СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ОКСИДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ И СОЛЕЙ В ЖИДКОЙ И ТВЕРДОЙ ФАЗАХ Российский патент 1999 года по МПК G01N27/72 G01N27/76 G01R33/16 

Изобретение относится к области физических методов измерения магнитных характеристик веществ, а точнее к тем из них, которые используются при повышенных и высоких температурах.

Применяемые в настоящее время для изучения магнитных свойств методы осуществляют измерение какой-либо величины, чаще всего механической (силы) непосредственно связанной с магнитной восприимчивостью вещества χ, являющейся характеристикой, зависящей от температуры и состояния всех электронов (свободных, валентных, внутренних) данного вещества, а также его агрегатного состояния.

Данные методы основаны на измерении силы, которая действует на образец, помещенный в неоднородное магнитное поле. В качестве средства измерения применяют магнитные весы Гуи. Исследуемый образец цилиндрической формы с заданными геометрическими параметрами помещают в контейнер, например в тигель и подвешивают на чувствительном балансире к весам. Контейнер с образцом располагается между полюсами магнита, создающего мощное неоднородное поле (напряженностью порядка 10000 Э). Если образец парамагнитен, то его энергия внутри магнитного поля понижается, и поэтому появляется сила, втягивающая образец в поле. Если образец диамагнитен, его энергия меньше снаружи поля, и поэтому некоторая сила выталкивает его из поля. Эта сила пропорциональна восприимчивости; следовательно, определяя положение весов, можно найти χ.

В литературе также описан способ измерения магнитной восприимчивости χ (В. М. Глазов, С. Н. Чижевская, Н.Н. Глаголева Жидкие полупроводники. М.: Наука, 1967, с. 29), заключающийся в измерении пондеромоторной силы F, действующей на образец в неоднородном магнитном поле. Причем, при небольших размерах образца градиентом поля пренебрегают, вследствие чего пондеромоторная сила пропорциональна магнитной восприимчивости при постоянной массе образца. Это позволяет проводить измерения магнитной восприимчивости относительным методом, т.е. F = kχ, где k - постоянная прибора, определяемая на образце с известной магнитной восприимчивостью.

Известные способы измерения магнитных характеристик веществ весьма сложны по техническому исполнению и являются по сути бесконтактными, т.е. воздействие магнитного поля, генерируемого магнитом с полюсными наконечниками особой формы, осуществляется не непосредственно на образец, а через систему теплоизоляционных экранов, поверхность нагревателя, или контур индуктора, что приводит к искажению получаемых результатов. Кроме того, необходимо теплоизолировать полюсных наконечники и магнит, чтобы сохранить собственно его магнитные свойства, что особенно сложно при высоких температурах. В то же время, расстояние между исследуемым образцом и полюсами магнита весьма значительно, поэтому возникает необходимость формирования поля напряженностью не менее десятков тысяч Э. И, наконец, общим недостатком данных способов является придание образцам правильной геометрической формы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому следует рассматривать способ измерения магнитной восприимчивости твердых и жидких металлов, включающий операции создания внешнего магнитного поля, размещение полюсных наконечников магнита около внешней поверхности образца, находящегося в тигле, нагрев образца, и измерение результата взаимодействия магнитного поля с образцом (П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, М.Г. Крашенинников и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. М.: Металлургия, 1988, с. 129). Описанный способ обладает рядом преимуществ, которые состоят в следующем:
- измерение магнитной восприимчивости проводятся абсолютным методом без применения калибровочных веществ;
- возможность точного определения области, в которой градиент магнитного поля постоянен.

Однако существующий способ эффективен лишь при измерениях магнитной восприимчивости металлов, например Fe, Co, Ni, Zr, Pt. Это обусловлено тем, что абсолютная величина магнитной восприимчивости металлов как диамагнитной, так и парамагнитной значительно выше чем у соответствующих солей и оксидов. Так, магнитная восприимчивость Fe, Co, Ni ниже температуры Кюри достигает нескольких десятков тысяч. Диамагнетики: CO₂χ = -5.3•10^-6, H₂O χ = -9.0•10^-6, Ag χ = -26, Bi χ = -170 и парамагнетики O₂ χ =1.8•10^-6, Al χ = 21•10^-6, Pt χ = 300•10^-6. Поэтому, эффект изменения силы, действующей на образец проявляется более значительно. Вследствии того, что полюсные наконечники магнита расположены далеко от образца, приходится генерировать, между ними мощное поле напряженностью 20-25 КЭ и использовать для питания массивного тела электромагнита громоздкие катушки, и батареи аккумуляторов.

