СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01N27/76 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение в химической промышленности.

Известные способы определения магнитных характеристик веществ (магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости) можно разделить на две группы. К первой относятся методы измерений в постоянном магнитном поле, ко второй в переменном (или импульсном) поле. К первой группе относятся, например, метод Сексмита [1, с. 78] и метод Гуи [1, с. 91] в которых измеряется магнитная сила, действующая на намагниченное тело, и вибрационный метод [1, с. 70] в котором измеряется ЭДС, индуцируемая колеблющимся в катушке намагниченным телом. Ко второй группе относятся индукционный [1, с. 105] и резонансный [1, с. 182] методы, в которых измеряется индуктивность катушки с сердечником из исследуемого вещества.

На практике при измерении магнитной восприимчивости в магнитное поле помещают некоторый образец исследуемого вещества конечного объема. В этом случае к внешнему полю добавляется магнитное поле, обусловленное наведенными на поверхности образца магнитными зарядами. Это поле называют размагничивающим полем. Для тел достаточно простой формы (шар, длинный цилиндр, эллипсоид) оно пропорционально величине намагниченности данного образца с коэффициентом N, называемым размагничивающим фактором и зависящим от формы образца. В общем случае (для тела произвольной формы) такой связи нет. Ввиду этого форма образца оказывает существенное влияние на результаты измерения.

Напомним, что в феррогидродинамике [2, 3] в числе определяющих параметров фигурируют основные понятия ферромагнетизма, а именно: вектор напряженности магнитного поля и вектор индукции B. Эти величины связаны между собой через намагниченность среды

где
μ_o= 4π•10^-7 Гн/м магнитная постоянная, χ магнитная восприимчивость. С учетом второго выражения (1) имеем

где
μ абсолютная магнитная проницаемость, m_r относительная магнитная проницаемость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения магнитной восприимчивости с помощью поднятия жидкостей [1, стр. 102] заключающийся в наложении магнитного поля на исследуемую жидкость и измерении изменения высоты мениска. Схематическое устройство прибора, основанного на этом принципе, представлено на фиг. 1 [1, стр. 103, рис. 44] Исследуемая жидкость 1 наливается в сосуд 2, состоящий из капиллярной трубки и баллона большого сечения. Капиллярная трубка помещается между полюсами электромагнита 3. При включении поля мениск в капиллярной трубке поднимается или опускается в зависимости оттого, какая налита жидкость парамагнитная или диамагнитная. Восприимчивость исследуемой жидкости определяется из соотношения [1, стр. 102, формула (7.30)] 7.30)]

где
Δh изменение высоты мениска;
g ускорение силы тяжести, ρ₁ и ρ₂ соответственно плотности жидкости и газа над мениском;
χ₁ восприимчивость исследуемой жидкости;
χ₂ восприимчивость газа;
H напряженность магнитного поля.

Так как ρ₁≫ ρ₂ то в случае, когда можно пренебречь восприимчивостью газа, находящегося над жидкостью, восприимчивость последней определяется по формуле

Здесь и далее: χ восприимчивость жидкости, r плотность жидкости. Отметим, что эта формула записана в гауссовой системе единиц.

В феррогидродинамике аналогичная формула следует из уравнения Бернулли: на основании формул (5.4) и (5.26), приведенных в [2, стр. 137, стр. 144] для линейно намагничивающейся магнитной жидкости имеем (в системе СИ)

Применительно к магнитным жидкостям (магнитная восприимчивость которых на несколько порядков больше восприимчивости, например, растворов парамагнитных солей) недостатком указанного способа определения χявляется то обстоятельство, что наличие искривленной (даже в отсутствие поля) поверхности мениска создает вблизи нее существенное искажение первоначально однородного магнитного поля, вследствие чего возникает объемная магнитная сила, вызывающая перераспределение давления в жидкости, что влечет за собой дополнительное изменение формы мениска. Расчетная же формула (3) получена в предположении, что поверхность магнитной жидкости является плоской, и не учитывает вносимое мениском искажения поля. При вычислении c это обстоятельство приводит к систематической ошибке.

Предлагаемый способ устраняет указанный недостаток.

Заявляемый способ по первому пункту включает наложение на магнитную жидкость магнитного поля, ориентированного параллельно свободной поверхности жидкости, отличающийся тем, что на поверхности жидкости возбуждают поверхностную волну с заданной частотой и измеряют длину возбужденной поверхностной волны, распространяющейся параллельно или антипараллельно приложенному магнитному полю, а магнитную восприимчивость вычисляют по формуле

где
ρ плотность магнитной жидкости;
s коэффициент поверхностного натяжения магнитной жидкости;
f заданная частота поверхностной волны;
l измеренная длина поверхностной волны;
H₀ напряженность магнитного поля.

