МАГНИТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЕДИНИЦАХ
MAGNETIC METHOD OF MEASURING THERMODYNAMIC TEMPERATURE IN POWER UNITS

Изобретение предназначается для измерения температуры в джоулях без сравнения с температурой тройной точки воды. Оно может быть использовано в метрологии для уточнения реперных точек практической термодинамической температурной шкалы, а также в различных областях науки и техники для создания термометрической аппаратуры.
нас
о
о
о
изм
1
о
1
о
изм
o
o
1
изм
изм
o
1
o
о
Известен способ измерения термодинамической температуры, основанный на измерении намагниченности М дисперсии однодоменных ферромагнитных наночастиц, связанной с температурой Т законом Ланжевена: , в котором намагниченность М для заданного образца суспензии определяется намагниченностью насыщения М, и функцией Ланжевена  от параметра Ланжевена , где В - магнитная индукция внутри образца суспензии, Р - магнитный момент наночастицы, к - постоянная Больцмана. Установив образец в термостат с температурой тройной точки воды Т=273, 16 К, измеряем намагниченность М=М и значение индукции В=В. Поместив затем образец в точку с неизвестной температурой Т, меняем магнитную индукцию В до значения В, при котором намагниченность М равна М, и измеряем установленное значение магнитной индукции B. Равенство намагниченностей при температурах Т и Т означает равенство параметров Ланжевена (PB/T)=(PB/Т), поэтому неизвестная температура Т=T(B/B). Недостаток способа в том, что температура определяется в кельвинах с использованием реперной точки термодинамической температурной шкалы - тройной точки воды Т. Способ можно принять за аналог (А.И. Жерновой. Патент №2528031, 2014 г.).
о
о
о
о
о
изм
изм
изм
изм
о
Известен магнитный способ измерения термодинамической температуры, основанный на измерении намагниченности М дисперсии однодоменных ферромагнитных наночастиц и индукции магнитного поля В внутри дисперсии, определении магнитной восприимчивости χ=(Мµ/В), связанной с температурой Т законом Кюри: χ=(С/Т). Поместив образец дисперсии в термостат с температурой Т, равной температуре тройной точки воды Т=273,16 К, и измерив при этой температуре магнитную восприимчивость χ, определяем константу Кюри С=χТ, а затем, поместив этот же образец в точку с неизвестной температурой Т и измерив при этой температуре магнитную восприимчивость χ, находим эту неизвестную температуру по формуле Т=(С/χ). Недостаток способа в том, что температура определяется в кельвинах с использованием реперной точки термодинамической температурной шкалы - тройной точки воды Т. Способ можно принять за прототип (А.И. Жерновой. Патент №2452940, 2012 г.).
В предлагаемом способе для измерения неизвестной температуры Т в единицах энергии без использования реперной точки термодинамической температурной шкалы измеряется намагниченность М находящегося при этой температуре образца дисперсии однодоменных ферромагнитных наночастиц. Значение намагниченности связано с температурой Т в джоулях формулой Ланжевена:
1
1
нач
2
2
нас
нач
нас
1
где  - параметр Ланжевена, зависящий от магнитного момента наночастицы Р и магнитной индукции внутри дисперсии В. Первым делом в слабом магнитном поле, при индукции В=В, удовлетворяющей условию РВ<<Т, измеряется намагниченность М на начальном участке кривой намагничивания, затем, при большей индукции В=В, удовлетворяющей условию РВ>>Т, непосредственно или экстраполяцией определяется намагниченность насыщения М. Начальная намагниченность удовлетворяет закону Кюри: М=МРВ/3T.
Из закона Кюри можно определить температуру:
1
нач
нас
1
1
peз
1
peз
peз
peз
1
В выражении (1) значения В, М получены в результате измерений, значение М можно получить, измерив М при большой напряженности внешнего магнитного поля или определив экстраполяцией, однако для определения температуры образца Т нужно знать магнитный момент наночастцы Р. С этой целью, не меняя индукцию постоянного магнитного поля B, в которой находятся наночастицы, на образец действуют электромагнитным полем с меняющейся частотой F и вектором магнитной индукции, направленным нормально индукции постоянного магнитного поля В. Когда при изменении частоты F она проходит значение F, удовлетворяющее условию магнитного резонанса PB=hF (h - постоянная Планка), происходит насыщение намагниченности М, что можно зафиксировать по ее уменьшению. Измерив частоту F, можно найти магнитный момент наночастиц P=hF/B. Подставив найденное значение Р в (1), получаем выражение для определения термодинамической температуры в джоулях без использования реперной температуры тройной точки воды:
peз
нac
1
T=hFM/3M.
Доказательство осуществимости предлагаемого способа
1
2
1
2
1
2
нас
peз
рез
1
2
7
В качестве термометрического вещества можно использовать коллоидный раствор в воде наночастиц магнетита, стабилизированный олеиновой кислотой, с концентрацией порядка одного объемного %. Чувствительным элементом (датчиком температуры) являются заполненные термометрическим веществом два цилиндрических контейнера диаметром 20 и высотой 40 мм, расположенные рядом на расстоянии 3 мм друг от друга во внешнем магнитном поле, напряженность которого можно менять. Между контейнерами и у боковой поверхности одного из них расположены датчики ЯМР 1 и 2 для измерения в них частот ядерного магнитного резонанса протонов f и f. Намагниченность в единицах А/м определяется формулой M=(f-f)/β, где β=53,4 - гиромагнитное отношение протонов в единицах Гцм/А. Индукция магнитного поля внутри чувствительного элемента определяется формулой B=f/δ, где δ=4,25*10 - гиромагнитное отношение протонов в единицах Гц/Тл. Подобное устройство описано в аналоге и прототипе. На этом устройстве, измеряя частоты f в датчике 1 и f в датчике 2, можно определять намагниченности М, М и индукцию магнитного поля В. Для нахождения на этом же устройстве магнитного момента наночастиц Р предлагается использовать магнитный резонанс наночастиц. Для этого на содержащийся в контейнерах первичного преобразователя коллоидный раствор наночастиц, имеющих магнитные моменты Р, воздействуют кроме постоянного магнитного поля с индукцией В слабым переменным магнитным полем с частотой F. Постоянное магнитное поле вызывает ориентацию магнитных моментов Р параллельно индукции В, приводя к появлению в образце намагниченности М. Если частота переменного поля F имеет резонансное значение F, удовлетворяющее условию магнитного резонанса 2PB=hF, то под его воздействием магнитные моменты наночастиц Р меняют свою ориентацию относительно направления индукции В, в результате чего происходит явление насыщения (уменьшение намагниченности наночастиц М), которое можно непосредственно зарегистрировать по уменьшению различия резонансных частот f и f в датчиках 1, 2, расположенных, как описывалось выше, вблизи контейнеров первичного преобразователя. (Явление насыщения намагниченности протонов, используемое для измерения магнитных полей, подробно описано, например, в книге А.И. Жернового «Измерение магнитных полей методом нутации», Ленинград, Энергия, 1979 г.)