscillatory shear. Fluids. 2023;8(2):47.Magnetorheological effect of magnetoactive elastomer with a permalloy filler / D. Borin, G. Stepanov, A. Musikhin, A. Zubarev, A. Bakhtiiarov, P. Storozhenko // Polymers. 2020. Vol. 12, no. 10. P. 2371.Borin D., Stepanov G., Musikhin A., Zubarev A., Bakhtiiarov A., Storozhenko P. Magnetorheological effect of magnetoactive elastomer with a permalloy filler. Polymers. 2020;12(10):2371.Travares J.M., Telo da Gama M.M., Osipov M.A. Criticality of dipolar fluids: Liquid-vapor condensation versus phase separation in systems of living polymers // Phis. Rev. E. 1997. Vol. 56. P. 6252.Travares J.M., Telo da Gama M.M., Osipov M.A. Criticality of dipolar fluids: Liquid-vapor condensation versus phase separation in systems of living polymers. Phis. Rev. E. 1997;56:6252.Tavares J.M., Weis J.J., Telo da Gama M.M. Strongly dipolar fluids at low densities compared to living polymers // Phys. Rev. E. 1999. Vol. 59. P. 4388.Tavares J.M., Weis J.J., Telo da Gama M.M. Strongly dipolar fluids at low densities compared to living polymers. Phys. Rev. E. 1999;59:4388.Levin Y. When do like charges attract? // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 83. P. 1159.Levin Y. When do like charges attract? Phys. Rev. Lett. 1999;83:1159.Levin Y., Kuhn P.S., Barbosa M.C. Criticality in polar fluids // Physica A. 2001. Vol. 292. P. 129.Levin Y. Kuhn P. S., Barbosa M. C. Criticality in polar fluids. Physica A. 2001;292:129.Direct observation of dipolar chains in ferrofluids in zero field using cryogenic electron microscopy / K. Butter, P.H.H. Bomans, P.M. Frederik, G.J. Vroege, A.P. Philipse // Journal of Physics: Condensed Matter. 2003. Vol. 15, no. 15. P. 1451.Butter K., Bomans P.H.H., Frederik P.M., Vroege G.J., Philipse A. P. Direct observation of dipolar chains in ferrofluids in zero field using cryogenic electron microscopy. Journal of Physics: Condensed Matter. 2003;15(15):S1451.Magnetorheological effect in dense magnetic polymers / D. Borin, G. Stepanov, A. Musikhin, A. Zubarev // The European Physical Journal Special Topics. 2022. Vol. 231, no. 6. P. 1165–1173.Borin D., Stepanov G., Musikhin A., Zubarev A. Magnetorheological effect in dense magnetic polymers. The European Physical Journal Special Topics. 2022;231(6):1165–1173.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.