Генерация низкочастотных упругих волн в магнитной жидкости

Цель исследования. Анализ механизмов генерации упругих волн в магнитной жидкости, находящейся в постоянном магнитном поле, посредством наложения переменного магнитного поля. 

Методы. Теоретический расчет зависимости относительной амплитуды возбуждаемых колебаний от напряженности подмагничивающего поля (постоянной составляющей) проводится в предположении о жесткой связи между магнитной наночастицей и ее магнитным моментом (броуновский механизм намагничивания) и возможности магнитного момента вращаться независимо от самой частицы (неелевский механизм намагничивания). В работе проводится сравнение теоретических выводов с ранее опубликованными экспериментальными данными.  

Результаты. В случае, когда постоянное и переменное магнитные поля перпендикулярны друг другу, функция амплитуды магнитоакустического эффекта от величины постоянного магнитного поля имеет вначале линейно возрастающий характер, затем переходящий в насыщение. Зависимость величины магнитоакустического эффекта от частоты может обнаруживать несколько максимумов. Теоретический анализ показывает, что число максимумов равно четырем (на опыте обнаружено три). При фиксированном магнитном поле максимум величины упругих колебаний, генерируемых в магнитной жидкости, растет пропорционально квадрату частоты. В случае параллельности переменного и постоянного магнитных полей доминирующим механизмом генерации упругих волн является пондеромоторный механизм. Зависимость магнитоакустического эффекта от постоянного магнитного поля имеет вид функции Ланжевена.

Заключение. В работе предложены механизмы генерации упругих волн в магнитной жидкости, находящейся в постоянном магнитном поле, посредством наложения переменного магнитного поля, которое в одном случае перпендикулярно переменному полю, а в другом – параллельно ему.

1. Odenbach S. Recent progress in magnetic fluid research // J. Phys.: Condensed Matter. 2004. Vol. 16(32). Р. R1135.

2. Патент 2208584 Российская Федерация, МПК C01G 49/08, H01F 1/28. Способ получения магнитной жидкости / Михалев Ю. О., Арефьева Т. А. № 2001111184/12; заявл. 23.04.2001; опубл. 20.07.2003, Бюл. № 20.

3. Optimal ferrofluids for magnetic cooling devices / M. S. Pattanaik, V. B. Varma, S. K. Cheekati [et al. ] // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. P. 24167.

4. Shima P. D., Philip J. Tuning of thermal conductivity and rheology of nanofluids using an external stimulus // The Journal of Physical Chemistry C. 2011. Vol. 115 (41). P. 20097.

5. Electromagnetic ferrofluid-based energy harvester / A. Bibo, R. Masana, A. King, G. Li, M.F. Daqaq // Physics Letters A. 2012. Vol. 376 (32). P. 2163–2166.

6. Odenbach S. Ferrofluids: Magnetically Controllable Fluids and Their Applications. Springer, 2008. 253 р.

7. Zhou J., Papautsky I. Viscoelastic microfluidics: progress and challenges // Microsyst Nanoeng. 2020. Vol. 6, No. 113.

8. Polunin V. Acoustics of nanodispersed magnetic fluids. CRC Press, 2019. 472 p.

9. Amin P., Patel M. Magnetic nanoparticles-a promising tool for targeted drug delivery system // Asian J. Nanosci. Mater. 2020. Vol. 3(1). P. 24–37.

10. Magnetically responsive peptide coacervates for dual hyperthermia and chemotherapy treatments of liver cancer / Z. W. Lim, V. B. Varma, R. V. Ramanujan, A. Miserez // Acta Biomater. 2020. Vol. 110. P. 221–230.

11. Blums E., Cebers A., Maiorov M. M. Magnetic Fluids. New York: Walter de Gruyter, 1997. 416 p.

12. Rinaldi С. Magnetic fluid rheology and flows // Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2005. Vol. 10. P. 513–519.

13. Frequency-dependent conversion of the torque of a rotating magnetic field on a ferrofluid confined in a spherical cavity / K. D. Usadel [et al.] // Soft Matter. 2019. Vol. 15. P. 9018.

14. Pshenichnikov A. F., Lebedev A. V., Shliomis M. I. On the rotational effect in nonuniform magnetic fluids // Magnetohydrodynamics. 2000. Vol. 36. P. 275–281.

15. Engel A., Reimann P. Thermal ratchet effects in ferrofluids // Phys. Rev. E. 2004. Vol. 70. P. 051107.

16. Measurement of the torque on diluted ferrofluid samples in rotating magnetic fields / A. M. Storozhenko, R. Stannarius, A. O. Tantsyura, I. A. Shabanova // J. Magn. Magn. Mater. 2017. Vol. 431. P. 66–69.

17. Dikanskii Yu. I., Borisenko O. V., Bedzhanyan M. A. Peculiarities of motion of a ferrofluid drop in a rotating magnetic field // Tech. Phys. 2013. Vol. 58. P. 475.

18. Rolling ferrofluid drop on the surface of a liquid / V. Sterr, R. Krauß, K. I. Morozov, I. Rehberg, A. Engel, R. Richter // New J. Phys. 2008. Vol. 10. P. 063029.

19. Пауков В. М., Полунин В. М. Полевая зависимость МАЭ в магнитной жидкости // Ультразвук и термодинамические свойства вещества. 1994. C. 74–76.

20. О некоторых особенностях возбуждения колебаний в магнитной жидкости / В. М. Полунин, Н. М. Игнатенко, В. М. Лазаренко, Ю. А. Гаврилов // Магнитная гидродинамика. 1982. T. 2. С. 133–135.

21. Пирожков Б. И., Афанасьев С. А. О низкочастотной релаксации в магнитных жидкостях // Вестник Пермского университета. Физика. 1998. Вып. 4. С. 113.

22. Пауков В. М. Исследование физической природы магнитоакустического эффекта на магнитной жидкости: автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. Курск, 2004. 25 с.

23. Пшеничников А. Ф., Пирожков Б. И., Федоренко А. А. Применение скрещенных полей для анализа дисперсного состава магнитных жидкостей // 10 Юбилейная Международная Плесская конференция по магнитным жидкостям: сборник научных трудов. Иваново: Иванов гос. энергет. ун-т, 2002. С. 81–86.

24. Пирожков Б. И. Исследование явлений агрегирования в магнитной жидкости методом скрещенных магнитных полей // Известия АН СССР. Серия физическая. 1987. Т. 51. С. 1088.