Influence of gyromagnetic effects on magnetization of magnetic liquids

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

The influence of gyromagnetic effects on magnetization of a magnetic liquid that is regarded as a suspension of spherical rigidly magnetized particles in a uniform magnetic field is theoretically investigated. The expression for the magnetization of the suspension is obtained. The parameter that determines the influence of the gyromagnetic effects is estimated.

Texto integral

ВВЕДЕНИЕ

Магнитные жидкости привлекают внимание исследователей (см., например, [1—5]) как в связи с возможностью их применения в различных технологических процессах, в том числе в микрофлюидике, так и в связи с тем, что они дают возможность исследовать различные явления, связанные с их уникальными свойствами.

Магнитные жидкости представляют собой суспензии броуновских магнитных частиц. В таких суспензиях особенно заметно проявляются как влияние течения на процессы намагничивания, так и влияние намагничивания на течение.

Взаимное влияние процессов намагничивания и течения в суспензиях магнитных частиц проявляется в явлениях магнитовязкости и релаксации намагниченности. Магнитовязкость — это явление изменения реологических свойств под действием магнитного поля, а релаксация намагниченности — это процесс установления термодинамического равновесия, в результате которого намагниченность суспензии стремится к значению, соответствующему термодинамическому равновесию, так называемой равновесной намагниченности.

Для теоретического исследования взаимного влияния процессов намагничивания и течения в суспензиях магнитных частиц используются методы неравновесной термодинамики и физической кинетики. При использовании этих методов возникает необходимость применять различные упрощающие предположения. При использовании методов неравновесной термодинамики физический смысл этих упрощающих предположений часто неочевиден. При использовании методов физической кинетики физический смысл упрощающих предположений обычно довольно очевиден. Однако методы физической кинетики математически гораздо сложнее методов неравновесной термодинамики.

Для того, чтобы исследовать поведение суспензий магнитных частиц при течении в магнитных полях методами физической кинетики, необходимо исследовать поведение одиночной частицы, взвешенной в текущей жидкости, в магнитном поле. Результаты такого исследования можно использовать непосредственно для вычисления параметров суспензии с достаточно малой объемной концентрацией частиц. Для вычисления параметров суспензий с большой объемной концентрацией частиц необходимо, кроме того, исследовать магнитное и гидродинамическое взаимодействие частиц между собой.

Неравновесное намагничивание суспензии магнитных диполей в гармонически колеблющихся [6] и вращающихся [7] магнитных полях теоретически исследовалось с использованием уравнения Фоккера–Планка. В рамках этого подхода учитывалось влияние вращательного броуновского движения магнитных диполей, но при этом инерционными эффектами пренебрегалось.

В работах [8—10] теоретически исследовалось влияние вращения на намагничивание суспензии сферических магнитных частиц в однородном магнитном поле с учетом инерционных эффектов. Для суспензии броуновских магнитных частиц, вращающейся в однородном магнитном поле, получена система уравнений для функции распределения по ориентациям магнитных дипольных моментов. Полученная система уравнений учитывает как инерцию частиц, так и инерцию дисперсионной жидкости суспензии [10]. Получено решение этой системы уравнений для суспензии, вращающейся в достаточно слабом переменном магнитном поле. С использованием этого решения найден вектор намагниченности суспензии.

Влияние гиромагнитных эффектов исследовалось в работах [11—12]. В обзоре [13] (см. главу VIII п. 2.5) обсуждается роль гиромагнитных эффектов в магнитных жидкостях. Там также приведена более обширная библиография работ, посвященных гиромагнитным эффектам.

В [8—10], как и во многих других работах, посвященных процессам намагничивания в магнитных жидкостях, не учитывалось влияние гиромагнитных эффектов. Однако оценки (см., например, [12]) показывают, что гиромагнитный момент импульса броуновских магнитных частиц значительно превосходит момент импульса, связанный с их вращением.

