Способ определения размеров суперпарамагнитных частиц в ферромагнитной жидкости

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН Н 9), 01) 51) 6 01 К 15/00 СОРЫТИЙ г а пи 1 огп е С -Бш.-"1 оГ956, Р 12,де а езиса, при коь петли истерется равГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И О(72) ЮП.Грабовский, Н.М, ЛеденеваВ.Ф.Соколенко и Р.А. Фойгель711 Всесоюзный 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 тепло- физика магнитных жидкостей", Рига, 1980, с. 53-60.2. Веап С.Р. МадпеС 1 с 0гу ап 6 Бпрег - Рагаиа 8 пеС 1Ар 111 ей Рйу е 1 с", ч. 27, 1 р. 1448-1452.3. Бибик Е.Е. и др. Магнитоскопические свойства коллоидов магнетита."Магнитная гидродинамика", 1973, 1,с. 68-72 прототип).54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ СУПЕРПАРАМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ В ФЕРРОМАГНИТОИ ИД)ОСТИ, включающий определение магнитных характеристик образца, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и ускорения измерений, образец ферромагнитной жидкости охлаждают до температуры жидкого азота или гелия, помещают в циклическое перемагничивающее поле, измеряют площадь петли гистерезиса перемагничивания,затем повышают температуру образца, повторяют измерение площадипетли, измеряют температуру, прикоторой начинается уменьшение этойплощади, и температуру, при которойплсщадь петли гистерезиса становитсяравной нулю, после чего по полученньм значениям температуры опредепяют минимальный и максимальный диаметр супермагнитных частиц при помощи соотношений 3 150)сС 1150 сТчн л), ) максТ - т емп ер а тура науменьшения площ петли гистертемпература,торои площадмагнитного гзиса становиной нулю;постоянная Больцманконстанта магнитнойанизотропии, зависящая от материала чагде 10 Если построить зависимость М (Н ") то по наклону касательной и кривои на Фиг. 2 в точке Н = св можно определить минимальный размер 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 глаксимального размера частиц магнетика (а именно, они определяют устойчивость ФМЖ в магнитном поле, поведение и работоспособность жидкостей в различныхприборах и устройствах).Целью изобретения. является повышение точности и ускорение измере- . ний 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 способамизмерения размеров частиц высокодисперсного ферромагнетика в ферромагнитной жидкости(ФМЖ) и может бытьисполь з ов ано для контроля качестваФМЖ на разных стадях ее получения.Известен электронно-микроскопический способ определения размеровчастиц магнетита (30-500 Х 1 А-юР10 и) в ФМ)К. Этот способ заключается в том, что иэ исследуемойФМ)К готовят препарат для электронномикроскопического исследования, помещают его в поле зрения электронного микроскопа и получают электронные фотографии препарата, из которых 15определяют размер частиц магнетита 111Однако э гот способ очень трудоемок, требует сложного дорогостоящего оборудования и высококвалифици- Ярованного обслуживающего персонала,что не позволяет использовать егодля регулярных анализов при синтезе ФМ)К, Кроме того, данный способне может быть использован для определения размеров частиц магнетита.на ранних стадиях получения ФМЖ,Известен также гранулометрический способ определения размеров супермагнитных чатиц, основанный награфической обработке экспериментальной кривой намагничивания образца. Снятие кривых намагничиванияпроводят при различных температурах (Т = 4,2 77 и 200 К) 12 ДГрафическая обработка полученныхэкспериментальных данных являетсятрудоемкой операцией и дает большую погрешность, особенно при определении максимального размера частиц,40Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности и достигаемому результату является гранулометрический способ, при котором такжепроводится графическая обработка 45экспериментальной кривой намагничивания исследуемого образца снятойпри комнатной температуре и имеющей,характерный для супермагнетика вид 3),Измерение намагниченности ФМЖ 50можно проводить различными способами, например баллистическим методомили мет одом в иб рацион ного ма гнет ометра. Меняя напряженность магнитного поля в катушке, где помещен 55исследуемый образец, и по показаниям прибора, регистрирующего напряженность образца, строят кривуюнамагниченности.На Фиг. 1 приведена типичная крйвая намагничивания Ферромагнитнойжидкости.Предлагается простая парамагнитная связь намагниченности коллоидаФМЖ с напряженлостью приложенногополя- 65(о,ЧМ,НМ - намагниченность коллоида ФМЖ;Мсо - намагниченность насыщения коллоиданамагниченность насыщения твердого магнетита,У - объем одной частицы,магнитная постоянная,Н - напряженность магнитного поля;1 (к) - функция Ланжевена.Очевидно, что на начальном участке кривой намагничивания доминирующую роль играют наиболее крупныечастицы, а зависимость намагниченности образца от поля в области насыщения определяется мелкими частицагли.Поэтому в случае достаточно слабогомагнитного поля НА,ФУ)Формула 1 допускает разложение:р,М М Дн лб 1,-1 Из этого выражения по наклонукасательной к начальному участкукривой на,фиг. 2 можно определитьмаксималь ный размер. Когда. магнитноее поле достаточно великонт(р,газ),урав нение 1 упрощаетсягистерезиса перемагни.