ОСОБЕННОСТИ ДВИЖЕНИЯ КАПЕЛЬ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ.
. Ставропольский край, г. Ставрополь. Ставропольский Дворец детского творчества, МАН, МОУСОШ № 25, 11 класс.
Научный руководитель: , доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры общей физики Ставропольского государственного университета.
Магнитные коллоидные наносистемы (магнитные жидкости) обладают рядом уникальных свойств, обусловленных возможностью их взаимодействия с магнитными и электрическими полями. К настоящему времени такие среды считаются достаточно хорошо изученными [1,2], вместе с тем некоторые проблемы остаются открытыми. В частности, остаются недостаточно хорошо изученными особенности движения ограниченных объемов таких сред (капель и микрокапель) в магнитных полях различного характера. Целью настоящей работы является исследования движения капель магнитной жидкости в жидкой среде (воде) при воздействии стационарного однородного и бегущего магнитных полей.
В первом случае, капли магнитной жидкости получались в результате распада струи магнитной жидкости (схема установки приведена на рис.1). Экспериментальная установка представляет собой стеклянную кювету 1 с плоскопараллельными стенками, расположенную в магнитном поле катушек Гельмгольца 2. Максимальное значение поля составляло 80 кА/м. В верхней части кюветы располагается немагнитная трубка 3 внутренним диаметром 0,5 мм, соединённая с резервуаром 4, наполненным магнитной жидкостью. Внутри резервуара имеется поршень 5, который посредством реверсивного двигателя 6 может перемещаться вдоль оси резервуара. При перемещении поршня вниз из трубки 3 вытекает струя магнитной жидкости. Скорость истечения струи измеряется по времени прохождения поршнем определённого пути, определяемого с помощью миллиметровой шкалы, расположенной на боковой поверхности резервуара 4.
Основные опыты проводились в поле, перпендикулярном скорости струи, вместе с тем установка позволяла проводить измерения и при других углах. Было обнаружено, что воздействие перпендикулярного магнитного поля приводит к распаду струи на деформированные вдоль направления поля капли, при этом траектории каждых из двух последовательно образующихся капель не совпадают, что приводит к образованию двух параллельных потоков капель (рис. 2). Причина такого поведения исследуемого объекта, по всей видимости, состоит в следующем. Под действием однородного магнитного поля на поверхности струи магнитной жидкости возникают возмущения, приводящие к разбиению струи на капли. В процессе формирования и в момент отрыва очередной капли, последняя, принимая форму эллипсоида вращения, стремится ориентироваться в горизонтальном направлении, так как при такой ориентации в пространстве размагничивающий фактор капли принимает минимальное значение. При этом в момент отрыва большая ось капли оказывается ориентированной под некоторым углом к плоскости горизонта, а сама капля приобретает механический импульс 
. Конец струи также получает импульс 
(рис. 3), в результате чего следующая капля стремиться ориентироваться в противоположном направлении. Сразу после отрыва капли от струи капля приобретает горизонтальную составляющую скорости.
,
где 
– ускорение свободного падения, 
– объём капли, 
– плотность магнитной жидкости, 
– плотность окружающей среды, 
– коэффициент динамической вязкости среды, 
– большая полуось капли, 
– малая полуось капли, 
, 
– угол между большой осью капли и вертикалью.
В процессе дальнейшего движения угол возрастает и при достижении значения 
горизонтальная составляющая скорости капли 
обращается в ноль – падение капель продолжается в вертикальном направлении.
Схема экспериментальной установки для создания бегущего магнитного поля, представлена на рисунке 4. Источником магнитных полей служат шесть катушек индуктивности внутренним диаметром 4 см, внешним 8 см и длиной 0,5 см, расположенных соосно и питаемых прямоугольными импульсами постоянного тока. Вдоль оси катушек располагается стеклянная трубка внутренним диаметром 7 мм, наполненная водой и обеспечивающая линейную траекторию движения капли. Внутрь кюветы с помощью медицинского шприца вводится капля магнитной жидкости.
В начальный момент времени все катушки выключены, а капля располагается на расстоянии около 2 см от первой катушки. Затем включается первая катушка. При этом капля под действием неоднородного магнитного поля деформируется и приходит в направленное движение. Уравнение движения капли в этом случае может быть записано в виде:
,
где 
– магнитная восприимчивость магнитной жидкости, 
– магнитная постоянная, – объём капли, 
– градиент напряжённости магнитного поля, 
– коэффициент динамической вязкости внешней среды, 
– коэффициент динамической вязкости ферромагнитной жидкости, 
– масса капли, 
– эквивалентный радиус капли, 
– скорость движения капли вдоль оси катушки. В момент времени, когда капля достигает центра катушки, поле катушки выключается, и капля вновь принимает сферическую форму, продолжая двигаться в прежнем направлении.
Затем включается вторая катушка, и капля начинает двигаться благодаря воздействию на неё поля. Далее процесс повторяется. Проведенные исследования позволили выявить ряд особенностей такого движения капли, связанные с изменением ее формы, при воздействии неоднородного магнитного поля.
Таким образом, в результате проведенных исследований выявлен и изучен ряд особенностей движения капель магнитных жидкостей с учетом воздействия магнитных сил и изменения сил трения за счет периодического изменения формы капли при её движении. Полученные результаты могут иметь важное значение для управления свойствами композиционных магнитных сред (магнитных эмульсий и аэрозолей).
Литература
. , . Введение в термомеханику магнитных жидкостей. Москва. Институт высоких температур АН СССР. 1985. Р. Розенцвейг. Феррогидродинамика. Москва «Мир» 1989.