Методика определения магнитной восприимчивости по методу Гуи-Квинке
Установка для определения магнитной восприимчивости слабомагнитных жидкостей схематически изображена на рис. 25.
Рис. 25. Схема метода Гуи-Квинку.
Она состоит из электромагнита и стеклянной трубки, заполненной частично жидкостью, частично газом (в наших условиях - воздухом). Граница раздела жидкость - газ в узкой части трубки В находится в центре межполюсного пространства. Поверхность жидкости в широкой части сосуда А находится вдали от межполюсного пространства. При пропускании постоянного тока через обмотку электромагнита создается неоднородное магнитное поле вдоль оси трубки В (рис. 26).
Рис. 26. Зависимость магнитного поля H, градиента поля dH/dx и произведения поля на градиент H*dH/dx в межполюсном пространстве электромагнита.
Со стороны этого поля жидкость будет испытывать действие сил вследствие чего уровень жидкости в трубке В изменится. Обратим еще раз внимание на то, что это явление будет наблюдаться только в неоднородном поле. В однородном поле сила, действующая на внесенное в него тело, равна нулю. Поскольку в кювете Квинке площадь резервуара А значительно больше площади трубки В, то изменением уровня в резервуаре А можно пренебречь и считать, что уровень жидкости изменился только в трубке В на величину Δh. Значение Δh измеряется микроскопом.
Таким образом, в трубке В создается добавочное гидростатическое давление
(53)
Сила, действующая на жидкость со стороны магнитного поля, согласно (51) равна
(54)
В уравнении (54) H1 соответствует напряженности магнитного поля, в котором находится жидкость в резервуаре А. Его можно считать равным нулю. Поверхность жидкости в трубке В находится в поле Нmax т.е. в области максимального поля Нmax, создаваемого электромагнитом. Поэтому уравнение (54) принимает вид
(55)
Равновесие наступает, когда сила стороны магнитного поля будет скомпенсирована силами гидростатического давления:
, (56)
где S – площадь трубки B. Согласно (55)
,
откуда объемная восприимчивость.
Для удельной восприимчивости жидкости получим
(в системе СИ) (59)
или
(в системе Гаусса).
Напомним, что в системе Гаусса h измеряется в см, g измеряется в см/с2, Н измеряется в Э (эрстед).
При более строгом выводе формулы следует учесть влияние магнитного поля не только на жидкость, но и на газ, граничащий с жидкостью. В этом случае получается
(60)
где ρг - плотность газа; χг - удельная восприимчивость газа.
Ясно, что поскольку ρг<< ρж, то формула (60) приближенно равна выражению (59).
Физики из Института физики металлов Р. И. Янус и Я. С.Шур разработали методику и изготовили установку для определения восприимчивости инертных газов, используя идею метода Квинке (60). Результаты, полученные в 1937 году, имели фундаментальное значение, т.к. было подтверждено, что все инертные газы являются диамагнитными, а восприимчивость их растет пропорционально квадрату радиуса атома (6) [5].
Для вычисления магнитной восприимчивости растворенного вещества χв по магнитной восприимчивости раствора χрв можно допустить, что магнитная восприимчивость подчиняется правилу аддитивности (смешения). Другими словами, растворитель (вода) и растворенное вещество вносят свой вклад в восприимчивость пропорционально массе, а восприимчивость раствора получается усредненной. Поэтому для определения магнитной восприимчивости растворенного вещества χв зная восприимчивость с-процентного раствора χрв восприимчивость растворителя χр (В нашем случае дистиллированной воды), можно воспользоваться правилом смешения
или
. (61)