Распад слоя магнитной жидкости на жидкой и твердой подложке в вертикальном магнитном поле

Цель данной работы – экспериментально изучить процесс распада горизонтального слоя магнитной жидкости, лежащего на твердой и жидкой не смачиваемой подложке, на упорядоченную систему капель под воздействием вертикального пространственно однородного магнитного поля.

Методы. В эксперименте исследуемые жидкости в виде двухслойной системы, заполняющей цилиндрическую стеклянную кювету, помещались на горизонтальную площадку в центре катушек Гельмгольца, подключенные к источнику постоянного тока. Развитие неустойчивости свободной поверхности слоя магнитной жидкости отслеживалось с помощью скоростной цифровой видеокамеры, установленной сверху над системой катушек.

Результаты. Определена зависимость критической напряженности магнитного поля от толщины разрываемого слоя и магнитной восприимчивости магнитной жидкости, расположенной как на твердой, так и на жидкой подложке. По сравнению со случаем твердой подложки разрыв слоя магнитной жидкости на жидкой подложке происходил при меньших значениях критической напряженности поля. При этом развитие неустойчивости свободной поверхности слоя магнитной жидкости на твердой подложке происходит при напряженностях поля, в два раза больших напряженности неустойчивости межфазной поверхности слоя на жидкой подложке.

Заключение. Использование жидкой подложки позволяет разорвать такие слои магнитной жидкости, деформация которых на твердой подложке ограничивается лишь периодическим возмущением поверхности. Величина критической напряженности, приводящей к разрушению сплошного слоя на жидкой подложке, увеличивается с ростом толщины этого слоя. Возрастание магнитной восприимчивости магнитной жидкости ведет к снижению величины критической напряженности поля.

1. Gailitis A. Form of surface instability of a ferromagnetic fluid // Magnetohydrodinamics. 1969. Vol. 5, no. 1. P. 68–70.

2. Cowley M. D., Rosensweig R. E. The interfacial stability of a ferromagnetic fluid // J. Fluid Mech. 1967. Vol. 30, pt. 4. P. 671–688.

3. Blum E., Cebers A., Maiorov M. Magnetic Fluids. Berlin, Germany: Walter de Gruyter, 1997. 428 р.

4. Шлиомис М. И. Магнитные жидкости // Успехи физических наук. 1974. Т. 17. С. 153–169.

5. Bashtovoi V. G. Instability of a stationary thin layer of a magnetizable liquid // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 1978. Vol. 19, is. 1. P. 65–69.

6. Berkovsky B., Bashtovoi V. Instabilities of magnetic fluids leading to rupture of continuity // IEEE Transactions on Magnetics. 1980. Vol. 16, is. 2. P. 288–297.

7. Bacri J.-C., Salin D. First-order transition in the instability of a magnetic fluid interface // J. Physique Lett. 1984. Vol. 45. P. L-559–L-564.

8. Normal field instability and patterns in pools of ferrofluid / A. G. Boudouvis, J. L. Puchalla, L. E. Scriven, R. E. Rosensweig // J. Magn. Magn. Mater. 1987. Vol. 65, is. 2–3. P. 307–310.

9. Диканский Ю. И., Закинян А. Р., Мкртчян Л. С. Неустойчивость тонкого слоя магнитной жидкости в перпендикулярном магнитном поле // Журнал теоретической физики. 2010. Т. 80, вып. 9. С. 38–43.

10. Chen C.-Y., Li C.-S. Ordered microdroplet formations of thin ferrofluid layer breakups // Phys. Fluids. 2010. Vol. 22, is. 1. P. 014105.

11. Bacri J.-C., Perzynski R., Salin D. Instability of a ferrofluid film // C. R. Acad. Sci. Paris. 1988. Vol. 307, is. II. P. 699–704.

12. Barkov Yu. D., Bashtovoi V. G. Experimental investigation of instability of flat layers of magnetized liquid // Magnetohydrodinamics. 1977. Vol. 13, no. 4. P. 497–500.

13. Richter R., Lange A. Surface instabilities of ferrofluids // Lect. Notes Phys. 2009. Vol. 763. P. 157–247.

14. Rosensweig R. E. Ferrohydrodynamics. New York: Cambridge University Press, 1985. 357 с.

15. Bashtovoi V. G. Instability of a thin layer of a magnetic fluid with two free boundaries // Magnetohydrodinamics. 1977. Vol. 13, no. 3. Р. 277–280.

16. Баштовой В. Г., Краков М. С., Рекс А. Г. Неустойчивость плоского слоя магнитной жидкости в закритической области магнитного поля // Магнитная гидродинамика. 1985. № 1. С. 19–24.

17. Rannacher D., Engel A. Double Rosensweig instability in a ferrofluid sandwich structure // Phys. Rev. E. 2004. Vol. 69. P. 066306(1–8).

18. Моцар А. А., Рекс А. Г., Ряполов П. А. Форма поверхности магнитной жидкости с ферромагнитным цилиндром в однородном магнитном поле // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 1. С. 134–149. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-1-134-149.

19. Залетило А. А., Рекс А. Г. Форма и устойчивость локального теплопередающего магнитожидкостного покрытия на пластине // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, no. 2. С. 150–163. http://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-2-150-163.

20. Bushueva C. A. Drop structures formed by ferrofluid in the uniform magnetic field // Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49, no. 2. P. 191–195. http://doi.org/10.22364/mhd.49.3-4.64.

21. Мизёв А. И., Брацун Д. А., Шмырова А. И. Влияние конвекции на формирование адсорбированной плёнки ПАВ при динамическом изменении площади поверхности раствора // Вычислительная механика сплошных сред. 2016. Т. 9, № 3. С. 345–357. http://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.3.28.

22. Косков М. А., Лебедев А. В., Иванов А. С. О методе дифференциальной прогонки для получения кривых намагничивания ферроколлоидов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. № 3. C. 89–104. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-3-89-104

23. Khokhryakova (Bushueva) C., Kostarev K., Shmyrova A. Deformation of ferrofluid floating drop under the action of magnetic field as method of interface tension measurement // Experimental Thermal and Fluid Science. 2019. Vol. 101. P. 186–192.

24. Khokhryakova C. A., Kolesnichenko E. V. Stability of a ferrofluid layer on a liquid substrate // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1809. Art. no. 12021(6). http://doi.org/10.1088/1742-6596/1809/1/012021.