Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

6.5.1.1. Астатический магнитометр

Подвижная часть астатического магнитометра состоит из двух магнитов (стрелок) одинакового размера с равными магнитными моментами. Чтобы общий магнитный момент системы был равен нулю, эти стрелки располагают так, что их полюсы направлены в противоположные стороны. Подобная система называется астатической.

По бокам подвижной системы на одинаковом расстоянии от нее расположены две вертикальные катушки одного и того же размера. Одна из катушек - намагничивающая, другая катушка компенсирует действие первой на магнитную систему. В намагничивающую катушку помещают исследуемый образец так, что его середина находится на одном уровне с центром магнитной системы. Астатическую систему помещают в специальный футляр с отверстием для светового зайчика. Катушки имеют две степени свободы. Это дает возможность точно уравновесить действие катушек на подвижную систему и фиксировать только то отклонение, которое обусловлено намагниченностью образца.

Для того чтобы исключить действие вертикальной составляющей земного поля на образец, катушки имеют дополнительные обмотки, через которые пропускается постоянный ток определенной величины. Магнитное поле этого тока компенсирует вертикальную составляющую поля Земли. Рассмотренная нами астатическая система в однородном магнитном поле находится в равновесии.

В случае действия на астатическую систему неоднородного магнитного поля, например внешнего магнитного поля намагничивающего образца, появится вращающий момент. Вращающий момент возникает только от действия горизонтальной составляющей неоднородного магнитного поля образца. Этот момент будет максимальным в том случае, если угол между направлением этой составляющей и направлением оси стрелок равен 90°. Вращающий момент будет увеличиваться с рос-

306

том намагниченности образца и будет тем больше, чем меньше расстояние между системой и образцом по сравнению с расстоянием между полюсами образца. При увеличении этого расстояния значение горизонтальной составляющей магнитного поля образца уменьшается и вместе с этим уменьшается вращающий момент, действующий на подвижную систему.

Как мы уже отмечали, магнитное поле Земли на астатическую систему не действует, поэтому начальное положение стрелок астатического магнитометра может быть произвольным. Определение намагниченности при помощи астатического магнитометра осуществляется нулевым методом, т. е. измеряется не угол поворота системы, а сила тока во вспомогательной катушке, при помощи которого достигается возвращение подвижной системы, отклонившейся под действием поля образца, в исходное состояние.

На рис. 6.7 показана принципиальная схема магнитометрической установки. Прежде чем начать измерения на астатическом магнитометре, следует убедиться, что. намагничивающая и компенсирующая катушки установлены правильно, т. е. их магнитные поля взаимно компенсируются. Для этого в намагничивающую цепь этих катушек включают ток максимальной величины и замечают отклонение подвижной системы магнитометра. Если это отклонение превышает 2-3 мм, то смещением компенсирующей катушки добиваются по возможности минимального отклонения. После этого через катушки W1 и W2 пропускают ток определенной величины, чтобы вертикальная составляющая напряженности магнитного поля Земли была скомпенсирована. Для проверки в катушку помещают измеряемый образец и производят размагничивание образца при включенных

катушках W1 и W2.

Если после размагничивания подвижная система магниитометра возвращается в первоначальное положение, то направление и сила тока в катушках W1 и W2 выбраны пра-

307

вильно. В противном случае нужно откорректировать ток в катушках W1 и W2 или изменить его направление.

Рис. 6.6. Принципиальная схема магнитометрической установки: N1 - намагничивающая катушка магнитометра; N2 - катушка, которая компенсирует действие намагничивающей катушки на подвижную систему; W1 и W2 - катушки для компенсации вертикальной составляющей земного поля; K1 - переключатель в намагничивающей цепи; R1 - реостаты в цепи катушек N1 и N2; A1 - амперметр в намагничивающей цепи; Кс — компенсирующая катушка; К2 - переключатель в цепи катушки Кc; A2 — амперметр в цепи катушки KC ; R2 — реостат в цепи катушки Kс; К3 - ключ в цепи катушек W1 и W2; Aз

— амперметр в цепи катушек W1 и W2; R3 — реостат в цепи

катушек W1и W2; D — демпфер

308

При определении намагниченности образца для каждого значения намагничивающего поля требуется проводить магнитную стабилизацию. Для этой цели магнитное поле в катушке несколько раз меняется по направлению при помощи ключа К1. Только после этого можно начать измерения намагниченности при данном значении поля. Для каждого значения намагничивающего поля измерение проводят для двух направлений и не менее двух раз.

Для получения намагниченности образца нужно отградуировать астатический магнитометр. Градуировка магнитометра выполняется вспомогательной катушкой, которая должна давать точно такое же распределение магнитного поля в пространстве, как и исследуемый образец. Иногда градуировку выполняют другим способом. Для этого предварительно определяют каким-либо точным методом кривую намагничивания образца, которую дают в качестве эталона. Этот образец, имеющий ту же длину и тот же диа-метр, как и измеряемый, помещают в намагничивающую катушку образца. Пропуская ток через компенсирующий соленоид, сводят отклонение подвижной системы магнитометра к нулю, при этом фиксируют значение тока при данном положении подвижной системы. По графику кривой намагниченности эталона находят значение намагниченности JH, соответствующее данному магнитному полю Н намагничивающей катушки, и определяют градуировочный коэффициент магнитометра

Для большей точности следует провести измерения при нескольких значениях тока. Зная градуировочный коэффициент k и ток ik в компенсирующем соленоиде, можно по формуле (6.44) определить кривую намагниченности исследуемого образца.

Для определения кривой намагничивания исследуемого образца градуировочную катушку вынимают из намагничиваю-

309

щего соленоида и на ее место помещают образец. Ключом К1 включают в катушках W1 и W2 ток такой величины и такого направления, чтобы вертикальная составляющая напряженности земного поля была скомпенсирована. Затем приступают к размагничиванию образца. Если после размагничивания образца подвижная система магнитометра вернется в первоначальное положение, то можно приступать к измерению. В случае невыполнения этого условия размагничивание образца следует повторить еще раз. После этого включением тока в обмотку катушки N1 создается небольшое магнитное поле Н1. В результате этого образец намагничивается, и подвижная система астатического магнитометра отклоняется на некоторый угол . Пропуская ток через компенсирующий соленоид, добиваются возвращения подвижной системы в нулевое положение.

Значение тока, при котором отклонение системы будет равно нулю, измеряется прибором A2. Зная ранее определенные значения градуировочного коэффициента k и тока iс, по формуле M = kic находят величину магнитного момента М1 образца при магнитном поле Н1. Затем увеличивают ток в намагничивающей катушке и измеряют магнитный момент при значении поля Н2 .

6.5.1.2. Вибрационный магнитометр

Для измерения магнитных свойств ферромагнитных и слабомагнитных веществ в виде тонких пленок часто используют вибрационный магнитометр, структурная схема которого приведена на рис. 6.8.

Образец, закрепленный на штоке (10), располагается между двумя катушками (7), которые находятся в зазоре электромагнита (5). От генератора (6) гармонический сигнал частотой 67 Гц и амплитудой 10 вольт подается на электромагнит (1), который возбуждает вертикальные гармонические колебания образца, с частотой задаваемой генератором. Колебания штока контролируются с помощью

310