11429

ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ПАРАМАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ КВИНКЕ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа №17 ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ПАРАМАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ КВИНКЕ ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Овладеть методом Квинке для определения магнитной восприимчивости парамагнитной жидкости. Определить удельную магнитную восприимчивость раст...

Русский

2013-04-07

623 KB

29 чел.

Лабораторная работа №17

ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ПАРАМАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ КВИНКЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

  1.  Овладеть методом Квинке для определения магнитной восприимчивости парамагнитной жидкости.
  2.  Определить удельную магнитную восприимчивость раствора хлорного железа.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

  1.  Система сосудов.
  2.  Электромагнит.
  3.  Измерительный микроскоп  МИР- 2.
  4.  Амперметр  Э-54(10 А).
  5.  Тесламетр Т-3.
  6.  Дистиллированная вода.
  7.  Сухое хлорное железо.
  8.  Источник питания - ВСА-4.
  9.  Ключ.
  10.  РНШ.

ТЕОРИЯ МЕТОДА

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются,  т. е все вещества являются магнетиками, однако процесс и характер намагничивания различен у различных веществ.

Магнитный момент атома  определяется спиновым и орбитальным моментами его электронов. Если магнитный момент атомов данного вещества отличен от нуля, т. е атомы обладают собственным магнитным моментом, то вещество относится к парамагнетикам или ферромагнетикам. Если у атомов вещества суммарный магнитный момент равен нулю, то вещество относится к диамагнетикам.

Количественной мерой намагничивания является вектор намагничивания  (или намагниченность).

Вектором намагничивания  называется магнитный момент единицы объема магнетика

 (1)1

Вектор намагничивания  зависит от внешнего поля и индивидуальных свойств магнетика. В Си эта зависимость имеет следующий вид:

J=0H   (2),

где- магнитная восприимчивость - скалярная величина, зависящая от рода магнетика и его состояния. Чтобы вектор намагничивания  выражался по формуле (2), использовалось в (1) выражение кулоновского магнитного момента

Намагничивание диамагнетиков объясняется возникновением прецессии электронных орбит в магнитном поле, в результате чего изменяется полная угловая скорость движение электронов в атоме, а следовательно и магнитный момент орбитального движения электрона.  Если магнитное поле перпендикулярно плоскости орбиты, то прецессия не возникает, а происходит только изменение угловой скорости вращения электрона по орбите, что тоже ведет к изменению орбитального магнитного момента. Все наведенные таким образом изменения магнитного моментов направлены против намагничивающего поля, т.е. магнитная восприимчивость диамагентиков отрицательна(<0), вектор намагничивания J направлен против внешнего поля. Характерной особенностью диамагнетизма является независимость  этого эффекта от температуры.

Так как прецессию в магнитном поле испытывают электроны любого атома, то диамагнетизм присущ всем без исключения веществам, но в парамагнетиках и ферромагнетиках эффекты парамагнетизма и ферромагнетизма значительно сильнее, что ведет к компенсации эффекта диамагнетизма.

Парамагнетики намагничиваются во внешнем магнитном поле по направлению поля. В отсутствии внешнего магнитного поля парамагнетик немагнитен. Атомы парамагнетиков обладают собственным магнитным моментом, но ориентация моментов в пространстве имеет хаотический характер, так что парамагнетик не обладает магнитной структурой, присущей, например, ферромагнетикам.

Под действием внешнего поля магнитные моменты ориентируются преимущественно по направлению поля. В результате парамагнетик приобретает намагниченность J.

Ориентации магнетиков препятствует тепловое движение. Поэтому магнитная восприимчивость  у парамагнетиков убывает с ростом температуры:

=()  (3).

Ее абсолютное значение невелико( смотри таб.1), в слабых полях она не зависит от напряженности магнитного поля, но очень сильно зависит от температуры. Парамагнитными свойствами обладают многие элементы в металлическом состоянии, соли группы железа, группа редкоземельных элементов от Gd до Yb, группы актиноидов и водные растворы этих солей, ряд комплексных соединений. Существуют парамагнетики, у которых парамагнетизм обусловлен магнитным моментом атомных ядер (например, 3Не при   Т<0,1 K). Парамагнетиком становятся ферро-, ферри- или антиферромагнетные вещества при температурах, превышающих температуру Кюри (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние).

Таблица 1

Магнитная восприимчивость некоторых веществ

Вещество

106

Вещество

106

Al

16,7

O2

3396

Li

24,6

NO

1461

Na

16,1

MnO

4850

K

21,35

CuCl2

1080

Ti

161,0

FeCl3

14750

V

296,0

NiSO4

4005

U

414,0

Dy2(SO4)3 8H2O

92760

Pu

627,0

HO2(SO4)38H2O

91600

Анализ исследования огромного числа самых разнообразных веществ показывает, что намагниченность любого тела есть результат взаимного наложения диамагнетизма и парамагнетизма. Превышение одного эффекта над другим относит тело к одному из двух упомянутых выше классов веществ.

