Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

HYDROMECHANICS OF MAGNETIC LIQUID

Shulyak M.D. 1 Yanovsky A.A. 1
1 Stavropol State Agrarian University
Hydromechanics of ordinary liquids that do not exhibit significant magnetic properties are well described in the classical scientific literature. Magnetic fluids are a highly disperse heterogeneous system capable of substantially interacting with magnetic fields while maintaining a liquid state. Hydromechanics of magnetic fluids is much more complicated, in view of the necessity to take into account the factors influencing the magnetic field, both in its static state and in dynamics. For example, the efficiency of the density of a magnetic fluid, the force of surface tension, the anisotropy of viscosity and optical properties depend on the applied magnetic field. The corresponding interactions are of interest for the physics of magnetic phenomena. In recent years, extensive fundamental research has been carried out in the field of magnetic liquids; At the same time, work was actively carried out on their practical application. One of the main stages in the investigation of a magnetic fluid is the study of its hydromechanical function.
viscosity anisotropy
surface tension
optical properties
magnetic fluid

Магнитная жидкость это – искусственный материал, основой которой является жидкость, содержащая взвешенные в ней микроскопические магнитные частицы, покрытые поверхностно-активным веществом. На практике такие системы ведут себя как жидкости, обладающие магнитными свойствами и в них обнаружены ранее не наблюдавшиеся разнообразные физические эффекты. Гидромеханика магнитная жидкости отличается от обычных магнитных материалов в следующих двух стадиях:

В первом случае, если при воздействии внешней силы на жидкость происходят изменения, необходимо учитывать изменения ее деформации и плотности. При действии на жидкость магнитного поля, происходит изменение внутренней энергии (включая и энергию поля, действующего на жидкость), в жидкости происходит изменение этой внутренней энергии, обусловленные изменениями плотности и деформации. Поэтому, действующие силы на жидкость не могут быть получены на основе замкнутой системы уравнений. Данная система уравнений описывает электромагнитное поле в среде [1].

Второй этап заключается в степенях свободы. Необходимо учитывать внутренние степени свободы, поскольку магнитные коллоидные частицы, обладают моментом импульса и, соответственно, импульсом.

Рассмотрим один из примеров, гидромеханики магнитной жидкости без учета внутренних степеней свободы. Попробуем представить внутри самой магнитной жидкости, бесконечно малый прямоугольный параллелепипед. К параллелепипеду зададим систему координат x, у, z и обозначим длины сторон, для каждого значения через a, b, и h.

Сперва находим объем параллелепипеда:

shul1.wmf.

S – площадь верхней и нижней грани параллелепипеда. Теперь можно рассмотреть деформацию, приводящая к параллельному смещению DD` верхней плоскости параллелепипеда, дав положение D`E`F`G`:

shul2.wmf

С помощью этой формулы находится второй параллелепипед OABCD`E`F`G` с объемом V`:

shul3.wmf.

Отсюда объем V` составляет:

shul4.wmf.

shu1.tif

Рис. 1. Деформация элементарного прямоугольного параллелепипеда OABCDEFG

Изменение свободной энергии прямоугольного параллелепипеда происходит с участием объема V, то мы можем получить уравнение баланса энергии, рассчитав:

shul5.wmf.

ξ и n способны принимать произвольные значения, для этого необходимо равенство сделать тождеством, получим:

shul7.wmf.

В результате произведенных расчетов мы получили уравнение тензора напряжений в магнитной жидкости. Это всего лишь один из многих примеров, предлагаю рассмотреть обратный опыт, т.е уже с использованием внутренних сил степеней свободы, а именно экспериментальное исследование вязкости магнитных жидкостей.

Проводя экспериментальные исследования, Мак-Тэйг решил пропустить через цилиндрическую трубу магнитную жидкость и измерить ее вязкость (течение Пуазейля). Мак-Тэйг решил провести экспериментальные расчеты для двух случаев: для первого, магнитное поле параллельно оси трубы и для второго магнитное поле перпендикулярно оси трубы. На рисунке проведены экспериментальные измерения зависимости вязкости от напряженности магнитного поля, полученные Мак-Тэйгом.

shu2.tif

Рис. 2. Взаимная ориентация векторов гидродинамического вихря при течении магнитной жидкости в цилиндрической трубе и магнитного поля Н

При экспериментальных исследованиях турбулентного течения магнитной жидкости в трубе учеными Камиямой и другими, было замечено небольшое отклонение характеристик течения по сравнению с обычными жидкостями принимающие участие в опыте. Те же исследователи, проводящие этот эксперимент, при аналогичных расчетах с ферромагнитными жидкостями наблюдали аномальное увеличение вязкости, что связано с образованием агрегатов из магнитной жидкости под воздействием магнитного поля. Отсюда, авторы после завершения эксперимента, выполнили анализ экспериментальных результатов по вязким характеристикам магнитной жидкости.

Существует два подхода к построению гидромеханики с учетом взаимодействий между магнитными частицами. В рамках первого подхода учитывается тот факт, что взаимодействие происходит между магнитными частицами на уровне микроструктуры, а уравнения гидромеханики, описывающие взаимодействия на макроуровне, входят в усредненные значения. В самом процессе проведения исследований, попытки предпринимались Сано и другими.

Как известно, жидкие кристаллы представляют собой систему, обладающую внутренними степенями свободы. Из нескольких типов жидких кристаллов были выбраны нематические жидкие кристаллы, состоящие из одноосных молекул. Схематически связи между молекулами могут быть представлены в виде пружин, как показано на рис. 3.

shu3.tif

Рис. 3. Схема взаимодействия между молекулами

Перспективы развития фундаментальных исследований в области магнитной жидкостей связаны с использованием компьютерного моделирования и численных методов. Задача такого уровня является достаточно сложным. Прежде всего, всегда сложно предсказать будущее какого-либо направления исследований. Также актуальной проблемой является разработка принципов прогнозирования свойств магнитной жидкости по известным свойствам компонентов и исследование управляемых процессов теплообмена [2–6].