Способ магнитно-реологического контроля магнитной восприимчивости частицы
METHOD FOR MAGNETIC-RHEOLOGICAL CONTROL OF MAGNETIC SUSCEPTIBILITY OF PARTICLE

Способ относится к области магнитных измерений и предназначен для определения магнитной восприимчивости одиночных частиц малых размеров. Может быть использован для решения научных и прикладных задач магнитного воздействия на дисперсные среды, содержащие фракцию магнитно-восприимчивых частиц. Среди них – задачи магнитного разделения (магнитной сепарации в технологических и экологических целях) неоднородных, содержащих такую фракцию (полезную или вредную), материалов в горнообогатительных, пищевых, стекольных, керамических, металлургических, энергетических и других производствах, а также задачи магнитофореза в биологии и медицине для магнитного управления адресной доставкой этих частиц (в том числе обладающих сорбционными свойствами, т.е. пригодными к транспорту лекарственных препаратов) в организме.
Известно электромагнитное устройство [1], предназначенное для определения магнитной восприимчивости магнитной жидкости-суспензии, поверхность которой размещается в магнитном поле (диагностируемом датчиком Холла) между полюсными наконечниками формы усеченных конусов. Однако такое техническое решение, имея специфичное целевое назначение, не может быть использовано для получения данных о магнитной восприимчивости одиночных частиц.
Известны электромагнитные устройства, в которых реализуется способ определения магнитной восприимчивости малообъемных магнетиков пондеромоторным методом (методом Фарадея) [2,3]: изучаемый магнетик помещается между полюсными наконечниками той или иной формы, где создается неоднородное магнитное поле. По данным измерения действующей на магнетик магнитной (пондеромоторной) силы F, для которой справедливы такие эквивалентные выражения (они приводятся и во многих других источниках, в том числе в [4]), а именно:
m
0
m
0
F=µχVHgradH или F=χVBgradB/µ,   (1)
0
определяется входящая в эти выражения величина магнитной восприимчивости χ магнетика, где µ – магнитная константа, V – объем изучаемого магнетика, H и B – напряженность и/или индукция поля в зоне, в которую помещается изучаемый магнетик.
К недостаткам таких технических решений относится отсутствие информации о требуемой при подобных измерениях зоне, которая бы характеризовалась стабильной, практически постоянной неоднородностью поля (для размещения магнетика именно в ней). Кроме того, эти решения в случае, когда объектом изучения может быть одиночная, малая по размерам, частица, из-за отсутствия возможности измерять воздействующую на нее столь небольшую пондеромоторную силу, не позволяют определять магнитную восприимчивость такой частицы.
Известно электромагнитное устройство, в котором реализуется способ определения магнитной восприимчивости малообъемных магнетиков тем же пондеромоторным методом Фарадея [5,6], но целенаправленно с полюсными наконечниками сферической формы. Между ними, где создается неоднородное магнитное поле, помещается изучаемый малообъемный магнетик, причем в этом случае – непосредственно в требуемую зону практически стабильной неоднородности. Эта зона, отчетливо проявляясь при использовании полюсных наконечников именно такой формы, диагностируется посредством, например, экспериментального получения характеристики индукции B (в частности, датчиком Холла) в направлении действия пондеромоторной силы, с последующим определением характеристики градиента gradB (которая идентифицируется как экстремальная) и характеристики (тоже экстремальной, что указывает на местоположение и пределы зоны практической стабильности – в окрестности экстремума) силового фактора BgradB. Как и в предыдущих аналогах, по данным измерений действующей на изучаемый магнетик пондеромоторной силы, пользуясь приведенным выше выражением (1), определяется величина магнитной восприимчивости магнетика.
