Капельные структуры, образуемые феррожидкостьюв однородном магнитном поле Текст научной статьи по специальности «Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Бушуева Кристина Андреевна, Костарев Константин Геннадьевич, Лебедев Александр Владимирович

Экспериментально исследовано формирование упорядо-ченных систем капель, возникающих в результате распада горизонтального слоя феррожидкости на жидкой подложке под действием вертикального магнитного поля . Количество и размер капель определяются исходной толщиной слоя и временем установления критической напряженности магнитного поля .

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Бушуева Кристина Андреевна, Костарев Константин Геннадьевич, Лебедев Александр Владимирович

DROP STRUCTURESFORMED BY THE FERROFLUIDIN THE UNIFORM MAGNETIC FIELD

Ordered drop structures resulting from the decay of a horizontal layer of ferrofluid under the influence of normal magnetic field is experimentally investigated in the paper. The quantity and size of drops are determined by the initial thickness of ferrofluid layer and by the time necessary to achieve the critical intensity of the magnetic field .

Текст научной работы на тему «Капельные структуры, образуемые феррожидкостьюв однородном магнитном поле»

КАПЕЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ, ОБРАЗУЕМЫЕ ФЕРРОЖИДКОСТЬЮ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

К. А. Бушуева, К.Г. Костарев, А.В. Лебедев

Институт механики сплошных сред УрО РАН,

614013, г. Пермь, Акад. Королева, 1

Экспериментально исследовано формирование упорядоченных систем капель, возникающих в результате распада горизонтального слоя феррожидкости на жидкой подложке под действием вертикального магнитного поля. Количество и размер капель определяются исходной толщиной слоя и временем установления критической напряженности магнитного поля.

Ключевые слова', двухслойная система жидкостей, разрыв слоя жидкости, феррожидкость, магнитное поле.

Воздействие однородного вертикального магнитного поля на горизонтальный слой феррожидкости и, как следствие, развитие на его свободной поверхности периодических возмущений в виде неустойчивости Розенцвейга достаточно широко изучено теоретически и экспериментально [1-3]. В последнее время большое внимание уделяется тонким (< 50 мкм) пленкам феррожидкости, расположенным как на твердой подложке [4], так и внутри некоторого объема несмешивающейся жидкости [5]. Экспериментально показано, что в однородном вертикальном магнитном поле такие пленки распадаются на отдельные капли, создающие упорядоченные структуры. Влияние вертикального магнитного поля на достаточно толстые (> 2 мм) слои феррожидкости ограничивается их деформацией с образованием гексагонального рельефа либо системы параллельных ребер [6-7].

Использование жидкой подложки для подобных слоев феррожидкости позволяет им деформироваться одновременно с двух сторон вплоть до распада на капли. В работе [8] для достижения тако-

© Бупгуева К.А., Костарев К.Г., Лебедев А.В., 2011

го уровня деформации горизонтальный слой феррожидкости располагался поверх перфтороктана. В результате воздействия неоднородного осесимметричного вертикального магнитного поля на созданную двухслойную систему возникал либо разрыв в форме правильного круга, либо упорядоченная структура капель, форма и характерный пространственный период которых зависели от исходной толщины слоя феррожидкости и напряженности приложенного ПОЛЯ.

1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В экспериментах были использованы две феррожидкости на основе керосина, близкие по плотности рх (

1.37 г/см3) и поверхностному натяжению ох (—27 дин/см), но имеющие разную начальную магнитную восприимчивость х (Х\ = 2.0 и %2 =7.2) и вязкость (у1 =16.8сСт и у2 = 4.2 сСт). В качестве жидкой подложки был выбран перфтороктан С8Р18 (р0 = 1.76 г/см3, <т0 = 15.8 дин/см, у0 =0.8сСт).

