Влияние структурообразования в растворе ферромагнитных наночастиц на коэффициент размагничивания образца

Если парамагнитное вещество помещено в однородное внешнее магнитное поле с напряженностью Н 0 , то средняя напряженность Н 1 поля внутри вещества может отличаться от Н 0 : Н 1 = Н 0 – NJ , где N — коэффициент размагничивания образца, J — средняя намагниченность. Значение 0 ≤ N ≤ 1 определяется формой образца. Если парамагнитное вещество помещено в цилиндрическую пробирку с диаметром, значительно меньшим высоты ее заполнения веществом, и осью, параллельной напряженности внешнего поля Н 0 , то N ˂˂ 1 и Н 1 ≈ Н 0 . Это справедливо, если исследуемое парамагнитное вещество однородно. Можно предположить, что если парамагнитные частицы распределены в веществе не равномерно, а сгруппированы в конгломераты, то каждый такой конгломерат имеет отличный от нуля локальный коэффициент размагничивания N лок и локальную намагниченность J лок , поэтому внутри его локальная напряженность поля Н лок = Н 0 – N лок J лок ≤ Н 0 . В результате средняя по объему образца напряженность магнитного поля Н 1 также будет меньше Н 0 . Настоящая работа посвящена проверке этой гипотезы.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА РАЗМАГНИЧИВАНИЯ

Образец парамагнитного вещества помещается в однородное магнитное поле с заранее измеренной напряженностью Н0. Измерить Н1 можно, воспользовавшись тем, что если в образце имеется плоская полость, ориентированная параллельно вектору Н0, то напряженность поля в этой полости равна средней напряженности Н1 внутри образца. Зная Н0 и Н1, находим N = (H0 – H1) / J. Для определения J нужно измерить среднюю индукцию магнитного поля В внутри образца. Это можно сделать, воспользовавшись тем, что если в образце имеется плоская полость, ориентированная нормально Н0, то напряженность поля в этой полости Н2 = В / µ0. Определив Н2 и Н1, находим J = = (В / µ0) – Н1 = Н2 – Н1. В результате получаем

N = ( Н 0 – Н 1 ) / ( Н 2 – Н 1 ). (1)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Исследуемый парамагнитный раствор помещен в две цилиндрические пробирки диаметром 8 мм с плоским дном. Для создания внешнего магнитного поля применена катушка с внутренним диаметром 22 см, питаемая источником стабилизированного тока. Пробирки, заполненные раствором на высоту 80 мм, расположены в центре катушки параллельно ее оси на расстоянии 3 мм между их боковыми поверхностями. Для измерения напряженностей магнитного поля Н 0 , Н 1 , Н 2 имеются 2 датчика ядерного магнитного резонанса. Вблизи центра катушки, в зазоре между пробирками, играющем роль плоской полости, параллельной Н 0 , располагается датчик 1 для измерения Н 1 , а вблизи дна одной из катушек располагается датчик 2 для измерения Н 2 . При отсутствии раствора оба датчика измеряют Н 0 . Применен метод нутации [1]. Датчики 1 и 2 представляют собой миниатюрные радиочастотные катушки 1, 2, намотанные на хлорвиниловую трубку диаметром

2 мм, по которой вода из водопровода протекает из кюветы, расположенной в сильном магнитном поле постоянного магнита (поляризатора) во вспомогательный датчик ЯМР, расположенный в слабом однородном поле другого магнита (анализатора). Вспомогательный датчик присоединен к прибору для регистрации сигнала ЯМР. Катушки 1, 2 присоединены к генератору радиочастоты. Для измерения магнитных полей в местах расположения датчиков 1, 2 генератор поочередно подключается к катушкам 1, 2 и измеряются частоты f 1 (в катушке 1) и f 2 (в катушке 2), при которых сигнал на выходе регистрирующего прибора меняет полярность. Предварительно при отсутствии в пробирках раствора измеряют частоты f 01 , f 02 , находят среднюю частоту f 0 = ( f 01 + f 02 ) / 2, затем, заполнив пробирки раствором, измеряют частоты f 1 , f 2 . Напряженности поля Н 0 , Н 1 , Н 2 связаны с частотами f 0 , f 1 , f 2 : Н 0 = f 0 / ϒ , Н 1 = f 1 / ϒ , Н 2 = f 2 / ϒ , где ϒ = 59.3 Гц∙м / А — гиромагнитное отношение протонов. Выразив в (1) напряженности Н 0 , Н 1 , Н 2 через частоты f 0 , f 1 , f 2 , получаем

N = ( f 0 – f 1 ) / ( f 2 – f 1 ). (2)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследовался суперпарамагнетик в виде коллоидного раствора в воде наночастиц магнетита размером около 10 нм с концентрацией твердой фазы 14 г на 100 мл со стабилизатором на основе олеиновой кислоты. До заполнения пробирок исследуемым раствором, установив в катушке, создающей внешнее магнитное поле, силу тока 140 мА, измерили в радиочастотных катушках датчиков нутации 1-ю и 2-ю резонансные частоты f01 = 85.09 кГц и f02= 85.10 кГц, по которым нашли среднюю частоту поля f0 = (f01 + f02) / 2 = = 85.095 кГц. После этого, заполнив пробирки раствором до высоты 80 см, не меняя силу тока в катушке, создающей внешнее магнитное поле, снова измерили частоты в датчиках 1, 2: f1 = 84.28 кГц, f2 = 91.85 кГц. Подставив полученные экспериментально частоты в (2), находим N = 0.09. У образца в виде цилиндра с отношением длины к диаметру, равным 10, должно быть N0 ≈ 0.02. Полученное экспериментально значение N, большее чем коэффициент размагничивания образца, подтверждает гипотезу о том, что если создающие намагниченность ферромагнитные наночастицы находятся в растворе в виде конгломератов, то напряженность магнитного поля Н1 внутри образца распределена неравномерно: внутри конгломератов, где локальная намагниченность Jлок ≠ 0, Н1 ˂ Н0, а вдали от конгломератов, где Jлок = 0, Н = Н0. В результате средняя по образцу напряженность Н1ср˂ Н0.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученное в длинном цилиндрическом образце, ориентированном параллельньно напряженности внешнего магнитного поля, значение коэффициента размагничивания N ˃ N 0 подтверждает предложенную в работе [2] гипотезу, что на величину коэффициента размагничивания влияет присутствие конгломератов наночастиц.