Иными словами, расположенные между полюсными наконечниками магнита индуктор, нагреватель, теплоизоляционные экраны и тигель создают экранирующий эффект и препятствуют взаимодействию магнитного поля с собственно исследуемым веществом.

Кроме того операция измерения силы, действующей на образец в магнитном поле с помощью компенсационных микровесов сопряжена с целым рядом трудностей, которые обусловлены наличием конвекционных потоков газа, циркулирующих в пространстве нагревателя и дестабилизирующих измерительную систему на протяжении всего экспериментального цикла, а также дополнительным использованием расширителей диапазонов для компенсации значительного изменения силы, либо наоборот, усиления слабого изменения силы. Т.е. имеет место взаимный перевод механической величины в электрическую. Поэтому, естественным шагом представляется исключить механическую измеряемую величину и оперировать только электрической.

Отмеченные недостатки позволяют сделать вывод о том, что данный способ вряд ли может успешно применяться для измерения магнитной восприимчивости оксидных композиций и солей.

Целью настоящего изобретения является снижение напряженности электромагнитного поля, действующего на образец из оксидов и солей, а также исключение измерения механической величины - силы.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения магнитной восприимчивости, включающем операции создания внешнего магнитного поля, размещения в нем тигля с образцом, нагрев образца и измерения результата взаимодействия электромагнитного поля с образцом, образец нагревают до полного расплавления, размещают полюсные наконечники в расплав образца, измеряют индуктивность контура "полюсные наконечники - образец - тигель" - L, при охлаждении образца до затвердевания, затем измеряют индуктивность контура "полюсные наконечники - воздух - тигель" - L_o в том же температурном интервале и при тех же скоростях охлаждения, а магнитную восприимчивость χ определяют но формуле χ = L/L_o - 1.

Другое отличие состоит в том, что размещение полюсных наконечников в образец осуществляют в момент плавления образца, либо при любой другой температуре T, превышающей температуру плавления данного образца T₁, т.e. в жидкой фазе.

Авторами установлено, что при погружении полюсных наконечников в расплав при расстоянии между полюсными наконечниками ~1 см и их диаметре ~0.5 мм, ток через объект измерения не превышает значений 75 - 750 •10^-3 A. Напряженность создаваемого им поля в первом приближении составляет H = i/2πR = 750•10^-3/2•3/14•0.01 ~1.2 A/M = 1.2•10³/4π = 100 Э, что на один - два порядка меньше чем и описанных в литературе способах.

Размещение полюсных наконечников в образец обеспечивает непосредственное взаимодействие электромагнитного поля с веществом, минуя все возможные препятствия, являющиеся элементами конструкции: нагреватель, футеровка, экраны и стенка тигля, в котором находится образец.

Преимущество варианта размещения полюсных наконечников в образец в жидкой фазе обусловлено тем, что большинство оксидов и солей являются при нормальных условиях кристаллическими веществами, поэтому соединение полюсных наконечников с образцом сопряжено с трудностями их запрессовки и поддержки надежного электрического контакта в течение времени измерения. Тогда как, размещение полюсных наконечников, в жидкой фазе позволяет обеспечить надежный контакт с веществом и в твердой фазе, при его кристаллизации, поскольку полюсные наконечники впиваются в образец, и проводить измерения как в жидкой так и в твердой фазах.

Физическая сущность, положенная в основу заявляемого способа состоит в следующем. Опыт показывает, что индуктивность всякого контура зависит от свойств среды, в которой он находится. Если L_o есть индуктивность некоторого контура в вакууме (или в воздухе, либо в инертной атмосфере), a L - индуктивность того же контура в однородном веществе (в нашем случае в исследуемом образце), то отношение L/L_o = μ, называемое магнитной проницаемостью, характеризует магнитные свойства вещества, оно зависит от рода вещества, его состояния (например от температуры). Так как магнитная восприимчивость определяется соотношением χ = μ-1, то для парамагнетиков χ положительна, а для диамагнетиков - отрицательна.

Фиг. 1 иллюстрирует реализацию заявляемого способа. Нагревательное устройство 1. Тигель с образцом 2. Исследуемый образец 3. Полюсные наконечники 4. Измерительный прибор, например мост переменного тока 5.

Таким образом, использование заявляемого способа измерения магнитной восприимчивости оксидных композиций и солей в твердой и жидкой фазах обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества:
- простоту в применении и конструкционном исполнении;
- снижение напряженности генерируемого электромагнитного поля, действующего на образец как минимум на один - два порядка, что позволяет исключить сложные и громоздкие элементы конструкции (электромагнит, катушки возбуждения, аккумуляторы и т.д.);
- исключить неудобную для измерений при высоких температурах механическую величину
- силу и устройство для ее фиксации - весы;
- проводить измерения магнитной восприимчивости контактным методом и в твердой и в жидкой фазах без применения эталонных веществ на всем интересующем температурном интервале.