Двухслойная система жидкостей заполняла кювету в виде короткого вертикального цилиндра, изготовленного из боросиликатного стекла фирмы JENAerGLAS. Толщина слоя феррожидкости определялась как /г = т / р2Б, где т - масса жидкости, £ = пИ2 / 4 -площадь исходного (сплошного) слоя, который при этом считался плоским, Г) - внутренний диаметр заполняемой кюветы. Измерение массы жидкости и, соответственно, толщины слоя проводилось путем взвешивания на электронных весах АпЭ ЕК 6 НИ шприца с феррожидкостью до и после ее заливки в кювету. В опытах толщина слоя феррожидкости варьировалась от 1 до 4 мм. Толщина жидкой подложки в несколько раз превышала толщину слоя, изменяясь, соответственно, от 10 до 20 мм. Опыты были выполнены при температуре жидкостей и окружающей среды (23 ± 1)°С.

В ходе опытов кювета диаметром Д = 59.4 мм либо 1)2 = 89.0 мм помещалась на горизонтальную площадку между двумя катушками Гельмгольца (рис. 1). Ось кюветы совпадала с осью катушек. Напряженность Н магнитного поля, создаваемого катушками, регулировалась с помощью стабилизированного источника питания ОРЯ - 7550 Э.

На рис. 2 приведено относительное распределение вертикальной компоненты напряженности поля на уровне свободной поверхно-

сти сплошного (недеформированного) слоя феррожидкости. Для кюветы с диаметром Д относительная неоднородность поля вдоль радиуса не превышала 1 %, для кюветы с диаметром /Л - 3 %.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - катушки Гельмгольца; 2 - кювета с созданной в ней двухслойной системой жидкостей; 3 - видеокамера

Рис. 2. Распределение напряженности магнитного поля на уровне кюветы в плоскости, нормальной к оси симметрии катушек Гельмгольца

Изображение кюветы регистрировалось аналоговой видеокамерой, установленной над системой катушек. В поле кадра проециро-

валась информация о силе тока, протекающего через обмотки катушек.

Относительно небольшая толщина слоя и отсутствие демпфирования экспериментальной установки создают условия для возникновения возмущений свободной и межфазной поверхности феррожидкости в виде гравитационно-капиллярных волн. Однородное вертикальное магнитное поле усиливает эти возмущения и приводит к формированию на поверхности слоя феррожидкости рельефа в виде пента- либо гексагональных ячеек (рис. 3, б), как и в случае твердой подложки [2]. Подобный рельеф, но только с другим пространственным периодом, возникает и на границе с перфторокта-ном. При этом степень деформации нижней границы слоя оказывается существенно выше, т.к. перепад плотности на ней в три раза меньше, а изменение поверхностного натяжения - в шесть раз [9]. В результате - по сравнению со случаем твердой подложки - разрыв слоя должен происходить при значительно меньших значениях критической напряженности Н* магнитного поля, так как для этого достаточно, чтобы суммарная амплитуда возмущений обеих поверхностей слоя превысила его толщину. Пространственный период возникшей капельной структуры (рис. 3, в), определяемый как расстояние между центрами соседних капель, составляет около полутора сантиметров. Эго значение в пять раз превышает толщину слоя и близко к длине максимальной гравитационно-капиллярной волны для свободной поверхности феррожидкости, с которой совпадает длина волны неустойчивости Розенцвейга для бесконечно глубокого слоя феррожидкости (Мт = 2л, кт = /<Т [1,2, 10]).

Рис. 3. Развитие деформации слоя феррожидкости с ул под действием однородного вертикального магнитного поля. Толщина слоя /; = 2.8 мм. Напряженность поля Н, кА/м: 0 (а), 6.4 (б), 6.5 (в). Диаметр кюветы £>! = 59.4 мм

Образующие структуру капли имеют вид плавающих конусов, погруженных вершиной в жидкость подложки. При дальнейшем увеличении напряженности капли продолжают вытягиваться вдоль поля: конусы достигают дна кюветы, а затем растут вверх, образуя пики известного "цветка Розенцвейга" (рис. 4).

Рис. 4. Капельная структура, возникшая в результате разрушения слоя феррожидкости С %2 под действием вертикального магнитного поля. Л = 2.7 мм, Н = 9.0 кА/м, = 59.4 мм

Рис. 5. Критическая напряженность магнитного поля в зависимости от толщины слоя феррожидкости с различной начальной магнитной восприимчивостью X'. 2 0 (5), 7.2 (1, 2); О, мм: 59.4 (1, 3), 89.0