По второму пункту способ включает наложение на магнитную жидкость магнитного поля, отличающий тем, что магнитное поле накладывают перпендикулярно свободной поверхности жидкости, на поверхности жидкости возбуждают поверхностную волну с заданной частотой и измеряют длину возбужденной поверхностной волны, а магнитную восприимчивость вычисляют по формуле

где
ρ плотность магнитной жидкости;
s коэффициент поверхностного натяжения магнитной жидкости;
f заданная частота поверхностной волны;
l измеренная длина поверхностной волны;
H₀ напряженность магнитного поля.

На фиг. 1 показана схема установки для определения магнитной восприимчивости способом поднятия жидкостей; на фиг. 2 схема установки для определения магнитной восприимчивости предложенным способом.

Отметим, что известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей [4] при котором в отсутствии магнитного поля возбуждают поверхностную волну и измеряют длину волны l
Как известно, магнитные жидкости представляют собой коллоидный раствор мелких (порядка 100 ) ферромагнитных частиц в жидкости-носителе. Наличие ферромагнитных частиц приводит к тому, что во внешнем магнитном поле магнитная жидкость намагничивается. Если при этом магнитное поле в жидкости неоднородно, то за счет взаимодействия с ферромагнитным дипольным моментом каждой коллоидной частицы магнитная жидкость испытывает воздействие объемной магнитной силы. Кроме того, отличие магнитных восприимчивостей магнитной жидкости и воздуха, находящегося над слоем жидкости, обуславливает возникновение поверхностной магнитной силы, действующей на границе раздела жидкость-воздух в том случае, когда перпендикулярная этой границе составляющая вектора намагниченности отлична от нуля. Ввиду этого, скорость распространения поверхностных волн зависит от ориентации магнитного поля по отношению к первоначально плоской свободной поверхности магнитной жидкости.

В вертикальном магнитном поле дисперсионное соотношение для волны с частотой ω = 2πf имеет вид [2, стр. 197, формула (7.76)]

где
k = 2π/λ волновое число при наличии магнитного поля;
M намагниченность жидкости.

Связь между частотой и волновым числом, выражаемая равенством (4), получена в предложении, что толщина первоначально плоского слоя магнитной жидкости значительно больше длины волны.

На начальном участке кривой намагничивания связь между величинами M и H₀ можно представить в виде [2, стр. 92]

Подставляя (5) в (4) при выполнении условия получаем уравнение для определения относительной магнитной проницаемости жидкости m_r

Решая уравнение (6), получаем расчетное соотношение для вычисления относительной магнитной проницаемости
.

Используя последнее соотношение (2), из соотношения (8) с учетом (7) окончательно получаем формулу (1) для магнитной восприимчивости.

Для горизонтального магнитного поля дисперсионное соотношение для волны, распространяющейся параллельно (или антипараллельно) приложенному полю можно получить как частный случай из общего дисперсионного уравнения для движущихся сред в наклонном магнитном поле [2, стр. 207, уравнение (7.94)]

Преобразуя уравнения (9) с учетом условия получаем квадратное уравнение для вычисления m_r

Решая уравнение (10), находим

Используя последнее соотношение (2), из соотношения (12) с учетом (11) окончательно получаем формулу (II) для магнитной восприимчивости.

Способ определения магнитной восприимчивости реализуется следующим образом:
а) предварительно известным способом определяют плотность ρ и коэффициент поверхностного натяжения s жидкости (например, r весовым способом, s способом [4, стр. 468]), основанным на измерении длины поверхностной волны. При этом коэффициент поверхностного натяжения s определяется из соотношения
σ = ρλ3o

f²/2π (13)
где
λ_o длина поверхностной волны в отсутствии магнитного поля;
f частота волны;
б) согласно первому пункту изобретения на магнитную жидкость накладывают магнитное поле H₀, ориентированное параллельно свободной поверхности жидкости, на поверхности жидкости возбуждают поверхностную волну заданной частоты f и измеряют волну возбужденной поверхностной волны λ распространяющейся параллельно или антипараллельно приложенному полю, после чего, используя формулу (I), вычисляют магнитную восприимчивость c
в) согласно второму пункту изобретения на магнитную жидкость накладывают магнитное поле H₀, ориентированное перпендикулярно свободной поверхности жидкости, на поверхности жидкости возбуждают поверхностную волну заданной частоты f и измеряют длину возбужденной поверхностной волны l после чего, используя формулу (II), вычисляют магнитную восприимчивость c
При реализации способа применялся электромагнитный вибратор 4 (см. фиг. 2), в качестве которого использовался громкоговоритель типа 4ГД-28. Стеклянный стержень 5 возбуждал волну на поверхности магнитной жидкости 1. Для создания магнитного поля различной ориентации использовались электромагнит 3 типа ФЛ-1 (или соленоиды и катушки Гельмгольца). Напряженность магнитного поля определялась датчиком Холла ПХЭ 1606117В или микровеберметром Ф-190. Частота колебаний стержня 5 задавалась генератором Г3-118, соединенным с вибратором 4, и определялась частотомером Ч3-38. Длина волны l измерялась фотографическим способом.

