Magnetorheology in rotating magnetic fields

Abstract

We studied the flow of ferrofluid induced by rotating magnetic fileds. This flow was observed for first time in fi96F by Moskowitz and Rosensweig [App1. Ph4s. Gett., 10, pag. 3Ofi (fi96F)] and since then researchers has attempted to explain the phenomenon through theories such as spin diffusion, magnetic tangential surface stresses, and others that claim the impossibility in to obtain ferrofluid flow through a uniform rotating magnetic field. These theories have been tested using experimental observations of tracer particles on the free surface of the container because of the difficulty in obtaining bulk velocity profiles by traditional methods. Nevertheless, as is demonstrated herein such surface velocity profiles are inadequate for the assessment of bulk flow theories as they misrepresent the bulk flow of the fluid and as such can be the cause of confusion. The principal contribution of the thesis is to provide experimental evidence that allows clarification of the mechanism responsible for the observed flow. To this end we focused on the flow of ferrofluid induced by a rotating magnetic field in a cylindrical container and between two coaxial cylinders. In order to obtain bulk flow measurements we used the ultrasound velocity profile method. Bulk flow measurements taken in the cylindrical container show the fluid co- rotating with the field in a rigid-body-like fashion throughout most of the bulk region of the container, except near the air-fluid interface, where it was observed to counter-rotate. Our experimental measurements show qualitative agreement with an extension of the spin diffusion theory of Zaitsev and Shliomis [J. App1. MeGH. feGH. Ph4s. 10, pag. 696 (fi969)], obtained using the regular perturbation method. An estimate of the spin viscosity is obtained from comparison of flow measurements and theoretical results of the extrapolated wall velocity from the regular perturbation method. The estimated value 4´= †.8 ×fiO—fiO kg m s—fi is several orders of magnitude higher than that obtained from dimensional analysis. We present the first measurements of bulk flow for ferrofluid in the annular gap between two stationary coaxial cylinders. These results contrast with current theories which only predict flow when one of the cylinders is free to rotate. Øualitative comparison of the experimental results with the predictions of the spin diffusion theory for the annular flow of ferrofluid in the limit of low fields were found in good agreement with velocity profiles obtained for the kerosene based ferrofluid.

Se estudió el flujo de ferrofluido inducido por un campo magnético rotando. Este fenómeno fue observado por primera vez en fi96F por Moskowitz y Rosensweig [App1. Ph4s. Gett., 10, pag. 3Ofi (fi96F)]. Desde entonces investigadores han intentado explicar el mecanismo de flujo a través de teorías tales como "spin diffusion", "magnetic surface stresses" y otras que plantean la imposibilidad de obtener flujo usando un campo magnético uniforme rotando. Como conse- cuencia del color oscuro de los ferrofluidos, ha existido dificultad en obtener perfiles de velocidad dentro del volumen de estos usando métodos convencionales. Por tal razón, estas teorías han sido evaluadas usando perfiles de velocidad tomados en la superficie del contenedor sin em- bargo, como es demostrado aquí, estos perfiles son inadecuados para evaluar teorías válidas en el volumen del fluido. La principal contribución de esta tésis es proveer evidencia experimental que permita clari- ficar el mecanismo responsable por el flujo observado. Para este fin, nos hemos enfocado en el flujo de ferrofluido inducido por un campo magnético rotando, usando dos diferentes geometrías: contenedor cilíndrico y cilindros coaxiales. Perfiles de velocidad tomados en el volumen del fluido fueron obtenidos utilizando una nueva técnica basada en ultrasonido. Estos perfiles mostraron el fluido rotando en la misma dirección del campo magnético y con movimiento similar al de un cuerpo rígido en la mayor parte del volumen del contenedor, excepto cerca de la interface aire-fluido, en la cual el fluido fue observado rotando en dirección opuesta a la del campo mag- nético. Nuestras medidas experimentales están en cuantitativo acuerdo con las predicciones teóricas obtenidas usando la teoría de "spin diffusion" propuesta por Zaitsev y Shliomis [J. App1. MeGH. feGH. Ph4s. 10, pag. 696 (fi969)], la cual fue obtenida usando el método de perturbación regular para valores moderados de amplitud del campo magnético. Un estimado del parámetro de "spin viscosity" de 4´ = †.8 × fiO—fiO kg m s—fi fue obtenido el cual es varios órdenes de magnitud mayor que el estimado usando análisis dimensional. Además, se presentan las primeras medidas de flujo en el volumen de ferrofluido contenido en el espacio anular entre dos cilindros coaxiales sin movimiento las cuales estan en cualitativo acuerdo las predicciones obtenidas usando la teoría de ”spin diffusion™ en el límite de bajos campos. Este resultado contrasta con teorías actuales, las cuales predicen flujo solo en el caso de que a uno de los cilindros le sea permitido rotar.