Оценки показывают, что для того, чтобы момент, связанный с вращением сферической частицы радиуса 5 нм (типичный размер частиц магнитных жидкостей) был равен ее гиромагнитному моменту, угловая скорость вращения частицы должна быть 8.6·106 об/с. Такие угловые скорости вращения на макроскопическом уровне вряд ли достижимы. Но, с другой стороны, среднеквадратичная угловая скорость броуновского вращения частиц, типичного для магнитных жидкостей размера, при 20°C — приблизительно 6.7·107 об/с. Таким образом, такие оценки вряд ли можно считать достаточными для того, чтобы сделать вывод о том, каким из моментов частицы можно пренебречь. Наиболее надежный способ — это учесть влияние обоих моментов в конкретной задаче.

Цель данной работы — исследовать влияние установившегося течения на намагничивание в суспензиях жестко намагниченных частиц как в постоянном, так и в переменном магнитном поле с учетом гиромагнитных эффектов. При этом предполагается учитывать также и влияние инерции как частиц суспензии, так и инерции ее дисперсионной жидкости.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И РЕШЕНИЕ

Рассмотрим суспензию сферических броуновских частиц одинакового радиуса. Частицы имеют одинаковый момент инерции и одинаковый модуль вектора магнитного момента. Направление вектора магнитного момента не изменяется относительно частицы, т. е. вектор магнитного момента вращается вместе с частицей. Плотность и вязкость несущей жидкости суспензии — ρ и η, число частиц на единицу объема суспензии — n. Концентрация частиц суспензии настолько мала, что можно пренебречь их магнитным и гидродинамическим взаимодействием. Суспензия течет в однородном магнитном поле с напряженностью Hacosωt, где Ha и ω — амплитуда и угловая частота колебаний, t — время.

Система уравнений, определяющая угловую скорость одиночной частицы и ориентацию ее магнитного дипольного момента в сдвиговом потоке (см. рис. 1)

v=2rkΩs×k, kΩs, kk=1, (1)

состоит из уравнения момента импульса, описывающего вращение частицы, в котором к моменту импульса частицы, связанному с ее вращением, добавлен гиромагнитный момент импульса (см. [14], § 36),

JdΩpdt+2mecegdMdt=M×H+KB+Kv, (2)

и уравнения, выражающего условие того, что магнитный момент частицы не изменяется относительно с началом в центре частицы, Ωs — угловая скорость в сдвиговом потоке, обтекающем частицу, k  — некоторый вектор, определяющий этот сдвиговый поток, me и e — масса и заряд электрона, c — скорость света, a — радиус частицы, J — момент инерции частицы, M — вектор магнитного момента частицы, g — гиромагнитный коэффициент магнитного вещества частицы, KB — момент стохастических сил, вызывающих броуновское движение частицы, Kv — момент сил, действующих со стороны окружающей частицу жидкости. Для того чтобы вектор магнитного момента не изменялся относительно частицы, необходимо, чтобы частота колебаний приложенного поля была достаточно мала. Будем считать, что для круговой частоты колебаний выполняется условие

ω2ηρa2. (4)

 

Рис. 1. Частица в сдвиговом потоке v=2rk(Ωs×k), kΩskk=1 (r — радиус-вектор с началом в центре сферической частицы).

 

Тогда из решения задачи о вращательных колебаниях абсолютно твердой сферы в вязкой жидкости, приведенного в [15] (задача 7 к § 24), следует (см. [9]) что

Kv=8πηa3Ωp8π3ρa5dΩpdt. (5)

Отметим, что при этом в уравнении момента импульса учитывается как инерция частицы, так и инерция жидкости, в которой она совершает вращательное движение.

Для того, чтобы можно было пренебречь гидродинамическим и магнитным взаимодействием частиц, должны выполняться условия

n31a, nHaΜ. (6)

На основании системы уравнений для угловой скорости и магнитного дипольного момента одиночной частицы (2) и (3), с использованием метода, предложенного в работе [9], и аналогичных предположений, получена система уравнений для функции распределения частиц по ориентациям магнитных моментов. Получено решение этой системы уравнений для суспензии, намагничивающейся в достаточно слабом переменном магнитном поле. С использованием этого решения получены выражения для намагниченности суспензии.

РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ

Вектор намагниченности Mt суспензии броуновских частиц, текущей в однородном магнитном поле с вектором напряженности, модуль которого удовлетворяет условию

HakBTM, (7)

имеет вид

M(t)=Reχ~||eiωtΩsΩsΩsΩsHa++Reχ~eiωtHaΩsΩsΩsΩsHa+Reτ~eiωtΩs×Ha, (8)

где продольная и поперечная компоненты комплексной магнитной восприимчивости χ~|| и χ~ и комплексный коэффициент τ~, имеющий размерность времени, определены следующими формулами

χ~||=χ01ω2τi21κ||+iωτB1+κ||, (9)

χ~=12χ01+sτBω2τi21κ++iωτB1+κ++​​​​​+12χ01sτBω2τi21κ+iωτB1+κ, (10)

τ~=i2Ωsχ01+sτBω2τi21κ++iωτB1+κ+​​​​​i2Ωsχ01sτBω2τi21κ+iωτB1+κ, (11)

κ||=κ145Ωs2τB2ω2τi2iωτB3ω2τi21κ+iωτB1+κ, (12)

κ±=κ135Ωs2τB2ω2τi2iωτB3±sτBω2τi21κ+iωτB1+κ, (13)

χ0=13M2nkBT, τB=4πa3ηkBT, τi=Jeff2kBT,

τpl=Jeff8πηa3=τi2τB, (14)

κ=γ*21+τplω2, γ*=mecM4πa3egη, Jeff=J+8π3ρa5. (15)

Здесь Re обозначает действительную часть комплексного выражения, i –мнимая единица, e = 2.71828… — основание натурального логарифма, T — абсолютная температура суспензии, kB — постоянная Больцмана.

В текущей суспензии Ωs, вообще говоря, принимает разные значения в разных точках потока. Если суспензия течет как идеальная жидкость, то Ωs=0, и суспензия намагничивается так, как если бы она была неподвижной.

Для неподвижной суспензии вектор намагниченности имеет вид

M(t)=Reχ~eiωtHa, (16)

где комплексная магнитная восприимчивость χ~ определена формулой

χ~=χ01ω2τi21κ+iωτB1+κ. (17)

В предельном случае постоянного магнитного поля ω → 0

M=χ||ΩsΩsΩsΩsHa++χHaΩsΩsΩsΩsHa+τΩs×Ha, (18)

где продольная и поперечная компоненты магнитной восприимчивости χ|| и χ и коэффициент τ, имеющий размерность времени, определены следующими формулами

χ||=χ01415γ*2Ωs2τB2, (19)

χ=χ097+95γ*2Ωs2τB231+35γ*2Ωs2τB22+16Ωs2τB2, (20)

τ=χ0τB9+1+35γ*2Ωs2τB231+35γ*2Ωs2τB22+16Ωs2τB2. (21)

Как видно из (18)–(21), для неподвижной суспензии в постоянном магнитном поле влияние гиромагнитных коэффициентов отсутствует, а введенный выше (см. (14)) параметр χ0 является магнитной восприимчивостью неподвижной суспензии.

Влияние гиромагнитных эффектов определяется коэффициентом γ*. Если этот коэффициент достаточно мал, то влиянием гиромагнитных эффектов можно пренебречь.

Были проведены численные оценки параметра γ*, определяющего влияние гиромагнитных эффектов, которые показали, что для неподвижных суспензий частиц, взвешенных в жидкостях с характерными для обычных условий значениями коэффициента вязкости, этот параметр много меньше единицы. Например, для суспензии, представляющей собой частицы из магнетита, взвешенные в керосине, γ* = 0.00032 при 20°C. Таким образом, эти оценки показывают, что для неподвижной суспензии броуновских магнитных частиц влиянием гиромагнитных эффектов на ее намагничивание можно пренебречь. Отметим, что этот вывод относится также и к суспензии, текущей как идеальная жидкость, для которой тоже Ωs = 0.

Что же касается случая Ωs ≠ 0, то он требует более детального анализа. Но и для этого случая можно утверждать, что влиянием гиромагнитных эффектов для большей части интервала изменения частоты колебаний можно пренебречь, и что это влияние может заметно проявится лишь в узких окрестностях некоторых резонансных частот.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнено теоретическое исследование влияния гиромагнитных эффектов на намагничивание магнитной жидкости, которая считалась суспензией сферических жестко намагниченных частиц, в однородном магнитном поле. Концентрация частиц суспензии считалась достаточно малой для того, чтобы можно было пренебречь магнитным и гидродинамическим взаимодействием частиц между собой. Рассматривались как текущие, так и неподвижные суспензии. Получена система уравнений, определяющая угловую скорость одиночной частицы и ориентацию ее магнитного дипольного момента. Система состоит из уравнения момента импульса, описывающего вращение частицы, и уравнения, выражающего условие того, что магнитный момент частицы не изменяется относительно неинерциальной системы отсчета, связанной с частицей. В уравнении момента импульса учитывается как инерция частицы, так и инерция жидкости, в которой она совершает вращательное движение. Влияние гиромагнитных эффектов в уравнении момента импульса описывается введением добавочного члена для момента импульса частицы, который пропорционален величине ее магнитного момента.

