СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ НАСЫЩЕНИЯ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

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.

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_нас исследуемой магнитной жидкости:

M_нас=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.

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_o меняют от 0,001 до 0,1 Тл, при каждом значении B_o измеряют напряженность H и индукцию B магнитного поля внутри жидкости, определяют намагниченность M=(B/µ_o-H) и строят зависимость M от µ_o/B. Точка пересечения полученной прямой с осью ординат определяет намагниченность насыщения М_нас. (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_нас требуется многократно менять индукцию B_o, многократно измерять напряженность H и индукцию B, многократно определять намагниченность M и строить график ее зависимости от µ_o/B. Этот способ можно принять за прототип.

В предлагаемом способе исследуемую магнитную жидкость помещают во внешнее магнитное поле, индукцию которого B_o можно менять в пределах от 0,001 Тл до 0,025 Тл. Приблизительно устанавливают индукцию В_o1, при которой выполняется закон Кюри, имеющую значение порядка 0,001 Тл, при этой индукции измеряют напряженность H₁ и индукцию магнитного поля B₁ внутри жидкости, определяют намагниченность M₁=(B₁/µ_o-H₁). Затем приблизительно устанавливают увеличенную до значения порядка 0,025 Тл индукцию внешнего магнитного поля B_o2, при которой закон Кюри не выполняется, измеряют напряженность H₂ и индукцию B₂ внутри жидкости, определяют намагниченность M₂=(B₂/µ_o-H₂) и находят значение параметра α=M₂B₁/M₁B₂. При индукции B_o1, когда выполняется закон Кюри, M₁=Мнасξ1/3 (ξ1 - аргумент функции Ланжевена при индукции B₁), при индукции B_o2, когда закон Кюри не выполняется, M₂=МнасLa(ξ₂)(La(ξ₂) - значение функции Ланжевена при аргументе функции Ланжевена ξ₂, соответствующем индукции B₂. Подставив эти значения M₁ и M₂ в выражение для параметра α, с учетом равенства (ξ₁B₂/B₁)=ξ₂, получаем α=3La(ξ₂)/ξ₂. 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_нас=M₂/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.

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_нас=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 M₁=1,125 кА/м и напряженность намагничивающего поля H_н1=(B₁/µ_o)=2,8 кА/м. Для экспериментальной точки №15 находим M₂=5,3 кА/м, H_н2=(B₂/µ_o)=20 кА/м.

Определяем α=(M₂B₁/M₁B₂)=(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_нас=(M₂/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_o)-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.

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 T₁, измеряют намагниченность M₁ и индукцию внутреннего магнитного поля B₁. Определяют константу Кюри

C=M₁T₁/B₁.

В этом же образце при неизвестной температуре T₂ определяют намагниченность M₂ и индукцию внутреннего магнитного поля B₂. Если бы константа Кюри не зависела от температуры, то температуру T₂ можно находить по формуле:

T₂=CB₂/M₂.

На самом деле константа Кюри пропорциональна M_нас:C=M_насP/3к, поэтому она уменьшается с ростом температуры из-за расширения жидкости, вызывающего уменьшение M_нас. Это приводит к ошибке измерения температуры T₂. Если же вместо C использовать приведенную константу Кюри П=(С/М_нас)=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 T₁ намагниченность M₁, индукцию B₁ и намагниченность насыщения М_нас1, можно определить приведенную константу Кюри П=M₁T₁/M_нас1. Затем, измерив при неизвестной температуре T₂ намагниченность M₂, намагниченность насыщения М_нас2 и индукцию B₂, можно определить температуру T₂=ПМ_нас2B₂/M₂. Для использования при измерении температуры константы П вместо константы C нужно иметь быстрый способ определения М_нас., в качестве которого может быть использован предлагаемый способ определения М_нас.

Предлагаемый способ определения M_нас 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_нас/P, определив ξ по значению функций a(ξ) или La(ξ).