Экспериментальная проверка аддитивной модели упругости магнитных жидкостей

Целью работы является экспериментальная проверка аддитивной модели формирования упругости магнитных жидкостей.  

Методы. Для решения цели работы были использованы методы молекулярной акустики и методы системного анализа. Магнитные жидкости представляют пример микронеоднородной среды. Малые размеры магнитных частиц, диспергированных в жидкости-носителе по сравнению с длиной ультразвуковых волн, позволяют применить к магнитным жидкостям некоторые выводы механики сплошных сред. Так, упругие свойства магнитных жидкостей описывает аддитивная модель, которая исходит из предположения аддитивности удельных сжимаемостей компонентов, входящих в систему. Под удельной сжимаемостью при этом понимается произведение сжимаемости данной компоненты на её объемную концентрацию. В работе исследовались магнитные жидкости на разной основе и разной концентрации. Образцы с меньшей концентрацией получены путем разбавления исходных. Проводились также исследования дисперсионной среды всех магнитных жидкостей. Скорость звука определялась импульсно-фазовым методом с режимом многократного отражения от приемной и передающей пьезопластин. 

Результаты. Был проведен сравнительный анализ экспериментально полученных зависимостей  скорости звука и адиабатной сжимаемости МЖ от концентрации твердой фазы с теоретическими, полученными в рамках аддитивной модели упругости. Данный анализ позволил сделать оценку величины адиабатной сжимаемости поверхностно-активного вещества магнитных жидкостей – олеиновой кислоты. Сделан вывод, что адиабатная сжимаемость поверхностно-активного вещества – олеиновой кислоты несколько меньше адиабатной сжимаемости олеиновой кислоты в свободном состоянии.

Заключение. Проведенные исследования позволили экспериментально подтвердить аддитивную модель формирования упругости магнитных жидкостей и дополнить выводы теории микронеоднородных сред.

1. Диканский Ю. И. Экспериментальное исследование взаимодействия частиц и структурных превращений в магнитных жидкостях: дис. … канд. физ.-мат. наук. Ставрополь: СГПИ, 1984. 125 с.

2. Варламов Ю. Д., Каплун А. Б. Исследование процессов структурообразования в магнитных жидкостях // Магнитная гидродинамика. 1983. № 1. С. 33–39.

3. Дроздова В. И. Экспериментальное исследование структуры магнитных жидкостей: дис. … канд. физ.-мат. наук. Ставрополь: СГПИ, 1983. 139 с.

4. Label‐free microfluidic manipulation of particles and cells in magnetic liquids / W. Zhao, R. Cheng, J. R. Miller, L. Mao // Advanced functional materials. 2016. Vol. 26, No. 22. P. 3916–3932.

5. Luo L., He Y. Magnetically driven microfluidics for isolation of circulating tumor cells // Cancer Medicine. 2020. Vol. 9. P. 4207–4231

6. Narasimham A. V. Observation of ultrasonic relaxation times in ferrofluids under the action of a magnetic field // J. Appl. Phys. 1981. Vol. 1. P. 1094–1097.

7. Chung D. Y., In J. X. Ultrasonic velocity measurement in conductive magnetic fluids // J. Appl. Phys. 1982. Vol. 53, No. 3. P. 2736–2738.

8. Isler W. E., Chung D. Y. Anomalous attenuation of ultrasonik in ferrofluids under the influence of a magnetic field // J. Appl. Phys. 1978. Vol. 49, No. 3. P. 1812–1814.

9. Прохоренко П. П., Баев А. Р., Серегин Е. М. Об акустических свойствах магнитных феррожидкостей применительно к ультразвуковой дефектоскопии // Известия Академии наук БССР. Серия физико-математических наук. 1983. № 1. С. 88–92.

10. Полунин В. М. Акустические эффекты в магнитных жидкостях. М.: Физматлит, 2008. 208 с.

11. Polunin V. M., Storozhenko A. M., Ryapolоv P. A. Mechanics of liquid nano-and microdispersed magnetic media. Boca Raton, CRC Press, 2017. 198 p.

12. Цеберс А. О. О роли поверхностных взаимодействий при расслоении магнитных жидкостей // Магнитная гидродинамика. 1982. № 4. С. 21–27.

13. Elasticity of a magnetic fluid in a strong magnetic field / V. M. Polunin, P. A. Ryapolov, V. B. Platonov, E. V. Sheldeshova, G. V. Karpova, I. M. Aref’ev // Acoustical Physics. 2017. Vol. 63, No. 4. Р. 416–423.

14. 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. Vol. 60, No. 3. Р. 381–388.

15. Polunin V. M., Zraichenko V. M., Ignatenko N. M. Acoustic phenomena in magnetic colloids // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1990. No. 85. P. 141–143.