Размещение изучаемого образца в оговоренной зоне стабильности этого устройства дает преимущество (в точности контроля) перед аналогами по определению магнитной восприимчивости малообъемных магнетиков. Однако недостаток, касающийся отсутствия возможности измерять пондеромоторную силу (весьма незначительную), действующую на одиночную, малую по размерам, частицу, остается и это не позволяет определить ее магнитную восприимчивость такой частицы.
g
0
0
A
S
S
3
3
По числу признаков наиболее близким к заявляемому изобретению является способ, описанный во многих источниках, в частности [7], хотя этот способ-прототип направлен на решение иной научно-практической задачи (определение такого физического параметра как динамическая вязкость η жидкости). Этот способ заключается в визуализации вертикальной седиментации изучаемой частицы (шара) в столбе жидкости известной плотности ρ, определении времени t фиксированного перемещения h частицы-шара диаметром (характерным размером) δ под действием трех сил. Это – сила тяжести F=πδρg/6 (являющаяся постоянной величиной, ρ – плотность частицы, g – ускорение свободного падения), сила Архимеда F=πδρg/6 (являющаяся постоянной величиной), сила Стокса F=3πδηυ= 3πδηh/t (υ – скорость частицы-шара в жидкости, здесь при установившемся режиме седиментации величины υ и F постоянны, t – время фиксируемого перемещения h частицы-шара в столбе жидкости). Последующее определение динамической вязкости η жидкости осуществляется по расчетной формуле, получаемой исходя из условия баланса этих трех постоянных по величине сил, действующих на частицу-шар.
g
A
S
m
g
A
S
m
Однако в реализации данного способа, задачей которого, повторим, является опытно-расчетное определение вязкости η жидкости, определение магнитной восприимчивости частицы (шара) не предусматривается – ввиду отсутствия дополнительного, а именно магнитного, воздействия на частицу. Имея в этом смысле ограниченные функциональные возможности, способ-прототип может, тем не менее, служить основой для предлагаемого способа, если к трем оговоренным выше силам (тяжести F, Архимеда F, Стокса F), действующих на частицу, добавить магнитную (пондеромоторную) силу F. В соответствии с записанным ранее выражением (1) она зависит от искомой величины – магнитной восприимчивости частицы χ, и это открывает возможность для определения значений χ.  При этом важным является обеспечение постоянства этой силы (созданием поля с постоянным магнитным силовым фактором), по меньшей мере, на протяжении определенного ограниченного перемещения h частицы – с тем, чтобы для выполнения соответствующих измерений и расчетов воспользоваться здесь условием баланса (обновленного) сил, действующих на изучаемую частицу, т.е. F, F, F и F.
Задачей, направленной на достижение требуемого технического результата в предлагаемом изобретении, является расширение функциональных возможностей способа, в данном случае обеспечение возможности контроля магнитной восприимчивости одиночной (отдельной), малой по размерам, частицы – за счет дополнительного воздействия на частицу еще одной, здесь магнитной, силы при перемещении частицы в жидкости (с уже известными значениями плотности ρ и вязкости η) в пределах ограниченной величины h. При этом требуется обоснование условия баланса (обновленного) сил, действующих на изучаемую частицу – с соблюдением связанного с ним условия постоянства магнитной силы (выполнимого при создании поля с постоянным магнитным силовым фактором), и получение выражения для расчета магнитной восприимчивости частицы χ по данным соответствующих измерений.
g
A
S
m
m
g
A
S
m
Поставленная задача решается реализацией способа магнитно-реологического контроля магнитной восприимчивости частицы, заключающегося в визуализации вертикальной седиментации изучаемой частицы в столбе жидкости, плотность которой ρ, а динамическая вязкость η, и определении времени t фиксированного (ограниченного) перемещения h частицы при действии на нее ряда сил, в частности тяжести F, силы Архимеда F, силы Стокса F. При этом на столб жидкости с перемещаемой в ней частицей воздействуют создаваемым неоднородным магнитным полем, вызывая тем самым дополнительное действие на нее магнитной силы F, причем создаваемое поле обеспечивает действие этой силы в вертикальном направлении, соответствующем направлению действия вышеуказанных сил (попутно силе тяжести и противоположно силам Архимеда и Стокса), кроме того, создаваемое поле, характеризуемое параметром напряженности H (или параметром индукции B) и параметром градиента gradH (или gradB), произведение которых представляет собой магнитный силовой фактор (HgradH или BgradB), обеспечивает стабильность этого фактора в пределах фиксированного перемещения h частицы (и тем самым – стабильность силы F), что позволяет определять магнитную восприимчивость частицы исходя из условия баланса всех сил, в данном случае четырех, а именно F, F, F и F (причем обязательно как постоянных величин), действующих на частицу.
