Способ определения размеров суперпарамагнитных частиц в ферромагнитной жидкости

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (!9), (П) З(51) G 01 К 15/00 где (, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3477429/18-25 (22) 02.08.82 (46) 15.02.84. Бюл. Р б (72) (0..П.Грабовский, Н.N.Леденева,, В.Ф.Соколенко и P А. Фойгель (71) Всесоюз ный научно-исследовательский и проектный институт по переработке газа (53) 539.137 (088.8) (56) 1.Майоров М.М. Экспериментальное исследование внутренних вращений и микроскопического строения магнитной жидкости. — Всесоюзный симпозиум "Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей", Рига, 1980, с. 53-60.

2. Веап С.P. 11agnetic Granulomet

ry and Super — Paramagnetism.-"I of

Apllied Phy ic", v. 27, 1956, Р 12, р. 1448-1452.

3. Бибик E.Е. и др. Магнитоскопические свойства коллоидов магнетита.—

"Магнитная гидродинамика", 1973,)) 1, с. 68-72 (прототип). 54) (5.7) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ СУПЕРПАРАМАГНИТН61Х ЧАСТИЦ R ФЕРРО-МАГНИТНОИ >!(ИДКОСТИ, включающий опре деление магнитных характеристик образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и ускорения измерений, образец ферромагнитной жидкости охлаждают до температуры жидкого азота или гелия г помещают В цикличвское пе, магничивающее поле, измеряют площадь петли гистерез и са пер емаг ничивания,затем повышают температуру образца, повторяют измерение площади петли, измеряют температуру, при которой начинается уменьшение этой площади, и температуру, при которой плсщадь петли гистерезиса становится равной нулю, после чего по полученньм значениям температуры опредеЛяют минимальный и максимальный диаметр супермагнитных частиц при помощи соотношений

3 (5049< (50 keg мин ), ) с) макс температура начала уменьшения площади петли гистерезиса; температура, при которой площадь петли магнитного гистерезиса становится равной нулю пост оя нная Боль цма на; константа магнитной анизотропии, зависящая от материала частиц.

1073629 где

М т c.M5Н

Если построить зависимость М Н ") то по наклону касательной и кривои на фиг. 2 в точке Н = св можно определить минимальный раэ <ер частиц.

Однако графическая обработка полученной кривой намагничивания очень трудоемка и как любой графический метод дает большую погрешность.

Кроме того, данные по намагниченности образца, полученные при помощи феррометра в слабых магнитных полях и содержащие наибольшую погрешность измерения, используется для определения максимального размера частиц магнетика (а именно, они определяют устойчивость ФМЖ в магнитном поле, поведение и работоспособность жидкостей в различных приборах и устройствах) .

Целью изобретения. является повышение точности и ускорение измерений предельных размеров супермагнитных частиц в ферромагнитной жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, включающему определение магнитных характеристик образца, образец ферромагнитной жидкости охлаждают дс температуры жидкого азота или гелия, помешают в циклическое перемагничивающее поле, измеряют площадь петли

Изобретение относится к способам измерения размеров частиц высокодисперсного ферромагнетика в ферромагнитной жидкости (ФМЖ) и может быть использовано для контроля качества

ФМЖ на разных oòàäÿõ ее получения.

Известен электронно-микроскопический способ определения размеров частиц магнетита (30-500 Х 1 А

- о

10 и) в ФМ)К. Этот способ заключается в том, что иэ исследуемой

ФМЖ готовят препарат для электронномикроскопического исследования, помещают его в поле зрения электронного микроскопа и получают электронные фотографии препарата, из которых 15 определяют размер частиц магнетита 111

Однако э гот способ очень трудоемок, требует сложного дорогостоящего оборудования и высококвалифици- Я рованного обслуживающего персонала, что не позволяет использовать его для регулярных анализов при синтезе ФМ)К. Кроме того, данный способ не может быть использован для опре деления размеров частиц магнетита на ранних còàäèÿõ получения ФМЖ.

