instabilité interfaciale d'une couche de ferrofluide sous champ magnétique normal; étude de la transition hexagones - carrés
Résumé
Ferrofluids are colloidal suspensions of monodomain magnetic particles, with an average size of 100 Angstromsin a non-magnetic carrier fluid. When a ferrofluid layer is submitted to a uniform and vertically oriented magnetic field, an interfacial instability emerges in the form of a hexagonal pattern of peaks above a critical value of the magnetic field. On increasing the magnetic field, we observe a smooth transition from the hexagonal pattern to a square pattern, above a second threshold. In the first part of this thesis, we have calculated the general dispersion relationship for surface waves on a ferrofluid layer of any thickness and viscosity, under the influence of a uniform vertical magnetic field. The dispersion relationship has been simplified into four asymptotic regimes : thick or thin layer and viscous or inertial behaviour. The validity conditions for the different regimes are presented. This allows us to identify the regime of our experiments, in the framework of linear theory analysis. We investigate the hexagon-square transition phenomenology. We show that the penta-hepta defects act as nucleation centers of the hexagon-square transition, and that the characteristics of the square phase can be found in these defects. In order to study the role of penta-hepta defects during the transition, we show how to controle their presence in the hexagonal pattern. Furthermore, we study the wavenumber selection, by varying the magnetic field in a quasistatic way and by using jumps in field intensity. Depending on the process, the results obtained are very different. They lead us to conclude that the square pattern is a metastable state induced by the compression of the hexagonal pattern on increasing the control parameter. We have confirmed this fact by performing an additional experiment in a hopper. In this experiment, we are able to induce the transition at a constant magnetic field lower than the transition onset.
Un ferrofluide est une solution colloïdale stable de particules magnétiques, de taille de l'ordre de 100 Angstroms, dans un liquide porteur. Lorsqu'une couche de ferrofluide est soumise à un champ magnétique uniforme et vertical, une instabilité interfaciale se développe au dessus d'une valeur critique du champ. La surface libre, initialement plane, se hérisse de pics disposés selon un réseau hexagonal. Si l'on augmente encore le champ magnétique, le réseau hexagonal se transforme progressivement en réseau carré, au dessus d'une second seuil. Nous nous sommes particulièrement intéressés à la phénoménologie de la transition hexagones-carrés. Nous avons montré que les défauts penta-hepta, présents dans le réseau hexagonal, agissent comme des centres de nucléation de la transition et que les caractéristiques de la phase carrée y sont contenues. Ensuite, nous présentons les résultats de sélection de nombre d'onde par variation quasistatique et brutale du champ magnétique. La comparaison des résultats obtenus nous permet de montrer que le réseau carré est un état métastable induit par compression du réseau hexagonal, lorsqu'on augmente le champ. Ce fait est vérifié à l'aide d'une expérience supplémentaire, durant laquelle nous comprimons mécaniquement le réseau hexagonal et induisons la transition à champ constant et inférieur au seuil de la transition.