В экспериментах исследовалась магнитная жидкость на основе керосина с диспергированными частицами магнетита. Ареометрическим методом определялась плотность жидкости: r 992 кг/м³, способом [4] коэффициент поверхностного натяжения. Было найдено, что при частоте f 4•10³ Гц длина волны в отсутствие магнитного поля l_o 2,2•10^-4 м. Используя формулу (13), получаем величину коэффициента поверхностного натяжения σ 2,7•10^-2 H/м.

При наложении горизонтального магнитного поля напряженностью H₀ 1,5•10⁴ A/м для волны, распространяющейся вдоль поля, было зарегистрировано значение длины l 2,5•10^-4 м. Используя выражение (11), получаем q 1,13, чему по формуле (12) соответствует относительная магнитная проницаемость m_r 3,2 и, соответственно, магнитная восприимчивость χ 2,2.

При наложении вертикального магнитного поля напряженностью H₀ 1,5•10⁴ A/м была зарегистрирована длина волны l 2,1•10^4- м. Используя соотношение (7), получаем p 1,13, чему соответствует величина относительной магнитной проницаемости m_r 3,1 и, соответственно, магнитная восприимчивость χ 2,1.

В заключении отметим, что новым в заявляемом способе является сам принцип, основанный на использовании зависимости динамической характеристики (скорости волны) от магнитного поля.

Источники информации
1. Чечерников В. И. Магнитные измерения. М. изд. Московского университета, 1963, с.285.

2. Розенцвейг Р. Феррогидродинамика. М. Мир, 1989, с.357
3. Берковский Б.М. Медведев В.Ф. Краков М.С. Магнитные жидкости. М. Химия, 1989, с. 239.

4. Сивухин Д.В. Термодинамика и молекулярная физика. М. Наука, 1990, с. 468.

5. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Гидродинамика. М. Наука, 1988, с.733.8

Использование: в контрольно-измерительной технике, в частности, в химической промышленности. Сущность изобретения: способ определения магнитной восприимчивости заключается в наложении на магнитную жидкость магнитного поля, возбуждении поверхностной волны, измерений длины волны, и вычислении магнитной восприимчивости по расчетным формулам, полученным в результате анализа процесса распространения волны по поверхности магнитной жидкости, находящейся в магнитном поле. При наложении магнитного поля параллельно свободной поверхности жидкости магнитную восприимчивость вычисляют по формуле:
,
где
ρ - плотность магнитной жидкости; σ - коэффициент поверхностного натяжения магнитной жидкости; f - заданная частота поверхностной волны; H₀ - напряженность магнитного поля. При наложении поля перпендикулярно свободной поверхности жидкости магнитную восприимчивость вычисляют по формуле:

2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения начальной магнитной восприимчивости магнитных жидкостей, включающий наложение на магнитную жидкость магнитного поля, ориентированного параллельно свободной поверхности жидкости, отличающийся тем, что на поверхности жидкости возбуждают поверхностную волну с заданной частотой и измеряют длину возбужденной поверхностной волны, распространяющейся параллельно или антипараллельно приложенному магнитному полю, а магнитную восприимчивость вычисляют по формуле

где μ_o - магнитная постоянная;
ρ - плотность магнитной жидкости;
σ - коэффициент поверхностного натяжения магнитной жидкости;
f заданная частота поверхностной волны;
λ - измеренная длина поверхностной волны;
H₀ напряженность магнитного поля. 2. Способ определения начальной магнитной восприимчивости магнитных жидкостей, включающий наложение на магнитную жидкость магнитного поля, отличающийся тем, что магнитное поле накладывают перпендикулярно свободной поверхности жидкости, на поверхности жидкости возбуждают поверхностную волну с заданной частотой и измеряют длину возбужденной поверхностной волны, а магнитную восприимчивость вычисляют по формуле

где ρ - плотность магнитной жидкости;
σ - коэффициент поверхностного натяжения магнитной жидкости;
f заданная частота поверхностной волны;
λ - измеренная длина поверхностной волны;
H₀ напряженность магнитного поля;
μ_o- магнитная постоянная.