Известен также гранулометрический способ определения размеров супермагнитных чатиц, основанный на графической обработке эксперименталь ной кривой намагничивания образца. Снятие кривых намагничивания проводят при различных температурах (Т = 4,2 77 и 200 К) 12)

Графическая обработка полученных экспериментальных данных является трудоемкой операцией и дает большую погрешность, особенно при определении максимального размера частиц.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату явля ется гра нулометрический способ, при котором также проводится графич еская обработка 45 экспериментальной кривой намагничивания исследуемого образца„снятой при ком IIa т ной температуре и имеющей хаРактеРный для супермагнетика вид ГЗ).

Измерение намагниченности ФМЖ 50 можно проводить различными способами, например баллистическим методом или мет одом в иб рацион ного ма гнет ометра. Меняя напряженность магнитного поля в катушке, где помещен исследуемый образец, и по показаниям прибора, регистрирующего напряженность образца, строят кривую намагниченности.

На фиг. 1 приведена типичная крйвая намагничивания ферромагнитной жидкости.

Предлагается простая парамагнитная связь намагниченности коллоида

ФМЖ с напряженностью приложенного поля - 65

„р, м,н

М вЂ” намагниченность коллоида ФМЖ;

M oo — намагниченность насыщения коллоида намагниченность насыщения твердого магнетита; объем одной частицы, магнитная постоянная, Н вЂ” напряженность магнитного поля, . (к) — функция Ланжевена.

Очевидно, что на начальном участке кривой намагничивания доминирующую роль играют наиболее крупные частицы, а зависимость намагниченности образца от поля в области насыщения определяется мелкими частицами.

Поэтому в случае достаточно слабого маг нитного поля Р— "3 Од ВЙ

Формула 1 допускает разложение:

Р g Msd

Н 15

Из этого выражения по наклону касательной к начальному участку кривой на,фиг. 2 можно определить максимальный размер. Когда. магнитное поле достаточно велико Н Т(рцМэ >), урав нение 1 упрощается.1073629

К

55 где Г, 60

65 гистерезиса перемагни.чивания, затем повышают температуру образца, повторяют измерение площади петли, измеряют температуру, при которой начинается уменьшение этой площади, и температуру при которой площадь петли гистерезиса становится равной нулю, после чего по полученным значениям температуры определяют минимальный и максимальный диаметр супермагнитных частиц при помощи соотношений

?5

Щ

3 150 <т„

/ЛИН г y, > eave=

И лk где 1 — температура начала уменьшения площади петли гистерезиса, температура, при которой площадь петли магнитного гистерезиса становится равной нулю, постоянная Больцмана; константа магнитной а низ отропии, зависящая толь к о от материала частиц.

Возмо>кность определения предельных размеров супермагнитных частиц непосредственно по температуре, при которой начинается уменьшение„ площади петли магнитного гистерезиса и его полное исчезновение, позволяет увеличить точность и ускорить измерения.

Для реали зации предлагаемого способа выходной сигнал с феррометра подается на осциллограф, на экране которого можно наблюдать сразу всю кривую намагничивания исследуемого образца. Хотя этот прием не используется в способе-прототипе, он хорошо известен и широко применяется при исследовании различных магнитных материалов.

Способосуществляют следующим образом.

В пробирку наливают исследуемый образец ФМЖ и вставляют термопару, подключают к потенциометру или к милливольтметру. Затем пробирку с термопарой опускают в сосуд с жидким азотом или гелием и держат там до стабилизации показаний потенциометра (милливольтметра). После этого пробирку переносят в измерительную катушку феррометра, соединенного с осциллографом, на экране которого наблюдают кривую намагничивания образца с петлей гистерезиса. Охлаждение образца до температуры жидкого азота (гелия) можно проводить непосредственно в катушке феррометра. При последующем нагреве образца, который происходит естественным образом, хотя скорость нагрева можно регулировать, петля гистерезиса уменьшается и при определенной температуре исчезает совсем. Температуры, при которых начинается уменьшение площади петли магнитного гистереэиса и его полное исчезновение, фиксируют потенциометром (милливольтметром1 и Ilo ним рассчитывают минимальный и максимальный размер супермагнитных частиц.

Свойство супермагнитных частиц быть магнитожесткими, т.е. иметь на кривой намагничивания петлю гистерезиса, проявляется только тогда, когда температура исследуемого образца ниже некоторой критической температуры Г, которая определяется из ссотношения Vl = 25 k t, где К вЂ” эффективная константа магнитной анизотропии материала частиц, 7 — объем частиц, k — постоянная Больцмана.