Пример 1. Проводят измерение магнитной восприимчивости раствора оксидов железа FeO и Fe₂O₃, являющиеся антиферромагнетиками. Температура плавления данной композиции, находящейся в равновесии с воздушной газовой атмосферой, равна 1590^oC. Образец 3 помещают в тугоплавкий тигель 2, например платиновый и нагревают с помощью печи сопротивления 1 до температуры 1610^oC и выдерживают при ней некоторое время. Между полюсными наконечниками 4 из тугоплавкого инертного металла создают магнитное поле малой мощности и осуществляют ввод полюсных наконечников в расплав на заданную глубину. После чего проводят измерение индуктивности L контура "образец - полюсные наконечники - тигель", при непрерывном медленном охлаждении, вплоть до комнатной температуры. В результате выполнения этих операций получают функциональную зависимость индуктивности контура "образец - полюсные наконечники - тигель" L = f(T). Для получения искомой зависимости магнитной восприимчивости образца от температуры χ = f (T) проводят измерение индуктивности L_o в отсутствии образца, т. е. индуктивность контура "полюсные наконечники - воздух - тигель", в том же температурном интервале 20 - 1610^oC и при тех же скоростях охлаждения L_o = f(T). И, наконец, взяв отношение L/L_o = μ и, вычитая из него 1, получают искомую функциональную зависимость магнитной восприимчивости образца от температуры L/L_o - 1 = μ - 1 = χ (T) (фиг. 2). При этом, отпадает необходимость использования эталонного вещества и проводить с ним градуировку на всем интересующем температурном интервале. На фигуре отмечены температура магнитного превращения (из парамагнитной области в антиферромагнитную) 6 и фазовый переход из жидкой фазы в твердую 7.

Пример 2. Проводят измерение магнитной восприимчивости бромистого калия KBr, являющегося типичным диамагнетиком. Температура плавления которого равна 734^oC. Последовательность операций такая же как в примере 1. Результаты измерения представлены на фиг. 3. Как видно из представленных результатов магнитная восприимчивость бромистого калия практически не зависит от температуры ни в жидкой, ни в твердой фазе, что является вполне естественным, поскольку магнитный момент молекулы KBr равен нулю. Фазовый переход из жидкого состояния в твердое 8 также выражен довольно резко.

Измерения индуктивностей в примерах 1 и 2 выполнены с применением моста переменного тока P5083.

Способ измерения магнитной восприимчивости оксидных композиций и солей в твердой и жидкой фазах относится к области физических методов исследования магнитных характеристик веществ, применяемых при повышенных и высоких температурах. Способ позволяет в отличие от существующих проводить измерение магнитной восприимчивости контактным методом и в твердой и жидкой фазах. Для этого полюсные наконечники размещают в расплав образца и измеряют индуктивность L контура полюсные наконечники - образец - тигель при охлаждении образца до затвердевания, затем измеряют индуктивность L_o на контуре полюсные наконечники - воздух - тигель в том же температурном интервале при тех же скоростях охлаждения. Магнитную восприимчивость определяют по формуле χ = L/L_o - 1. При этом отпадает необходимость формирования значительного магнитного поля между полюсными наконечниками и как следствие этого исключаются громоздкие элементы конструкции: тела электромагнита, катушек возбуждения, батареи аккумуляторов и т.д. Кроме того, заявляемый способ позволяет заменить измерение механической величины - силы и тем самым отказаться от применения расширителей диапазонов и усилителей сигнала. Таким образом применение заявляемого способа просто и эффективно позволяет проводить измерения магнитной восприимчивости оксидных композиций и солей. 3 ил.

Способ измерения магнитной восприимчивости оксидных композиций и солей в жидкой и твердой фазах, включающий создание внешнего магнитного поля, размещение в нем тигля с образцом, нагрев образца и измерение результата взаимодействия магнитного поля с образцом, отличающийся тем, что образец нагревают до полного расплавления, размещают полюсные наконечники в расплав образца, измеряют индуктивность контура полюсные наконечники-образец-тигель - L при охлаждении образца до затвердевания, затем измеряют индуктивность контура полюсные наконечники - воздух - тигель - L_о в том же температурном интервале и при тех же скоростях охлаждения, а магнитную восприимчивость χ определяют по формуле χ = L/L_о - 1.