СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ НАСЫЩЕНИЯ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ
METHOD TO DETERMINE MAGNETISATION OF SATURATION OF MAGNETIC FLUID

Изобретение предназначается для определения магнитных свойств коллоидных растворов однодоменных ферромагнитных наночастиц (магнитных жидкостей), например для измерения магнитного момента и концентрации наночастиц. А так же для устранения погрешности измерения температуры, вызванной тепловым расширением образца при использовании магнитных жидкостей в качестве термометрических веществ.
нас
Известен способ определения намагниченности насыщения магнитной жидкости путем одновременного получения спектров протонов в образце магнитной жидкости и в образце чистого растворителя, помещенных в поле спектрометра ЯМР с индукцией, большей 1 Тл. Максимумы линий ЯМР протонов чистого растворителя и протонов магнитной жидкости получаются при напряженностях магнитного поля развертки спектрометра, сдвинутых относительно друг друга на величину ΔH, которая численно равна намагниченности насыщения M исследуемой магнитной жидкости:
нас
M=ΔH.
(А.И. Жерновой, В.Н. Наумов, Ю.Р. Рудаков. Научное приборостроение, 2009, том 19, №1, с.13-16).
Недостаток способа в том, что для его применения требуется спектрометр ЯМР с магнитным полем более 1 Тл и датчик, содержащий два изолированных образца.
o
o
o
o
нас
нас
o
o
Известен способ определения намагниченности насыщения магнитной жидкости путем получения ее кривой намагничивания на участке с сильным полем. В этом способе образец исследуемой магнитной жидкости помещают в магнитное поле, индукцию которого B меняют от 0,001 до 0,1 Тл, при каждом значении B измеряют напряженность H и индукцию B магнитного поля внутри жидкости, определяют намагниченность M=(B/µ-H) и строят зависимость M от µ/B. Точка пересечения полученной прямой с осью ординат определяет намагниченность насыщения М. (А.И. Жерновой, В.Н. Наумов, Ю.Р. Рудаков. Научное приборостроение, 2009, том 19, №3, с.57-61). Недостаток способа в том, что для определения M требуется многократно менять индукцию B, многократно измерять напряженность H и индукцию B, многократно определять намагниченность M и строить график ее зависимости от µ/B. Этот способ можно принять за прототип.
o
o1
1
1
1
1
o
1
o2
2
2
2
2
o
2
2
1
1
2
o1
1
1
o2
2
2
2
2
2
1
2
1
2
1
2
2
2
нас
2
В предлагаемом способе исследуемую магнитную жидкость помещают во внешнее магнитное поле, индукцию которого B можно менять в пределах от 0,001 Тл до 0,025 Тл. Приблизительно устанавливают индукцию В, при которой выполняется закон Кюри, имеющую значение порядка 0,001 Тл, при этой индукции измеряют напряженность H и индукцию магнитного поля B внутри жидкости, определяют намагниченность M=(B/µ-H). Затем приблизительно устанавливают увеличенную до значения порядка 0,025 Тл индукцию внешнего магнитного поля B, при которой закон Кюри не выполняется, измеряют напряженность H и индукцию B внутри жидкости, определяют намагниченность M=(B/µ-H) и находят значение параметра α=MB/MB. При индукции B, когда выполняется закон Кюри, M=Мнасξ1/3 (ξ1 - аргумент функции Ланжевена при индукции B), при индукции B, когда закон Кюри не выполняется, M=МнасLa(ξ)(La(ξ) - значение функции Ланжевена при аргументе функции Ланжевена ξ, соответствующем индукции B. Подставив эти значения M и M в выражение для параметра α, с учетом равенства (ξB/B)=ξ, получаем α=3La(ξ)/ξ. Зависимость функции Ланжевена (кривая La) и параметра α (кривая A) от ξ приведена на графике (рис.1). Пользуясь этим графиком, по найденному значению параметра α можно найти ξ и La(ξ), а затем определить намагниченность насыщения: M=M/La(ξ). Достоинство предлагаемого способа перед прототипом в том, что для определения намагниченности насыщения вместо многократного измерения намагниченности жидкости в сильном магнитном поле, как предполагается в способе-прототипе, достаточно измерить два значения намагниченности в слабом поле.
