Волны на свободной поверхности магнитной жидкости на жидкой подложке, возбуждаемые вертикальным переменным магнитным полем

Целью работы являлось экспериментальное исследование пространственных характеристик волн, образуемых на свободной поверхности слоя магнитной жидкости, плавающего на несмачиваемой жидкой подложке, под действием вертикально осциллирующего пространственно однородного магнитного поля. Данная работа является продолжением цикла исследований деформации свободной поверхности магнитной жидкости, расположенной на жидкой подложке, под действием вертикального пространственно однородного магнитного поля. 

Методы. В основе метода исследования лежала стандартная экспериментальная установка, состоящая из катушек Гельмгольца, питаемых переменным током. С ее помощью была исследована устойчивость двухслойной системы жидкостей в переменном вертикальном поле. Для эффективной обработки результатов опытов была произведена модернизация оптической части экспериментальной установки, для чего поверхность исследуемой жидкости освещалась светодиодным круговым источником света. Для обработки полученных в ходе эксперимента профилей поверхности магнитной жидкости на основе GNU Octave был разработан авторский алгоритм, позволяющий определить длину генерируемых волн. 

Результаты. Представлены, обработаны и обобщены результаты эксперимента с разными толщинами слоев магнитной жидкости в кюветах разного диаметра. Показано, что длина возникающей стоячей волны уменьшается с ростом частоты переменного магнитного поля, увеличивается с ростом диаметра кюветы и не зависит от толщины слоя МЖ. Волновое число стоячих волн монотонно возрастает с ростом безразмерной частоты колебаний магнитного поля. Все рассмотренные параметры и зависимости справедливы для случая глубокой воды. 

Заключение. В качестве вывода отметим, что полученные в ходе эксперимента результаты расширяют представление о поведении многофазных систем с магнитной жидкостью в магнитном поле.

1. Muller H. W. Parametrically driven surface waves on viscous ferrofluids // Phys. Rev. E. 1998. Vol 58, No 5. P. 6199–6205. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.58.6199

2. Cowley M. D., Rosensweig R. E. The interfacial stability of a ferromagnetic fluid // J. Fluid Mech. 1967. Vol. 30. P. 671. https://doi.org/10.1017/S0022112067001697

3. Richter R., Lange A. Surface instabilities of ferrofluids // Lect. Notes Phys. 2009. No. 763. P. 157–247. https://doi.org/10.1007/978-3-540-85387-93

4. Polunin V. M., Storozhenko A. M., Ryapolov P. A. Study of the interaction of physical fields in the acoustomagnetic effect for a magnetic fluid // Russian Physics Journal. 2012. Vol. 55. P. 536–543. https://doi.org/10.1007/s11182-012-9845-y

5. Rosensweig R. E. Ferrohydrodynamics. Cambridge: Cambridge University Press, 1985. 344 p.

6. Surface waves in ferrofluids under vertical magnetic field / J. Browaeys, J.-C. Bacri, C. Flament, S. Neveu, R. Perzynski // Eur. Phys. J. B. 1999. Vol. 9, is. 2. P. 335–341. https://doi.org/10.1007/s100510050773

7. Bashtovoi V. G. Instability of a thin layer of a magnetic fluid with two free boundaries // Magnetohydrodynamics. 1977. Vol. 13, no. 3. P. 277–281.

8. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. VI: Гидродинамика. 3-е изд., перераб. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. 736 с.

9. Rannacher D., Engel A. Double Rosensweig instability in a ferrofluid sandwich structure // Phys. Rev. E. 2004. Vol. 69, is. 6. P. 066306. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.69.066306

10. Bushueva C. A. Drop structures formed by ferrofluid in the uniform magnetic field // Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49, no. 3–4. P. 598–602. https://doi.org/10.22364/mhd.49.3-4.64

11. Lebedev A. V. Entrainment of a thin film of ferrocolloid by a rotating magnetic field // Magnetohydrodynamics. 1991. Vol. 27, no. 4. P. 461–462.

12. The effect of an oscillating vertically oriented magnetic field on the ferrofluid layer located on a perfluorooctane substrate / C. A. Khokhryakova (Bushueva), K. G. Kostarev, A. V. Lebedev, M. O. Denisova // Magnetohydrodynamics. 2018. Vol. 54, no. 1–2. P. 39–44. https://doi.org/10.22364/mhd

13. Berkovsky B. M., Medvedev V. F., Krakov M. S. Magnetic fluids: engineering applications. Oxford, Oxford University Press, 1993. 243 p.

14. Bacri J.-C., d’Ortona U., Salin D. Magnetic-fluid oscillator: observation of nonlinear period doubling // Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 67, no. 1. P. 50–53. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.67.50

15. Bashtovoi V. G., Rosensweig R. E. Excitation and study of subcritical waves on a magnetic fluid surface // JMMM. 1993. Vol. 122. P. 234–240.

16. 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).

17. Khokhryakova C. A., Kolesnichenko E. V. Waves on a free surface of ferrofluid layer, laying on a liquid substrate // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1945. Art. no. 012016 (6 p).

18. Лебедев А. В. Увлечение тонкой пленки ферроколлоида вращающимся магнитным полем // Magnetohydrodynamics. 1991. № 4. С. 115–131.

19. Бушуева К. А., Костарев К. Г., Лебедев А. В. Капельные структуры, образуемые феррожидкостью в однородном магнитном поле // Конвективные течения. 2011. № 5. С. 159–170.

20. Interfacial waves of the magnetic fluid in vertical alternating magnetic fields / M. Okubo, Y. Ishibashi, S. Oshima, H. Katakura, R. Yamane // JMMM. 1990. Vol. 85, is. 1–3. P. 163–166. https://doi.org/10.1016/0304-8853(90)90044-Q