На основании системы уравнений для угловой скорости и магнитного дипольного момента одиночной частицы получена система уравнений для функции распределения частиц по ориентациям магнитных моментов. Получено решение этой системы уравнений для суспензии, намагничивающейся в достаточно слабом переменном магнитном поле. С использованием этого решения получены выражения для намагниченности суспензии. Найден безразмерный параметр, определяющий влияние гиромагнитных эффектов на намагничивание как неподвижной, так и текущей суспензии. Проверено, что при стремлении этого параметра к нулю полученные выражения для намагниченностей стремятся к выражениям для намагниченностей неподвижной и текущей суспензии магнитных броуновских частиц, полученным ранее без учета влияния гиромагнитных эффектов. Предположено, что, если этот параметр много меньше единицы, влиянием гиромагнитных эффектов на намагничивание суспензии можно пренебречь. Установлена справедливость этого предположения для неподвижной суспензии. Проведены численные оценки параметра, определяющего влияние гиромагнитных эффектов, которые показали, что для суспензий частиц, взвешенных в жидкостях с характерными для обычных условий значениями коэффициента вязкости, этот параметр много меньше единицы.

×

Sobre autores

A. Tyatyushkin

Lomonosov Moscow State University

Autor responsável pela correspondência
Email: tan@imec.msu.ru

Institute of Mechanics

Rússia, Moscow

Bibliografia

  1. Ерин К.В., Вивчарь В.И., Шевченко Е.И. // Изв. РАН. Сер. физ. 2023. Т. 87. № 3. С. 315; Yerin C.V., Vivchar V.I., Shevchenko E.I. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2023. V. 87. No. 3. P. 272.
  2. Белых С.С., Ерин К.В., Фурсова В.В. // Изв. РАН. Сер. физ. 2023. Т. 87. № 3. С. 333; Belykh S.S., Yerin C.V., Fursova V.V. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2023. V. 87. No. 3. P. 287.
  3. Белых С.С., Ерин К.В. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. № 7. С. 962; Belykh S.S., Yerin C.V. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. No. 7. P. 878.
  4. Гареев К.Г., Непомнящая Э.К. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. № 7. С. 990; Gareev K.G., Nepomnyashchaya E.K. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. No. 7. P. 904.
  5. Тятюшкин А.Н. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. № 7. С. 885; Tyatyushkin A.N. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. No. 7. P. 804.
  6. Raikher Yu.L., Stepanov V.I. // J. Magn. Magn. Matt. 2008. V. 320. P. 2692.
  7. Raikher Yu.L., Stepanov V.I. // Phys. Rev. E. 2011. V. 83. Art. No. 021401.
  8. Tyatyushkin A.N. // Solid State Phenom. 2009. V. 152—153. P. 167.
  9. Tyatyushkin A.N. // Solid State Phenom. 2012. V. 190. P. 657.
  10. Tyatyushkin A.N. // Solid State Phenom. 2015. V. 233. P. 302.
  11. Шлиомис М.И. // ЖЭТФ. 1968. Т. 53. № 9. С. 1125; Shliomis M.I. // JETP. 1968. V. 26. No. 3. P. 665.
  12. Желнорович В.А. // Докл. АН СССР. 1978. Т. 238. № 2. С. 289.
  13. Гогосов В.В., Налетова В.А., Шапошникова Г.А. // Итоги науки и техники. Сер. Мех. жидк. и газа. 1981. Т. 16. С. 76.
  14. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982.
  15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
2. Fig. 1. Particle in a shear flow , ,  ( is the radius vector with the origin at the center of the spherical particle).

Baixar (23KB)

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».