Пример осуществления способа.
нас
1
н1
1
o
2
н2
2
o
В статье (А.И. Жерновой, В.Н. Наумов, Ю.Р. Рудаков. Научное приборостроение, 2009, том 19, №3, с.57-61) приведена полученная экспериментально кривая намагничивания коллоидного раствора ферромагнитных наночастиц и при помощи описанного в этой статье известного способа, принятого за прототип, по 15 экспериментальным точкам найдена намагниченность насыщения коллоидного раствора М=8100 А/м. Предлагаемый способ позволяет получить намагниченность насыщения по двум экспериментальным точкам кривой намагничивания, приведенной в этой статье. Для экспериментальной точки №4 находим намагниченность M=1,125 кА/м и напряженность намагничивающего поля H=(B/µ)=2,8 кА/м. Для экспериментальной точки №15 находим M=5,3 кА/м, H=(B/µ)=20 кА/м.
2
1
1
2
нас
2
o
Определяем α=(MB/MB)=(5,3·2,8/1,125·20)=0,66. По таблице для α=0,66 находим ξ=3,1. При этом значении ξ функция Ланжевена La(ξ)=0.68, откуда М=(M/La(ξ))=(5,3/0,68)≈8000 А/м. В предлагаемом в заявке способе определения намагниченности насыщения используются известные методы измерения напряженности H и индукции магнитного поля B внутри жидкости, а так же метод определения намагниченности по формуле M=(B/µ)-H, которые не отличаются от методов, примененных в цитируемой статье для получения кривой намагничивания, поэтому возможность с их помощью получать достоверные значения B и M сомнений не вызывает.
Практическая значимость предлагаемого способа.
1
1
1
В патенте РФ №2452940,опубликованном 10.06.2012 в бюллетене №19, описан магнитный способ измерения термодинамической температуры с использованием в качестве термометрического вещества магнитной жидкости. В этом способе в образце жидкости, находящемся при температуре тройной точки воды T, измеряют намагниченность M и индукцию внутреннего магнитного поля B. Определяют константу Кюри
1
1
1
C=MT/B.
2
2
2
2
В этом же образце при неизвестной температуре T определяют намагниченность M и индукцию внутреннего магнитного поля B. Если бы константа Кюри не зависела от температуры, то температуру T можно находить по формуле:
2
2
2
T=CB/M.
нас
нас
нас
2
нас
1
1
1
нас1
1
1
нас1
2
2
нас2
2
2
нас2
2
2
нас.
нас
На самом деле константа Кюри пропорциональна M:C=MP/3к, поэтому она уменьшается с ростом температуры из-за расширения жидкости, вызывающего уменьшение M. Это приводит к ошибке измерения температуры T. Если же вместо C использовать приведенную константу Кюри П=(С/М)=P/3к, которая зависит только от магнитного момента наночастиц P и от постоянной Больцмана к, то этой ошибки не будет. В этом случае, измерив при известной температуре T намагниченность M, индукцию B и намагниченность насыщения М, можно определить приведенную константу Кюри П=MT/M. Затем, измерив при неизвестной температуре T намагниченность M, намагниченность насыщения М и индукцию B, можно определить температуру T=ПМB/M. Для использования при измерении температуры константы П вместо константы C нужно иметь быстрый способ определения М, в качестве которого может быть использован предлагаемый способ определения М.
нас
нас
Предлагаемый способ определения M по двум точкам кривой намагничивания может быть применен для контроля свойств магнитных жидкостей при их производстве и применении. При этом кроме намагниченности насыщения можно находить магнитный момент P и концентрацию наночастиц n. Найти P и n можно по формулам P=ξкT/B, n=M/P, определив ξ по значению функций a(ξ) или La(ξ).