Динамика магнитных жидкостей, подвергающихся колебательному сдвигу

Цель работы: изучить динамику объема магнитной жидкости, левитирующего во внешнем магнитном поле, испытывающем колебательный сдвиг.

Методы. Эксперименты проведены на установках, разработанных на основе известных методов и оборудования для магнитных измерений и изготовленных самостоятельно. Исследовались образцы магнитной жидкости на основе магнетита Fe₃O_4, стабилизированного олеиновой кислотой. Керосин использовался в качестве жидкости-носителя. 

Результаты. Рассмотрены образцы магнитной жидкости с различными физическими параметрами, исследована зависимость вязкости от намагниченности магнитного поля. Увеличение вязкости в магнитном поле при воздействии на межфазные границы левитирующего столбика МЖ может быть объяснено увеличением взаимодействий частиц, которые приводят к микроструктурированию МЖ в пристеночном слое. Наибольшее влияние на динамику магнитной жидкости, испытывающей колебательный сдвиг и магнитовязкостной эффект, оказывают микроструктура образца и наличие крупных магнитных частиц. 

Заключение. Произведена оценка магнитовязкого эффекта в тонком пристеночном слое столбика магнитной жидкости, совершающей колебания в трубке, при наложении сильного магнитного поля. Расчет значения вязкости выполнен по формуле, полученной на основе двух различных теоретических подходов. Результаты работы могут быть использованы для разработки методики экспресс-испытаний образцов магнитной жидкости, а также для разработки датчиков ускорения и вибрации на основе магнитных жидкостей. Этот метод может быть использован для исследования магнитофореза и агрегирования наночастиц. Сведения о магнитовязком эффекте будут ценны для микрофлюидных технологий, где применяются магнитные жидкости с частицами анизотропной формы, функционализированные различными специфическими ПАВ и протекающие в микроканалах.

1. Rosensweig R. E. Ferrohydrodynamics. Courier Corporation, 2013. 386 р.

2. Новопашин С. А., Серебрякова М. А., Хмель С. Ю. Методы синтеза магнитной жидкости // Теплофизика и аэромеханика. 2015. Vоl. 22, no. 4. P. 411–427.

3. Neuringer J. L., Rosensweig R. E. Ferrohydrodynamics // The Physics of Fluids. 1964. Vоl. 7, no. 12. P. 1927–1937.

4. Analysis of the ferrofluid microstructure based on the static magnetic measurements / S. A Sokolsky, A. Y. Solovyova, V. S. Zverev, M. Hess, A. Schmidt, E. A. Elfimova // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021. Vоl. 537. P. 168169.

5. Floating of solid non-magnetic bodies in magnetic fluids: Comprehensive analysis in the framework of inductive approach / A. S. Ivanov, A. F. Pshenichnikov, C. A. Khokhryakova // Physics of Fluids. 2020. Vоl. 32, no. 11. P. 112007.

6. Ivanov A. S. Anomalous interfacial tension temperature dependence of condensed phase drops in magnetic fluids // Physics of Fluids. 2018. Vоl. 30, no. 5. P. 52001.

7. Colloidal magnetic fluids: basics, development and application of ferrofluids // S. Odenbach (ed.). Springer, 2009. Vоl. 763. 432 р.

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

9. Odenbach S., Gilly H. Taylor vortex flow of magnetic fluids under the influence of an azimuthal magnetic field // Journal of magnetism and magnetic materials. 1996. Vоl. 152. Vоl. 1-2. P. 123–128.

10. Zubarev A. Y., Odenbach S., Fleischer J. Rheological properties of dense ferrofluids. Effect of chain-like aggregates // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2002. Vоl. 252. P. 241–243.

11. Role of particle clusters on the rheology of magneto-polymer fluids and gels / W. R. Suarez-Fernandez, G. Scionti, J. D. Duran, A. Y. Zubarev, M. T. Lopez-Lopez // Phi- losophical Transactions of the Royal Society A. 2020. Vоl. 378, no. 2171. P. 20190254.

12. On the theory of rheological properties of bimodal magnetic fluids / D. Chirikov, L. Iskakova, A. Zubarev, A. Radionov // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2014. Vоl. 406. P. 298–306.

13. 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. Vоl. 43, no. 1. P. 159–164.

14. Patel R., Virapura H., Parmar M. Magnetoviscous effect in dilute bidispersed ferrofluids through micro capillary // Journal of Nanofluids. 2014. Vоl. 3, no. 4. P. 307–311.

15. Siebert E., Dupuis V., Neveu S., Odenbach S. Rheological investigations on the theoretical predicted “Poisoning” effect in bidisperse ferrofluids // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2015. Vоl. 374. P. 44–49.

16. Yamada Y., Enomoto Y. Effects of oscillatory shear flow on chain-like cluster dynamics in ferrofluids without magnetic fields // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2008. Vоl. 387, no. 1. – P. 1–11.

17. Santiago-Quinones D. I., Raj K., Rinaldi C. A comparison of the magnetorheology of two ferrofluids with different magnetic field-dependent chaining behavior // Rheologica Acta. 2013. Vоl. 52, no. 8-9. P. 719–726.

18. Investigation into ferrofluid magnetoviscous effects under an oscillating shear flow / M. Pinho, B. Brouard, J. M. Génevaux, N. Dauchez, O. Volkova, H. Mezière, P. Collas // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2011. Vоl. 323, no. 18–19. P. 2386–2390.

19. Cunha F. R., Rosa A. P. Effect of particle dipolar interactions on the viscoelastic response of dilute ferrofluids undergoing oscillatory shear // Physics of Fluids. 2021. Vоl. 33, no. 9. P. 092004.

20. Ryapolov P. A., Polunin V. M., Shel’deshova E. V. An alternative way to study magnetic fluid magnetization and viscosity // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. Vоl. 496. P. 165924.

21. Упругость магнитной жидкости в сильном магнитном поле / В. М. Полунин, П. А. Ряполов, В. Б. Платонов, Е. В. Шельдешова, Г. В. Карпова, И. М. Арефьев // Акустический журнал. 2017. Т. 63, № 4. С. 371–379. https://doi.org/10.7868/ S0320791917040116.

22. Чечерников В. И. Магнитные измерения. М.: Изд-во МГУ, 1969. 385 с.

23. Dynamic Elasticity of a magnetic fluid column in a strong magnetic field / V. M. Polunin, P. A. Ryapolov, E. V. Shel’deshova, A. E. Kuz’ko, I. M. Aref’ev // Russian Physics Journal. 2017. Vоl. 60, no. 3. P. 381–388.

24. Leupold H. A., Tilak A. S., Potenziani E. Multi‐Tesla permanent magnet field sources // Journal of applied physics. 1993. Vоl. 73, no. 10. P. 6861–6863.