Поведение магнитных систем различной размерности в магнитном поле

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

   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. 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. 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.

1. Buhrman 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.

2. 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/nmat811

3. 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. Vol. 7, no. 6. P. 2865–2868.

4. 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.

5. Ambacher O., Odenbach S., Stierstadt K. Rotational viscosity in ferrofluids // Zeitschrift für Physik B Condensed Matter. 1992. Vol. 86, no. 1. P. 29–32.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Odenbach S., Raj K. Recent progress in magnetic fluid research // Magnetohydrodynamics. 2000. Vol. 36, no. 4. P. 312–319.

11. Hezaveh H., Fazlali A., Noshadi I. Synthesis, rheological properties and magnetoviscos effect of Fe₂O₃/paraffin ferrofluids // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2012. Vol. 43, no. 1. P. 159–164.

12. The effect of nanoparticle concentration on the rheological properties of paraffin-based Co₃O₄ ferrofluids / S. Masoud Hosseini, E. Ghasemi, A. Fazlali, E. Henneke Dale // Journal of Nanoparticle Research. 2012. Vol. 14. P. 858.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Sear R. P. Low-density fluid phase of dipolar hard spheres // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 76. P. 2310.

17. Зубарев А.Ю. Реологические свойства полидисперсных магнитных жидкостей. Влияние цепочечных агрегатов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2001. Т. 120, № 1. С. 94‒103.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. Levin Y. When do like charges attract? // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 83. P. 1159.

26. Levin Y., Kuhn P.S., Barbosa M.C. Criticality in polar fluids // Physica A. 2001. Vol. 292. P. 129.

27. 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.

28. 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.