16. Полунин В. М., Игнатенко Н. М. Об упругих свойствах ферромагнитной жидкости // Магнитная гидродинамика. 1980. № 3. С. 26–30.

17. Исследования акустических характеристик магнитных жидкостей / П. П. Прохоренко, А. Р. Баев, Е. Е. Рахуба, В. П. Самойлов, Н. П. Матусевич // Известия Академии наук БССР. Серия физико-математических наук. 1981. № 5. С. 88–90.

18. Elastic properties of a magnetic fluid with an air cavity retained by levitation forces / V. M. Polunin, M. L. Boev, M. M. Tan, G. V. Karpova, L. I. Roslyakova // Acoustical Physics. 2013. Vol. 59, No. 1. Р. 56–61.

19. Kondo S., Ikari K., Sawada T. Vibrating properties of a magnetic-fluid tuned liquid column damper with different U-pipes // Materials Science Forum. Trans Tech Publications Ltd, 2016. Vol. 856. Р. 21–25.

20. Elasticity of an air cavity in a magnetic fluid on an annular magnet segment with changing magnetic field sign / V. M. Polunin, P. A. Ryapolov, K. S. Ryabtsev, N. S. Kobelev, I. A. Shabanova, V. V. Yushin, E. B. Postnikov // Russian Physics Journal. 2018. Vol. 61, No. 7. Р. 1347–1357.

21. Zhang W., Peng J., Li S. Damping force modeling and suppression of self-excited vibration due to magnetic fluids applied in the torque motor of a hydraulic servovalve // Energies. 2017. Vol. 10, No. 6. Р. 749.

22. Shear and oscilations of the magnetic fluid column in a strong magnetic field / V. M. Polunin, S. G. Yemelyanov, P. A. Ryapolov, E. V. Shel'deshova // Magnetohydrodynamics (0024-998X). 2017. Vol. 53, No. 3. Р. 471–482.

23. Зотов В. В., Неручев Ю. А., Отпущенников Н. Ю. Экспериментальное исследование зависимости скорости звука в некоторых органических жидкостях // Ультразвуки и физико-химические свойства вещества. Курск,1969. № 3. С. 25–35.

24. Меркулов Л. Г., Третьяков В. А. К вопросу о предельной точности измерения скорости звука импульсно-фазовым методом // Акустический журнал. 1974. Т. 20, № 4. С. 594–601.

25. Полунин В. М., Рослякова Л. И. Об адиабатной сжимаемости и волновом сопротивлении магнитных жидкостей // Магнитная гидродинамика. 1986. № 3. С. 136–145.

26. Краков М. С., Матусевич Н. П. К вопросу об устойчивости магнитных коллоидов и их максимальной намагниченности // Магнитные жидкости: научные и прикладные исследования. Минск: ИТМО АН БССР, 1983. С. 3–11.

27. Авт. св. СССР 1430984 СССР, МПК G09B 23/18. Учебный прибор по физике для демонстрации волновых процессов / Полунин В. М., Рослякова Л. И., Пьянков Е. В. № 4213315; заявл. 19.03.1987; опубл. 15.10.1998.

28. Герметизаторы на основе нанодисперсных магнитных жидкостей и их моделирование / Ю. Б. Казаков, Н. А. Морозов, Ю И. Стародомский, С. М. Перминов; под общ. ред. Ю. Б. Казакова. Иваново: Иванов. гос. энергетический ун-т имени В. И. Ленина, 2010. 184 с.

29. Влияние структуры и параметров магнитной жидкости на магнитофорез в тонком слое / П. А. Ряполов, В. М. Полунин, В. Г. Баштовой, Е. А. Соколов, Е. В. Шельдешова // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 1. С. 75–89.

30. Polunin V. M., Ryapolov P. A., Platonov V. B. Mechanics of magnetic fluid column in strong magnetic fields // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 431. Р. 12–15.

31. Sapiński B., Horak W., Szczęch M. Investigation of MR fluids in the oscillatory squeeze mode // Acta mechanica et automatica. 2013. Vol. 7, No. 2. Р. 111–116.

32. Oscillations of magnetic fluid column in strong magnetic field / V. M. Polunin, A. M. Storozhenko, V. B. Platonov, O. V. Lobova, P. A. Ryapolov // Russian Physics Journal. 2017. Vol. 59, No. 9. Р. 1498–1506.

33. Vibration converter with magnetic levitation / A. V. Gladilin, V. A. Pirogov, I. P. Golyamina, U. V. Kulaev, P. A. Kurbatov, E. P. Kurbatova // Acoustical Physics. 2015. Vol. 61, No. 3. Р. 376–382.