чивания, затемповышают температуру образца, повторяют измерение площади петли, измеряют температуру, при которой начинается уменьшение этой площади, итемпературу при которой площадьпетли гистерезиса становится равнойнулю, после чего по полученным значениям температуры определяют минимальный и максимальный диаметр супермагнитных частиц при помощи соотношений 5 10 15 20 5 30 35 Щ 45 50 э 15 остс максл 1 60 65 где- температура началауменьшения плоШадипетли гистерезиса,Т - температура, при которой площадь петлимагнитного гистерезиса становится равнойнулю,постоянная Больцмана;К - константа магнитнойанизотропии, зависящая только от материала частиц.Возможность определения предельных размеров супермагнитных частицнепосредственно по температуре, прикоторой начинается уменьшение площади петли магнитного гистерезиса иего полное исчезновение, позволяетувеличить точность и ускорить измерения.Для реализации предлагаемогоспособа выходной сигнал с феррометраподается на осциллограф, на экранекоторого можно наблюдать сразу всюкривую намагничивания исследуемогообразца. Хотя этот прием не используется в способе-прототипе, он хорошо известен и широко применяетсяпри исследовании различных магнитных материалов.Способосуществляют следующимобразом.В пробирку наливают исследуемыйобразец ФМЖ и вставляют термопару,подключают к потенциометру или кмилливольтметру. Затем пробирку стермопарой опускают в сосуд с жидким азотом или гелием и держат тамдо стабилизации показаний потенциометра (милливольтметра). После этогопробирку переносят в измерительнуюкатушку феррометра, соединенного сосциллографом, на экране которогонаблюдают кривую намагничивания образца с петлей гистерезиса. Охлаждение образца до температуры жидкого азота (гелия) можно проводитьнепосредственно 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 (милливольтметром 1 и по ним рассчитывают минимальнып и максимальный размер супер- магнитных 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 ЧК = ЯБ КТ, где 1 - эффективная константа магнитной анизотропии материала частиц, У - объем частиц, к - постоянная Больцмана.Пока площадь петли магнитного гистерезиса остается постоянной, магнитожесткими являются все супер- магнитные 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:д яок г 1 з 15 отмин=, и смакс=Кгде Г,температура начала уменьшения площади петли гистереэиса, температура исчезновения петли гистерезиса,константа Больцмана; константа магнитной ани з отропии, з ависящая от материала час тиц.1073629 г Я Состав:тел. Н,.пи нькТехред П,ггикеш ея;етн в Редакт Заказ 319/41 ТНРаж 82 тВПИИНИ осударст1 о т;,е)та изОбО .13035, Москва, )(Годпис:.: о комитета СССР открытий скал набвенногоетений35 т Рау тнад Шгп ."ПатЕНт", Г.ужГОрсд уЛ. ПроЕКТ Ная,4 П р и е м р 1. В пробирку помещают исследуемтый Образец магнетита, стабилизированного Олеиновой кисло- ТОЙ, ОбРаЗЕЦ СЛУ:1(ИТ ИСХОЦНЫМ МатЕРИ- алом для получения ферромагнитной жидкости, в пробирку вставляют медьконстантановую термопару и подключают ее к милливОльтметру ПП, Затем образец охла)сцаот до температуры жидкого азота, после чего его помещают в измерительную катушку феррометра Ф, соединенного с ОСЦиллографоМ И, и наб)юдают на экране осциллографа кривую намагничивания образца с петлей гистерезиса, Заметное уменьшение площади петли 5 1 агнитного гистерезиса начинается при 93 К, а полное исчезновение петли гистерезиса наблодают при 23 К. ПО ФОРтмУлам Рассч 1 ттвают иинималыыйи максималь ный размер ч астиц маг нети 2 О та, стабилизированных олеиновой кислотой:с ,-ЛО ) 3 -фогт П р и м е р 2. В пробирку наливают исслеДуемый образец т)ерромагнитной жидкости и вставляют тз нее медьконстантановую термопару, подсоединенную к миллиьольтметру. Намагниченность насыщения образцаДО =70 кА/м.Пробирку опускают в сосуд с жидкимц о азотом (Т= 77 Кг и держат там до стабилзации показанИЙ милливольтметра. После этого пробирку вставляют в измерительную катушку феррометра 4)-5063) соединенного с осциллографом Ии наблюдают на экране кривую намагничивания образца с петлей гистерезиса. Максимальный размер частиц в жидкости определяют пс температуре исчезновения петли гистерезиса, которая для исследуемого образца равнялась 143 К. По формуле определяют максималь ный размер частиц магнеотита в жидкости д(:=1 95 А. Технико-экономические преимущества предлагаемого способа в сравнениис прототипом (он же принят и за базовый объект) следующее : отпадаетнеобходимость в трудоемкой графической обработке экспериментальных данных, увеличивается точность измерения, так как не используются графические методы, дающие наибольшую погратНость", нет необходимости в создании магнитных полей напряженностьюдо 500 кгт/м и выше для достижениянамагниченности. насыщения образца,Кроме того, преимущество способазаключается в его экспрессности.Весь процесс определения предельныхразмеров .супермагнитных частиц магнита в исследуемом образце занимает неболее 10-15 мин,