Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

полей (105-107 А/м), в то время как тонкопленочные магниторезисторы больше подходят для регистрации слабых магнитных полей.

6.4. Методы измерения парамагнитной и диамагнитной восприимчивости

6.4.1. Диамагнетизм и парамагнетизм

К диамагнетикам относятся все инертные газы, многие металлы (медь, серебро, цинк и др.) и некоторые металлоиды (кремний, фосфор и др.). Атомная магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна, по абсолютной величине очень мала и практически не зависит от температуры.

Согласно классической теории диамагнитные свойства слабовзаимодействующих атомов и молекул появляются в результате того, что электронная оболочка их начинает прецессировать вокруг направления постоянного магнитного поля с некоторой угловой скоростью. В результате этого появляется дополнительный магнитный момент, направленный против поля. Атомная диамагнитная восприимчивость в этом случае определяется по формуле

Парамагнитными свойствами обладают те вещества, атомы которых имеют постоянный магнитный момент независимо от наличия внешнего магнитного поля. Тепловое движение мешает ориентации этих магнитных моментов. Поэтому намагниченность у парамагнетиков возникает только при действии внешнего магнитного поля, при этом линейно зависит от Н. Порядок величины восприимчивости парамагнетиков = 10-3 - 10-6.

301

Классическая и квантовомеханическая теория парамагнетизма приводят к одному и тому же выражению для парамагнитной восприимчивости, которая подчиняется закону Кюри:

где g - фактор Ланде, N – число магнитных моментов в единице объема, - магнетон Бора, k - постоянная Больцмана, j - квантовое число, равное векторной сумме орбитального квантового числа l и спинового квантового числа s.

6.4.2. Методы измерения магнитной восприимчивости

Методы измерения магнитной восприимчивости слабомагнитных веществ могут быть разбиты на две группы. К первой группе относят методы, основанные на измерении механической силы, которая действует на образец, помещенный в неоднородное магнитное поле. В этом случае на тело с магнитным моментом М в неоднородном магнитном поле действует сила, составляющая которой по оси ( = х, у, z) равна

d

Так как магнитный момент определяется формулой

или

302

где т - масса образца, - удельная намагниченность, то соотношение (6.14) при =Z можно записать в виде

Таким образом, измерив величину силы fz и зная mHdH/dZ, можно найти значение магнитной восприимчивости исследуемого образца.

В методе Фарадея исследуемый образец помещается непосредственно в область максимального градиента поля и размер образца выбирается таким, чтобы в его объеме градиент поля существенно не изменялся. В настоящее время имеются различные модификации метода Фарадея, которые отличаются только способом измерения силы, действующей на образец.

Относительные измерения можно проводить без определения величин mHdH/dZ. В этом случае используется вещество с известной магнитной восприимчивостью, тогда

i э mmi , (6.18)

э

где i и э - соответственно удельная восприимчивость исследуемого вещества и эталона, тi и mэ - масса исследуемого вещества и эталона. При проведении относительных измерений следует помнить, что исследуемое вещество и эталонный образец всегда должны помещаться в одну и ту же область поля с заданным значением dH/dZ.

Если нельзя пренебречь напряженностью поля у внешнего конца образца и восприимчивостью окружающей среды, то вместо формулы (6.17) следует пользоваться более точной формулой, а именно

303

где i и 2 - объемная восприимчивость образца и окружающей среды.

В методе Гуи длинный цилиндрический образец подвешивают между полюсами электромагнита таким образом, что один его конец находится вне электромагнита, где напряженность поля очень мала, а другой располагается в области центра с максимальной напряженностью. На образец будет действовать сила, направленная вдоль длины его в сторону увеличения магнитного поля. Эта сила равна

Если нельзя пренебречь напряженностью поля у внешнего конца образца и восприимчивостью окружающей среды, то вместо (6.20) следует пользоваться более точной формулой

где 1 и 2 - объемная восприимчивость образца и окружающей среды, Н1 и Н2 - значения напряженности магнитного поля соответственно в точках l = 0 и l = L (L - длина образца).

При измерении восприимчивости методом Гуи используют цилиндрические образцы. Если нужно измерить восприимчивость порошкообразных образцов, применяют стеклянные ампулы, заполненные исследуемым веществом. Точность измерения порошкообразных образцов составляет около 1 %. Для определения восприимчивостей жидкостей также можно пользоваться стандартными стеклянными ампулами длиной приблизительно 15 см и диаметром 2 - 3 см. Обычно берут ампулы, размеры которых соответствуют расстоянию между полюсами электромагнита. Для прецизионных измерений часть ампулы заполняют исследуемым веществом, а в другую

304

часть, отделенную от первой стеклянной перегородкой, помещают эталонный образец. Эта ампула располагается между полюсами электромагнита так, что граница между двумя веществами находится в максимальном магнитном поле, а концы ампулы - в том месте, где поле пренебрежимо мало. Если измерения проводят при различных температурах, то нижняя часть ампулы должна иметь небольшой балластный объем.

Для определения силы, действующей на исследуемое вещество, можно использовать обычные аналитические или демпферные микровесы. Сила в методе Гуи может достигать величины порядка 10-2-10-3 Н.

6.5. Методы измерения параметров ферромагнитных веществ 6.5.1. Магнитометрический метод

Магнитометрический метод измерения магнитных свойств вещества основан на магнитном взаимодействии намагниченного образца и подвижной магнитной стрелки. Намагниченность образца определяют по углу отклонения магнитной стрелки от своего первоначального положения. При этом образец и магнитная стрелка должны быть расположены определенным образом по отношению друг к другу. В экспериментальной практике магнитных измерений наибольшее распространение получили два способа взаимного расположения магнитов, которые называются первым и вторым г а у с с о в ы м и п о л о ж е н и я - м и .

При первом гауссовом положении образец и магнитная стрелка расположены так, что центр стрелки лежит на продолжении оси образца. При втором гауссовом положении образец и стрелка располагаются так, чтобы ось образца была перпендикулярна к линии, соединяющей его центр с магнитной стрелкой. На практике наибольшее применение получили измерения магнитных свойств с помощью астатического и вибрационного магнитометра.

305