Определение магнитной восприимчивости слабомагнитных микрочастиц

Цель работы: Научиться определять магнитную восприимчивость диа- и парамагнитных частиц с помощью изучения магнитофоретического движения.

Оборудование: Электромагнит, источники тока, микроскоп, магнитофоретическая ячейка, цифровой фотоаппарат (с возможностью съемки 30 кадров/сек.), амперметр, измеритель магнитной индукции (тесламетр).

Теоретическая часть

Макроскопический магнитный момент микрочастиц возникает под действием внешнего магнитного поля в результате ларморовской прецессии электронных орбит, а также ориентирования ненулевых магнитных моментов структурных единиц. Первая составляющая магнитного момента направлена навстречу полю (диамагнетизм), а другая вдоль поля (парамагнетизм). Магнитное состояние макроскопически однородного тела характеризуют вектором намагниченности , численно равным магнитному моменту единицы объема. В достижимых обычными техническими средствами магнитных полях намагниченность диа- и парамагнитных веществ является линейной функцией напряженности поля:

.      (1)

Магнитная восприимчивость  положительна у парамагнитных и отрицательна у диамагнитных веществ. Абсолютная величина магнитной восприимчивости диа – и парамагнетиков составляет значения порядка 10-6 (ед. СГСМ), ничтожно малые по сравнению с восприимчивостью ферромагнитных материалов ().

Согласно электродинамике сплошных сред, на тело объемом V, обладающее магнитной восприимчивостью  и помещенное в среду с восприимчивостью  в неоднородном магнитном поле , масштаб неоднородности которого велик по сравнению с размерами тела, действует электродинамическая сила

 () .            (2)

Поведение взвешенной в жидкости частицы под действием магнитного поля обычно изучают путем микроскопирования на фоне гравитационного оседания в узком канале. Уравнение движения частицы записывают в безинерционном приближении из условия взаимной компенсации магнитной, седиментационной и вязкой сил:

.    (3)

Здесь  ¾ диаметр частицы,  ¾ вязкость жидкости,  ¾ радиус-вектор, проведенный из начала координат в центр частицы,  ¾ вектор ускорения свободного падения,  ¾ разность плотностей частицы и жидкости,  ¾ коэффициент формы частицы, равный единице для сферы.

Строго говоря, уравнение (3) справедливо для уединенной частицы, находящейся в неограниченном объеме жидкости. На практике для исключения взаимного гидродинамического влияния частиц их объемная концентрация в суспензии составляет 0.05% и менее. Существенное влияние на вязкое сопротивление движению уединенной частицы могут оказывать стенки канала. В рассматриваемой методике этот источник погрешности удается исключить.

Магнитофоретическая ячейка (рис. 1а) включает U – образный вертикальный канал, измерительное плечо 1 которого примыкает к прямоугольному магнитному стержню 2. Исследуемая суспензия подается через уравновешивающее плечо 3 канала. Горизонтальное сечение ячейки изображено на рис. 1б.

1 – измерительное плечо канала, 2 – магнитный стержень, 3 - уравновешивающее плечо канала, 4 – стеклянные пластинки, 5 – вставки из покровного стекла, 6 - торцевые уплотнения.

Рис. 1

Благодаря вставкам 5 ширина измерительного канала гораздо меньше толщины магнитного стержня. ............