В металлах и полупроводниках наряду с диамагнетизмом атомов имеет место так же диамагнетизм электронов проводимости, так называемый диамагнетизм Ландау. В результате этого эффекта электроны проводимости во внешнем магнитном поле двигаются по спиральным квантованным орбитам

Наличие у электронов проводимости, собственного магнитного момента приводит к появлению парамагнетизма Паули (спинового парамагнетизма). В результате этого эффекта во внешнем магнитном поле происходит ориентация спиновых моментов свободных электронов в направлении поля. Однако расчеты показывают, что диамагнетизм Ландау в несколько раз меньше спинового парамагнетизма, поэтому электронный газ в металлах всегда парамагнитен.

В данной работе изучаются парамагнитные  свойства хлорного железа FeCl3 методом Квинке. Раствор этой соли в воде является примером сильного парамагнетика. Метод Квинке основан на том, что в сильно неоднородном магнитном поле на молекулярные токи действуют силы, которые заставляют подниматься жидкость в капилляре.

Установка для реализации метода Квинке выглядит следующим образом: между полюсами электромагнита помещается U - образная стеклянная трубка с водным раствором хлорного железа. Капиллярное колено этой трубки располагается в магнитном поле таким образом, чтобы мениск жидкости находился в области с максимальным градиентом напряженности, а широкое колено - вне поля. Неоднородное магнитное поле создается благодаря использованию полюсных наконечников с заостренными краями.

Рис. 1

Рассмотрим силы, действующие со стороны магнитного поля на элементарные токи в растворе. Эта задача аналогична задаче о поведении витка с током в неоднородном магнитном поле (рис. 1).

Виток с током, находящийся в неоднородном поле, втягивается в область более сильного поля с силой

f= М    (4),

пропорциональной градиенту напряженности магнитного поля. В соответствии с этим на жидкость в объеме dV, находящуюся в неоднородном поле (рис 2), будет действовать сила:

dF=JSdx  (5),

где Sdx = dV, а J=0H.

Сила, действующая на всю жидкость, равна:

F=  (6).

Под действием этой силы жидкость будет втягиваться в межполюсное пространство магнита, причем втягивание будет происходить до тех пор, пока давление, создаваемое силой F, не уравновесится гидростатическим (рис 2). При этом:

  (7),

откуда       (8),

где  - плотность жидкости,

h - высота поднятия жидкости в магнитном поле.

Рис 2.

Удобнее вычислять удельную магнитную восприимчивость у, которая связана с магнитной восприимчивостью следующим соотношением:

  (9),

откуда          (10).

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

  1.  Тщательно промыть стеклянный сосуд вначале спиртом, а затем дистиллированной водой.
  2.  Приготовить свежие растворы хлорного железа различной концентрации (см. табл. 2).

  Таблица 2

Вода дистилиров.

Хлорное железо

FeCl3

Концентра-

ция.

0.11г

10%

0.25г

20%

0.43г

30%

0.67г

40%

Собрать цепь по приведенной ниже схеме2.

Налить в сосуд раствор хлорного железа. Установить капиллярную трубку с раствором между полюсами электромагнита и расположить отсчетный микроскоп в штативе таким образом, чтобы на шкале был виден мениск жидкости в капилляре. Определить цену деления микроскопа из табл. 3.

Таблица 3

Длина тубуса,

мм

Цена деления,

мм

130

0,058

140

0,053

150

0,049

160

0,045

170

0,041

180

0,038

190

0,036

  1.  Пропуская ток через обмотку электромагнита, произвести измерения h- высоты поднятия жидкости для различных значений напряженности поля, для чего необходимо изменять ток через магнит от 7 А до  3 А.3

Тесламетром измерить индукцию магнитного поля при соответственных токах в магните и, воспользовавшись формулой Н=В/0 (0=4*10-7 Гн/м), рассчитать напряженность магнитного поля.

По полученным данным определить значение  удельной магнитной восприимчивости жидкости по формуле(10).

Произвести измерения h с раствором другой концентрации.

Все данные занести в таблицы 4, 5 в зависимости от количества исследуемых растворов.

Таблица 4(5)

№№

I, (A)

B, (Тл)

Н, (А/м)

h, (м)

у,(м3/кг)

1

7

2

6

3

5

4

4

5

3

  1.  Оценить погрешность измерений , для этого получить формулу погрешности из формулы (10).

Сравнить полученные результаты с табличными (см. Калашников   “Электричество”. 1985 г. стр. 221).

Объяснить результаты сравнения, используя соображения, указанные в “Примечаниях”.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Какие вещества называются магнетиками?
  2.  Как классифицируются магнетики? Какие вещества называются диамагнетиками, парамагнетиками?
  3.  Дайте определение магнитной восприимчивости веществ.
  4.  Охарактеризуйте сущность метода Квинке.
  5.  Как связаны магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость веществ?

