CN106569157B - 一种用于检测磁化率的磁悬浮检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测磁化率的磁悬浮检测装置和方法,利用权包括:(1)选取符合要求的、密度不同的标准密度球;(2)将所述顺磁液体和标准密度球置于液体容器中;(3)将所述液体容器置于两块磁铁之间;(4)分别测量两个密度球的高度差;(5)计算样品的磁化率。与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明所需求的装置操作简单,成本低廉,测量结果易于观测,测量精度高,易于实现自动化。
Description
技术领域
本发明属于物质磁化率检测技术领域,具体涉及一种用于检测磁化率的磁悬浮检测装置及检测方法。
背景技术
磁化率是物质本身的性质之一,表示物质在磁场中被磁化的能力,数值越大表示产生的附加磁场的磁感应强度越大。根据物质置于磁场中所产生的附加磁场的方向,可以将物质分为顺磁性物质和抗磁性物质两类。顺磁性物质在磁场中产生的附加磁场方向与原磁场方向相同,磁化率为正。反之,逆磁性物质在磁场中产生的附加磁场方向与原磁场方向相反,磁化率为负。物质的磁化率通常与物质本身的组成成分的各原子的孤对电子有关,溶液等分散系的宏观磁化率还与分散系中各成分的浓度有关。
现有的磁化率测量方法较少。通常的磁化率测定采用古埃磁天平方法(古埃法)测定。该方法通过比对样品与给定摩尔盐在磁场中的受力,可以粗略计算样品的磁化率。古埃法的操作简便,但缺点在于,涉及参数较多,结果易受到较大影响,且对于磁化率较小的物质测量的精度较差。若要精确测量磁化率,可以用核磁共振的方法测量,该方法可以获得较为精确的磁化率值,但是仪器设备非常昂贵且操作繁琐。对于顺磁液体如有机螯合物液体或顺磁性盐的水溶液、有机溶液等,这些液体的磁化率用古埃法通常难以测量或者测量精度很差,而核磁共振方法也并不适合对这些物质的磁化率进行测量。
发明内容
本发明针对现有顺磁液体磁化率测量方法的问题,基于磁悬浮理论,提出了一种基于磁-阿基米德原理的磁化率检测方法和检测装置,操作简单,实用性强。
本发明的原理是基于磁阿-基米德原理,技术方案分别如下:
一种用于检测磁化率的磁悬浮检测装置,包括两个同极对置的磁铁以及位于两块磁铁之间的液体容器,还包括设置在液体容器内的两个密度不等的标准密度球,所述液体容器用于盛放待检测磁化率的顺磁液体,所述标准密度球可悬浮在所述顺磁液体中。
作为优选,所述两块磁铁均为50mm*50mm*25mm,中心表面磁感应强度0.425T的磁铁,两个磁铁距离45mm。
一种用于检测磁化率的磁悬浮检测方法,利用上述的装置进行检测,包括如下步骤:
(1)根据待检测磁化率的顺磁液体的密度,选取合适的、密度不同的标准密度球;
上述磁化率的磁悬浮测量方法,应当在检测前根据液体成分估测被测液体的密度,同时选用合适的标准密度球。保证标准密度球能够悬浮在待检测磁化率的顺磁液体中;本步骤中,可根据待检测磁化率的顺磁液体的种类性质等,根据现有的资料对其密度进行估算;
(2)将所述顺磁液体和标准密度球置于液体容器中;
(3)将所述液体容器置于两块磁铁之间;
(4)分别测量两个密度球的高度差;
(5)计算样品的磁化率。
作为优选,所述两个磁铁的尺寸均为50mm*50mm*25mm,中心表面磁感应强度均为0.425T,相互距离45mm。
作为优选,所述磁化率通过如下公式计算:
式中,χm为待检测磁化率的顺磁液体的磁化率(无量纲),ρ1与ρ2分别为两个标准密度球的密度(g/cm3),g为重力加速度(m/s2),μ0为真空磁导率(N/A2),z1和z2分别为样品在溶液中的悬浮高度(mm),4500为计算系数,量纲为(T2/mm2)。
配置介质溶液时,作为优选,以容器底部为0点,标准密度球在被测 液体中浮起距离为2.7~42.3mm。采用该技术方案,进一步保证了本发明检测方法的精确度。
作为优选,所述液体容器侧壁设有透明观察区,以便于读取两个标准密度球的高度,比如所述液体容器为透明材质制成。
作为优选,所述液体容器侧壁设有高度刻度。可以根据标准密度球的位置,结合高度刻度直接读出两个密度球的高度,进而可快速求出两个密度球的高度差。当然,也可以采用自动检测技术,比如可采用传感器对密度球的高度进行检测,直接通过计算机计算出高度差,进而直接输出磁化率结果。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明所需求的装置操作简单,成本低廉,测量结果易于观测,测量精度高,易于实现自动化。
附图说明
图1是本发明磁悬浮装置原理图。
图2是本发明中心线的曲线图。
具体实施方式
为使本发明被更清楚地理解,下面根据本发明的具体实例及附图,对本发明进行进一步的说明。
