ГЕНЕРИРОВАНИЕ МАГНИТОВИБРАЦИОННЫХ ТЕЧЕНИЙ

В МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЯХ

Бузмаков В. М., Пшеничников А. Ф.

Институт механики сплошных сред УрО РАН,

Российская Федерация, г. Пермь, 614061, ул. Академика Королёва, дом 1.

В работе [1] кратко сообщалось о новом эффекте, связанном с взаимодействием магнитного поля со свободной поверхностью магнитной жидкости (МЖ). Было обнаружено, что сильно неоднородное переменное поле, являющееся источником бегущих капиллярно-гравитационных волн, вызывает усреднённое многовихревое (магнитовибрационное) движение. В данной работе это движение и условия его возникновения исследуются более подробно, приводятся новые экспериментальные данные и их анализ.

Для наблюдения магнитовибрационного течения магнитная жидкость наливалась в стеклянную цилиндрическую кювету диаметров 9,5 см. Переменное магнитное поле с частотой от 10 до 10000 Гц создавалось соленоидом. Внутрь соленоида вставлялся ферритовый сердечник с заострённым концом. Конец сердечника располагался в центре кюветы над поверхностью МЖ на высоте от 2 до 10 мм. Амплитудное значение напряжённости поля у конца сердечника варьировалась в различных опытах в диапазоне от 0 до 30 кА / м. Визуализация течения осуществлялась с помощью алюминиевой пудры, наносимой в небольшом количестве на поверхность жидкости.

При включении низкочастотного (десятки Гц) синусоидального магнитного поля на поверхности МЖ формировались осесимметричные капиллярно-гравитационные волны, распространявшиеся от центра кюветы к её краям. При небольших амплитудах поля частота волны равнялась удвоенной частоте поля, то есть совпадала с частотой 2w пондеромоторной силы, действующей на поверхность МЖ. Однако, по достижении амплитудой поля некоторого критического значения на поверхности жидкости появлялись волны с половинной частотой, равной частоте w магнитного поля (вдвое меньшей частоты внешней силы) и существенно большей интенсивности. Образование волн на половинной частоте означает, что в наших опытах преобладал параметрический механизм их возбуждения.

Усреднённое течение всегда возникало пороговым образом на фоне параметрических колебаний и имело чётное число вихрей. Необходимым условием формирования магнитовибрационного течения оказалось не только большая амплитуда внешнего поля, но и присутствие в нём временных гармоник с кратными частотами, определённым образом синхронизированных с основной гармоникой, так что зависимость пондеромоторной силы от времени приобретала в целом импульсный характер. Простейшим способом создания такого поля явилось включение в цепь питания соленоида полупроводникового диода. Частота магнитной силы в этом случае равна частоте импульсов n электрического тока, а частота капиллярно-гравитационной волны равна n / 2.

В зависимости от частоты и амплитуды поля и физических свойств МЖ нами наблюдалось различное число вихрей примерно одинаковой интенсивности. В целом картина течения при наблюдении сверху напоминала цветок ромашки. Характерная скорость движения составляла несколько см / с. при фиксированной амплитуде магнитного поля количество вихрей зависело главным образом от частоты n импульсов и увеличивалось от двух при n = 20 до двенадцати при n = 43. Смена структуры течения всегда сопровождалась гистерезисом: критическая частота, соответствующая переходу к движению с большим числом вихрей, оказывалась существенно выше той, при которой происходил обратный переход с понижением частоты. Изменение амплитуды магнитного поля на фиксированной частоте также вызывало перестройку в структуре течения. Так, если поле плавно увеличивалось на частоте 38 Гц, то вначале возникало 8-вихревое движение, которое при H₀ = 26 кА / м вырождалось в 4-вихревое, но дальнейшее увеличение амплитуды приводило к восстановлению первоначальной структуры течения, только с большим значением скорости. При уменьшении поля все изменения структуры течения происходили в обратоном порядке и с небольшим запаздыванием (гистерезис).

Тот факт, что усреднёненное течение в наших опытах возникало всегда на фоне капиллярно-гравитационных волн, позволил предположить, что причиной движения является та называемый эффект Лонге – Хиггинса [2], который исследовал генерирование волнами усреднённых течений в приповерхностном слое вязкой жидкости. Оценки, однако, показали, что течение Лонге-Хиггинса даёт значение скорости, которое, как минимум, на порядок меньше экспериментальных. Таким образом, этот эффект слишком слаб, чтобы объяснить результаты наших экспериментов.

Библиографический список.

1. Бузмаков В. М., Пшеничников А. Ф. // Тез. Докл. Конференции по негравитационным механизмам конвекции и тепло-массопереносу. Звенигород, 1994, C. 70.

2. Longuet-Higgins M. S. // Phil. Trans. Rep. Soc. Lond., 1953, V. A 245, P. 535 – 581.