О методе дифференциальной прогонки для получения кривых намагничивания ферроколлоидов

Цель. Обоснование и описание лабораторного метода измерения кривых статического намагничивания, специализированного для ферроколлоидов.
Методы. Метод измерения основан на парамагнетизме магнитных коллоидов, а также квазилинейном отклике их намагниченности на малые возмущения внешнего магнитного поля. Для получения кривой намагничивания исследуемый образец ферроколлоида помещается в постоянное однородное поле лабораторного электромагнита с железным ярмом. Путём низкочастотной модуляции тока в катушках электромагнита на постоянное поле накладывается сонаправленное с ним возмущение. Информация об отклике образца на возмущение внешнего поля – дифференциальной магнитной восприимчивости ферроколлоида – собирается при помощи электрических измерений. Эти измерения проводятся с использованием классической компенсационной схемы из двух встречновключенных катушек, в одной из которых находится исследуемый образец. Проведение (прогонка) измерений в широком диапазоне приложенных полей позволяет набрать последовательность экспериментальных значений дифференциальной восприимчивости, из которой путём численного интегрирования восстанавливается искомая кривая намагничивания.
Результаты. Собрана экспериментальная установка для измерения кривых намагничивания ферроколлоидов. Предложено теоретическое описание компенсационной электрической измерительной схемы установки. Настройка схемы осуществлена в рамках серии калибровочных опытов, направленных на установление неизвестных из теории материальных параметров установки. На примере ферроколлоида типа «магнетит – керосин – олеиновая кислота» продемонстрирован как процесс получения первичных экспериментальных данных, так и их последующая обработка, включающая в себя процедуру численного интегрирования. Установлено, что использование методов интегрирования бо́ льшего порядка точности позволяет уменьшить количество необходимых экспериментальных точек и ускорить процесс измерения без снижения качества получаемых кривых.
Заключение. Описан, обоснован и реализован с использованием лабораторного оборудования пригодный для ферроколлоидов метод измерения кривой намагничивания дифференциальной прогонкой.

1. Розенцвейг Р. Феррогидродинамика. М.: Мир, 1989. 356 с.

2. А.с. 457666 СССР, МПК С01G 49/08. Способ получения феррожидкости / Бибик Е. Е., Лавров И. С.; заявитель Ленинградский институт им. Ленсовета. № 1801123 23-26; заявл. 22.06.72; опубл. 25.01.75, Бюл. № 3. 2 с.

3. Шлиомис М. И. Магнитные жидкости // Успехи физических наук. 1974. Т. 122, № 2. С. 427-458. https://doi.org/ 10.3367/UFNr.0112.197403b.0427.

4. Сайкин М. С. Герметизаторы на основе магнитной наножидкости для валов химических реакторов // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2010. № 4. С. 44–47.

5. Патент № 2721400 Российская Федерация, МПК F16J 15/40. Магнитожидкостное уплотнение вала электродвигателя / Власов А. М., Казаков Ю. Б., Полетаев В. А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО ИГЭУ им. Ленина. № 2019133087; заявл. 16.10.19; опубл. 19.05.20, Бюл. № 14. 9 с.

6. Kazakov Yu. B., Filippov V. A. Calculation of the performance of the electromagnetic magnetic fluid separator non-magnetic materials // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. Vol. 950. Р. 012003. https://doi.org/10.1088/1757-899X/950/1/012003.

7. Lian W., Xyan Y., Li Q. Design method of automatic energy transport devices based on the thermomagnetic effect of magnetic fluids // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2009. Vol. 52. P. 5451–5458. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.04.031.

8. A magnetic nanofluid device for excellent passive cooling of light emitting diodes / V. B. Varma, S. K. Cheekati, M. S. Pattanaik, R. V. Ramanujan // Energy Reports. 2022. Vol. 8. P. 7401–7419. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.05.237.

9. Патент № 167814 Российская Федерация, МПК G01C 9/20. Магнитожидкостное устройство для определения угла наклона / Лагуткина Д. Ю., Сайкин М. С.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО ИГЭУ им. Ленина. № 2016135187; заявл. 29.08.16; опубл. 10.01.17., Бюл. № 1. 6 с.

10. Патент № 208162 Российская Федерация, МПК G01H 11/02. Устройство для измерения вибраций / Сайкин М. С., Федосеева В. П.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО ИГЭУ им. Ленина. № 2021114433; заявл. 20.05.21; опубл. 06.12.21, Бюл. №34. 6 с.

11. Пшеничников А. Ф., Силаев В. А., Авдеева Л. А. Магнитогранулометрический анализ ферроколлоидов // Приборы и методы измерения физических параметров ферроколлоидов: сборник научных трудов. Свердловск: УрО АН СССР, 1991. С. 3–8.

12. Иванов А. С., Пшеничников А. Ф. Расслоение магнитной жидкости в градиентном магнитном поле // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. 2009. Вып. 1(27). С. 45-48.

13. Monapatra D. K., Camp P. J., Philip J. Influence of size polydispersity on magnetic field tunable structures in magnetic nanofluids containing superparamagnetic nanoparticles // Nanoscale Advances. 2021. Vol. 3, рр. 3573–3592. https://doi.org/10.1039/dlna00131k.

14. Лебедев А. В. О непригодности вибрационного магнитометра для измерения кривых намагничивания магнитных жидкостей // Вестник Пермского университета. Физика. 2022. № 2. С. 20-25. https://doi.org/10.17072/1994-3598-2022-2-20-25.

15. Лахтина Е. В., Пшеничников А. Ф. Дисперсия магнитной восприимчивости и микроструктура магнитной жидкости // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. 2005. № 1. С. 85–89.

16. Пшеничников А. Ф., Лебедев А. В. Магнитная восприимчивость концентрированных ферроколлоидов // Коллоидный журнал. 2005. Т. 67, № 2. С. 1–13. https://elibrary.ru/item.asp?id=9142952.

17. Пшеничников А. Ф. Физические свойства и наноструктура магнитных жидкостей // Вестник Пермского научного центра УрО РАН. 2009. № 2. С. 12–17. https://elibrary.ru/item.asp?id=18957495.

18. Лебедев А. В. Изменение релаксационных спектров магнитной жидкости в подмагничивающем поле // Вестник Пермского университета. Физика. 2019. Вып. 2. С. 8–15. https://doi.org/10.17072/1994-3598-2019-2-08-15.

19. Пшеничников А. Ф. Мост взаимной индуктивности для анализа магнитных жидкостей // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 4. С. 88–93.

20. Бозорт Р. М. Ферромагнетизм. М.: Изд-во иностр. лит., 1956. 784 с.

21. Pshenichnikov A. F., Mekhonoshin V. V. Equilibrium magnetization and microstructure of the system of superparamagnetic interacting particles: numerical simulation // J. Magnetism and Magnetic Materials. 2000. Vol. 213. P. 357–369. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(99)00829-X.

22. Магнитофорез в магнитной жидкости в неоднородном поле кольцевого магнита / П. А. Ряполов, В. М. Полунин, В. Г. Баштовой, И. А. Шабанова, Г. В. Карпова, Е. А. Соколов, А. О. Васильева // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: техника и технологии. 2020. Т. 10, № 4. С. 92–107.