Пока площадь петли магнитного гистерезиса остается постоянной, магнитожесткими являются все супермагнитные частицы, присутствующие в образце. По мере нагрева образца площадь петли магнитного гистереэи-. са начинает уменьшаться. Это свидетельствует о том, что самые мелкие частицы перестают быть магнитожесткими. Поэтому температура, при которой начинается уменьшение площади магнитного гистереэиса, может характеризовать минимальный размер частиц, присутствующих в образце.

Последйими перестают быть магнитожесткими наиболее крупные частицы и, следовательно, температура,при которой происходит исчезновение петли магнитного гистерезиса характеризует максимальный размер частиц, присутствующих в жидкости.

Считая частицы сферическими (что для магнетита, например, подтверждается данными электронно-микроскопических исследований), из приведен ного выше соотношения определяют минимальный и максимальный размер ферромагнитных частиц в исследуемом образце по формуле: з 504Т1 Я01с1 мин и о макс

II К И температура начала уменьшения площади петли гистереэиса, температура исчезновения петли гистерезиса, константа Больцмана; константа магнитной ани з отропии, з ависящая от материала час. тиц.

1073629 а

Фиг.. я

0/Н, ф, >

С <) с т B, B «I T BJI I Н,. I I ILI H H h li 0 B

Редактор 141. Петрова Техред Л.1>икеш Корректср г Рекетник

TiIPаж 8 2 3 Подпис:- ое

ВПИ1ИПjj Росудс)рствeнн ОГО комитета CCCP по делам изобретений и Открытий

113035, >4осква, "<-35, Раушская наб., д. 4 /5

Заказ 319/41

Фи.;:- ал ППП ."Патент", г.ужгород,, ул. Проектная,. 4

П p H е м р 1. B пробирку помеща10т исследуемый Образ еь1 магнетита,. стабилизированного Олен новой кислоТОЙ, Образ ец слу KHT Ис ХОцНым i

Затем o6pB3 QLE Охлажца10 i дО Т еМПЕратуры жидкого азота, после 1его его помещают в измерителы!ую катушку феррометра Ф-5063 соединенного с

ОсциллОГрафсм И-1 6 z и наб)110да10Т на э1<ране ОсциллОграфа 1<риву10 намаГничивания образца с петлей гистерезиса, Заметное уменьшение площади петли 15 магнитного гистерезиса начинается при 93 К, а полное исчезновение петли гистерезиса наблюда10т при 23 K.

Но 4)ормулам pBOO HTII B10T минималь11ый и максималь ный раз Icp ч астиц маГ нети 2О та, стабилизирован11ых олеиновой кис, лотой:

,:, = о А, 3 „= ьо»

П р и и е р 2. В пробирку наливают исслеДуемый образ ец ферромагEIHT-. ной жидкости и вставляют в нее медьконстантанову 0 термопару, подсоединенную к миллиьольтметру. Намагниченность насыщения образцс13 =70 I<»/м, Пробирку опускают в сосуд с ><идким с азотом (T= 77 К) и держат там до стабил11зсации показаний ра, После этого пробирку вставляют в измеритель ную катушку феррометра

4>-5063, соединенного с осциллографом И-16 и наблюдают на экране кривую намагничивания образца с петлей гистерезиса. Максимальный размер частиц в жидкости определяют пс температуре Hcчезновения петли гистерезиса, которая для исследуемого образца равнялась 143 К. По формуле определяют максималь ный размер частиц магнео тита в жидкостид„01,: — -195 А.

Технико-экономические преимущества предлагаемого способа в сравнении с прототипом (он же принят и за базовый объект) следующее : отпадает необходимость в трудоемкой графической обработке экспериментальных данных, увеличивается точность измерения, так как не используются графические методы, дающие наибольшую погрешность, нет необходимости в создании магнитных полей напряженность|0 до 500 к»/м и выше для достслжения намагниченности. насыщения образца, Кроме того, преимущество способа закл10чается в его экспрессности.

Весь процесс определения предельных размеров .супермагнитных частиц магнита в исследуемом образце занимает не более 10-15 мин.