m
m
Дополнительное действие на частицу магнитной силы F, причем за счет специального создания магнитного поля, которое обеспечивает не только необходимое действие этой силы в вертикальном направлении, но и стабильность магнитного силового фактора в пределах фиксированного перемещения частицы (а значит, постоянство F), может быть достигнуто применением электромагнитной системы, подобной системе, используемой в указанных выше аналогах [5,6], т.е. с полюсными наконечниками сферической формы, располагаемыми здесь по обе стороны столба с жидкостью, в которой изучаемая частица осуществляет дрейф вниз по вертикали. В этом случае, когда характеристика магнитного силового фактора между противостоящими полюсными наконечниками (в направлении действия магнитной силы) приобретает экстремальный вид, при этом пределы зоны в окрестности экстремума, где значения магнитного силового фактора практически стабильны, позиционируются как пределы фиксированного перемещения h частицы в жидкости.
Исходя из условия баланса сил, применимого здесь на том основании, что все силы, действующие на частицу, совершающую вертикальное перемещение вниз, в пределах ее фиксированного перемещения h (в течение времени t), являются здесь постоянными величинами, магнитную восприимчивость частицы определяют по любому из выражений:
или            ,     (2)
в зависимости от того, какой параметр поля измеряется оператором: напряженность H или индукция B, причем коэффициент k (вводимый в выражение для силы Стокса, фигурирующей в условии баланса сил, воздействующих на изучаемую частицу) должен учитывать отличие формы изучаемой частицы от модельной сферической.
g
0
0
A
S
m
0
0
0
g
A
S
m
3
3
3
На чертеже (см. фиг.1 в графической части) иллюстрируется функциональная схема реализации предложенного в настоящем изобретении способа магнитно-реологического контроля магнитной восприимчивости частицы 1 характерным размером (эквивалентным диаметром) δ, осаждающейся в столбе жидкости 2 с известными значениями плотности ρ и динамической вязкости η при действии на нее четырех сил: силы тяжести F=πδρg/6 (ρ – плотность частицы, g – ускорение свободного падения), силы Архимеда F=πδρg/6, силы Стокса F=3πδkηh/t (k – коэффициент, учитывающий отличие формы изучаемой частицы от модельной сферической), магнитной F=µχVHgradH= χVBgradB/µ (µ – магнитная константа, V=πδ/6 – объем изучаемой частицы, уподобляемой сферической, H и B – значения напряженности и/или индукции поля в зоне, в пределах которой изучаемая частица перемещается вниз на величину h). В пределах перемещения h частицы 1, т.е. от положения метки 3 (верхней) до положения метки 4 (нижней), кроме постоянства сил F, F и F, обеспечивается постоянство магнитной силы F – благодаря тому, что в этих пределах достигается постоянство магнитного силового фактора HgradH (BgradB): за счет использования (для создания соответствующего неоднородного магнитного поля) такой электромагнитной системы, в которой полюсные наконечники 5 (магнитопровода 6 с обмоткой 7), располагающиеся по обе стороны столба жидкости 2), имеют сферическую форму. Измеряя время t дрейфа частицы 1 вертикально вниз в пределах ее перемещения h, по любому из выражений (2) определяется магнитная восприимчивость χ этой частицы.
Изобретательский уровень предложенного способа подтверждается отличительной частью формулы изобретения.
[1].Патент RU 2098807. Способ определения магнитной восприимчивости магнитной жидкости (варианты) (Коровин В.М.,Кубасов А.А.), 1997.
[2].Чечерников В.И. Магнитные измерения / Учебное пособие. М.: МГУ. 1963. 286 с.
[3].Деркач В.И. Специальные методы обогащения полезных ископаемых / Учебное пособие. М.: Недра. 1966. 338 с.
[4]. Патент RU 2543671 Магнитное устройство для изучения сил внутреннего взаимодействия в растворе (Пономарёва Л.М.), 2015.
[5]. Сандуляк А.А. и др. Магнетометр Фарадея с полюсами сферической формы: 3D-оценка рабочих зон / Приборы. 2017. №10. С 4-7.
[6]. Патент RU 2680863. Электромагнитное устройство для определения магнитной восприимчивости вещества (Сандуляк А.В., Сандуляк А.А., Киселев Д.О. и др.), 2019.
[7]. Никулин С.С., Чех А.С.. Определение вязкости жидкости методом Стокса. Тамбов.: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ. 2011. 12 с.