如图1所示,是本发明的磁悬浮装置原理图,包括磁铁1、磁铁5,被测顺磁液体2,标准密度球3,标准密度球4,液体容器6。液体容器6要求透明易于测量内部样品高度,当然也可以局部设置检测窗,也可在液体容器6设置检测刻度,进一步便于检测人员计算高度数据。磁铁1、磁铁4之间距离为d。标准密度球3在被测顺磁溶液2中悬浮高度为z1,标准密度球4在被测顺磁溶液2中悬浮高度为z2。
磁铁1、磁铁5均为50mm*50mm*25mm的方形磁铁,中心表面磁感应强度0.425T的磁铁,距离45mm同极对置构成。
其中,检测方法如下:
(1)根据被测顺磁液体2的成分估测被测顺磁液体密度。
(2)将被测顺磁液体2置于液体容器6中,根据估测的被测顺磁液体密度,选取合适的一组两颗标准密度球,放入被测液体中,选择的密度球能够保证其能在液体中稳定悬浮。
(3)将装有被测顺磁液体2和标准密度球的液体容器6置于装置中,即置于磁铁1、磁铁5之间。
(4)分别测量两颗密度球的悬浮高度。
(5)计算样品磁化率。
上述磁化率的磁悬浮检测方法,其原理如下:
由磁介质的分子环流假设,根据毕奥-萨伐尔定理,对尺寸为a*a*h的方形磁铁的一角为坐标原点建立坐标,长宽方向分别为x轴和y轴,高度h方向为z轴,则空间一点(x,y,z)的磁感应强度为:
式中,J为面电流密度,μ0为真空磁导率,a为磁铁的长度(宽度),b为磁铁的宽度(长度),由于是方形磁铁,此处a=b,Ψ与Φ为函数记号,分别为:
是与无关的参数B0为单块磁铁表面磁感应强度;z0是与z1和z2无关的参数;表示函数记号内z0=h的值与z0=0的值之差。
当两块磁铁中间存在介质时,介质的受力满足:
式中,χ为物质磁化率,顺磁性物质磁化率为正值,抗磁性物质磁化率为负,式中χ为介质的磁化率;μ0=4π×10-7N/A2为真空磁导率;V为磁场中介质体积(m3);为介质所在位置磁场的磁感应强度(T);为向量梯度算子。
当磁场中存在顺磁介质液体时,磁场对顺磁介质液体产生引力,因此会对浸入其中的标准密度球产生一个由磁场产生的附加浮力:
式中,χm和χg分别为顺磁液体和浸入其中的标准密度球的磁化率。通常,χg较χm小两个数量级,可以忽略。
在本发明所使用的装置中,两块磁铁中间大部分区域,浸入顺磁液体中的标准密度球受到的力指向两磁铁中心连线。因此,标准密度球最终的位置会处在两磁铁中心连线上。如图2所示,在这个中心连线的垂直方向上,根据的曲线图,曲线在0~2.7mm与42.3~45mm区域内的曲率半径较小,而在2.7~42.3mm区域内,曲线与直线的拟合程度较高。因此,用直线拟合区域内直线,则与z的关系可用线性关系代替:
当标准密度球在顺磁性液体中时,会受到重力、浮力和磁场作用力三个力的综合作用。当三个力平衡时,样品悬浮达到稳定状态:
式中,为重力,为浮力,为磁场对样品产生的作用力(ρg为标准密度球密度,ρm为顺磁性液体的密度):
则标准密度球最终的平衡状态方程为:
记两颗标准密度球的密度分别为ρ1和ρ2,各自的悬浮高度分别为z1和z2,代入上述平衡方程,相减并整理可以得到被测液体磁化率的计算公式:
采用本方法对2.0mol/L的氯化锰溶液进行测量(理论计算结果为3.63×10-4),选用的标准密度球为1.10g/cm3和1.30g/cm3。标准密度球经过酒精清洗表面后,置于氯化锰溶液中,放进装置中。静置10分钟,待密度球位置稳定,用毫米尺测量悬浮高度。高度读数分别为9.6mm与33.9mm,经过计算可以得到溶液的磁化率为0.000363。
以上所述仅为本发明的一个应用实例,并非对适用被测样品范围的限定。可应用本发明测量的材料,这里无需也无法一一穷举,凡在本发明精神和原则之内,所做的任何修改,等同替换,改进等,均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (1)
1.一种用于检测磁化率的磁悬浮检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)根据待检测磁化率的顺磁液体的密度,选取符合要求的、密度不同的标准密度球;
(2)将所述顺磁液体和标准密度球置于液体容器中;
(3)将所述液体容器置于两块磁铁之间;
(4)分别测量两个密度球的高度差;
(5)计算样品的磁化率;
所述两块磁铁的尺寸均为50mm*50mm*25mm,中心表面磁感应强度均为0.425T,相互距离45mm;
配置介质溶液时,以容器底部为0点,标准密度球在被测液体中浮起距离为2.7~42.3mm;
所述磁化率通过如下公式计算:
式中,χm为待检测磁化率的顺磁液体的磁化率(无量纲),ρ1与ρ2分别为两个标准密度球的密度(g/cm3),g为重力加速度(m/s2),μ0为真空磁导率(N/A2),z1和z2分别为样品在溶液中的悬浮高度(mm),3585为计算系数,量纲为(T2/mm2)。
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