Примечание

  1.  Нередко случается, что исследуемые растворы содержат следы ферромагнитных примесей. Это проявляется в зависимости величины магнитной восприимчивости от внешнего магнитного поля. Эти примеси могут находиться как в растворителе, так и в растворимом веществе, поэтому  дистиллированная вода должна быть, как минимум, бидистиллятом. Если невозможно удалить примеси из образца химическим путем, то поступают следующим образом: строится график зависимости =f(1/H). Экстраполируя прямолинейный участок зависимости  на 1/H=0 получим величину, относящуюся только к парамагнитной части исследуемого материала, свободную от ферромагнитных примесей (рис.3).

                                              эк

                                             дей

                                                                                                 1/H

Рис. 3.

  1.  При выполнении работы необходимо учитывать тот факт, что при взаимодействии хлорного железа с водой происходит реакция гидролиза, уравнение которой имеет следующий вид:

FeCl3+H20Fe(OH)Cl2+HCl,

Fe3++3Cl-Fe(OH)2++3Cl-+H+,

Fe3++HOHFe(OH)2++H+.

В результате протекания описанных реакций железо из трехвалентного состояния переходит в двухвалентное, что равносильно уменьшению концентрации раствора FeCl3. Для уменьшения этого эффекта раствор хлорного железа необходимо готовить непосредственно перед применением в работе.

  1.  Диаметр трубки, помещенный в магнитное поле, должен не превышать 2-3 мм, но и не быть очень малым, чтобы не мешали капиллярные эффекты.
  2.  Очищенная трубка после выполнения лабораторной работы должна постоянно находиться в дистиллированной воде.
  3.  Необходимо исключить металлические держатели в установке. Лучше всего закрепить в штативе деревянный держатель для сообщающихся сосудов.

1 М=0iS -кулоновский магнитный момент замкнутого тока i;


 М=iS - амперовский магнитный момент замкнутого тока, охватывающего площадь S.

2 Можно регулировать величину тока в цепи не с помощью реостата, а с помощью РНШ, к которому подключить выпрямитель ВСА-4

3 Поле электромагнита вследствии гистерезиса в его магнитопроводе не является однозначной функцией силы тока в обмотке. Чтобы исключить эту неоднозначность, нужно работать на нисходящей ветви гистерезиса. Для этого при каждом включении электромагнита сначала доводят его намагничивающий ток до максимума и лишь затем плавно сбавляют до требуемой величины.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7662. Міжнародна інформація 48 KB
  Міжнародна інформація Знайти визначення: що таке інформаційний простір, які різновиди інформаційного простору, його поділ, інформаційна інтервенція, інформація та комунікація. Інформація як наука. Інформація - глобальна проблема. Інформаційний ...
7663. Новітня історія зарубіжних країн 80.5 KB
  Новітня історія зарубіжних країн Створення версальсько-вашингтонської системи Підсумки та наслідки першої світової війни. Плани великих держав щодо мирного врегулювання та післявоєнної організації світу. Паризька мирна конференція...
7664. Професійна етика журналіста 57.5 KB
  Професійна етика журналіста Мораль як предмет етики - це сукупність правил і норм поведінки, якими людина керується у своєму житті. Вони регулюють ставлення людей одне до одного в приватному спілкуванні, колективі, суспільстві. Співжиття за мор...
7665. Робота міжнародного відділу ЗМІ 35 KB
  Робота міжнародного відділу ЗМІ Фахівцем у галузі міжнародної журналістики є Слісаренко, тому варто читати його матеріали, також Коркушко, Андрушко, Лещєнко, Наєм. Три ключові питання для журналіста-міжнародника при підготовці до написання матеріалу...
7666. Соціологія журналістики 60.5 KB
  Соціологія журналістики Соціологія як наука. Предмет, об’єкт, закони й категорії соціології. Структура і функції соціології як науки. Основні етапи й тенденції розвитку соціологічної думки. В середині 30-х рр.. 19 ст. постала...
7667. Художньо-публіцистичні жанри 66.5 KB
  Художньо-публіцистичні жанри Написати два повноцінних нариси та два повноцінних есе. Прикладів шукати не треба, лише для себе. Забужко Мова і влада - почитати і порефлексувати (письмово). Взяти будь-який публіцистичний матеріал і визначити, які оц...
7668. Языкознание как наука 83.5 KB
  Языкознание как наука. Языкознание - наука о языке, его происхождении, свойствах и функциях. Языкознание - одна из древнейших отраслей знаний. Возникло с появлением школ ок. 3 тыс. до н.э. Возникновение первых словарей, грамматик. Подлинно...
7669. Планування цехів та служб підприємства 26.96 KB
  Планування цехів та служб підприємства Під генеральним планом розуміється план розташування на ділянці всіх будівель підприємства, споруд і пристроїв (складських, транспортних, енергетичних, інженерно- і санітарно- технічних), зелених насаджень і о...
7670. Поняття і види операцій на виробничому підприємстві 24.02 KB
  Поняття і види операцій на виробничому підприємстві Системні властивості часових звязків виявляються в зєднанні речових елементів процесу в просторі і в часі таким чином, щоб функціонування елементів системи (підрозділів підприємства) за...