Сильномагнитные и слабомагнитные вещества

 

Все вещества в природе обладают магнитными свойствами и намагничиваются при внесении их в магнитное поле. Некоторые из них обладают способностью при определенных условиях приобретать в магнитном поле большой собственный магнитный момент и создавать заметное собственное магнитное поле. К ним относятся ферро– и ферримагнетики. Их можно назвать сильномагнитными веществами. Другие вещества намагничиваются значительно слабее и их можно назвать слабомагнитными. К ним относятся диамагнетики, парамагнетики, антиферромагнетики.

Если к датчику измерителя магнитной индукции, находящемуся в однородном магнитном поле электромагнита, приблизить образец из сильномагнитного вещества, то собственное магнитное поле этого образца, возникшее в результате его намагничения, исказит поле электромагнита. Сигнал ЯМР на экране сдвинется и исказится. Вещества со слабыми магнитными свойствами создают при намагничении очень слабое магнитное поле, которое измеритель не почувствует, поэтому сигнал ЯМР на экране остается неискаженным. Таким образом, с помощью измерителя магнитной индукции можно установить, относится данное вещество к сильномагнитным или слабомагнитным.

Порядок выполнения работы

I. Измерение индукции магнитного поля электромагнита:

 

1) Включите прибор Ш1–1 и частотомер в сеть и дайте им прогреться в течение 15 мин.;

2) Включите источник питания электромагнита и установите некоторое значение силы тока I ₀;

3) Медленно вращая ручку «частота» прибора Ш1–1, получите сигнал ядерного магнитного резонанса;

4) Запишите частоту, показываемую частотомером в момент резонанса. По полуэмпирической формуле B = 2,3487×10^-5 f рассчитайте величину индукции магнитного поля (здесь B – значение индукции, выраженное в теслах, f – выраженная в килогерцах частота генерируемых колебаний, которая связана к круговой частотой w_Г соотношением w_Г = 2p× f. Учитывая высокую точность, даваемую прибором при измерении индукции магнитного поля, при расчете величины индукции запишите пять значащих цифр;

5) Проделайте измерения индукции магнитного поля еще для четырех значений силы тока в катушках электромагнита. Запишите результаты измерений в табл. 1.

 

Таблица 1

№	I0, A	f, кГц	B, Тл

 

 

II. Определение принадлежности веществ к слабо- или сильномагнитным:

 

1) Включите ток в электромагните и получите устойчивый сигнал ЯМР;

2) Поднесите к датчику измерителя индукции образец одного из предложенных веществ. Определить, является это вещество сильно- или слабомагнитным;

3) Проделайте подобные операции для всех предложенных веществ. Результаты запишите в табл. 2

 

Таблица 2

 

Слабомагнитные вещества	Сильномагнитные вещества

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

Задание для УИРС

 

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КОЛЕЦ ГЕЛЬМГОЛЬЦА

 

Небольшое практически однородное магнитное поле можно получить с помощью двух кольцевых катушек с током, расположенных на одной оси в параллельных плоскостях на расстоянии радиуса кольца R друг от друга (рис. 3).

Если ток в катушках идет в одном направлении, то значения индукции полей колец складываются. В центре системы убывание поля одной катушки компенсирует возрастание поля другой, поэтому между катушками образуется область с приблизительно однородным полем (см. график на рис. 3). Индукцию магнитного поля одной катушки в вакууме на расстоянии от ее центра по оси можно рассчитать по формуле, которая выводится с использованием закона Био-Савара-Лапласа, где N - число витков в одной катушке; I – сила тока в витке.

Если учесть, что в центре системы x = R /2, то, складывая индукции полей обеих катушек, можно получить следующую формулу для расчета индукции магнитного поля B в этой точке (здесь m₀ = 4p×10^-7 Гн/м):

 

B = m₀ ×0,716 = 8,99×10^-7 (Тл). (4)

 

III. Измерение индукции магнитного поля колец Гельмгольца:

 

1) Установите некоторое значение силы тока I ₀ в цепи электромагнита и получив сигнал ЯМР, измерьте частоту f, после чего определите величину индукции B магнитного поля электромагнита.

2) Включите питание цепи колец Гельмгольца и измерьте силу тока I, идущего через них.

3) Получите сигнал ЯМР, измерьте частоту f ₁ и определите величину индукции магнитного поля B ₁, создаваемого электромагнитом и кольцами Гельмгольца.

4) Рассчитайте индукцию магнитного поля В _К колец Гельмгольца по формуле

В _К = С (В ₁ - В), (5)

Появление поправочного коэффициента С в формуле (5) обусловлено тем, что в результате дополнительного намагничивания сердечника электромагнита полем самих колец Гельмгольца, индукция поля, создаваемого электромагнитом, оказывается выше, чем в случае, когда колец не было бы. Значения коэффициента С для разных значений В указаны в таблице, размещённой непосредственно на установке.

5) Измените силу тока в кольцах Гельмгольца, после чего вновь проведите измерения индукции их магнитного поля В _К (см. пп. 1 – 4);

6) Повторите измерения В _К ещё для нескольких значений тока в кольцевых катушках Г. Результаты занесите в табл. 3.

7) По известным значениям N и R (указаны на установке) с помощью формулы (4) для всех измеренных значений силы тока рассчитайте значения индукции В _КТ поля кольцевых катушек.

Таблица 3

№	I 0, А	f,кГц	В,Тл	I, А	f, кГц	В 1, Тл	В К, Тл	В КТ, Тл
…

N = R =

 

8) Постройте график зависимости индукции магнитного поля колец Гельмгольца от силы тока I. На графике теоретические значения индукции изобразите в виде сплошной кривой, экспериментальные – в виде точек. Примерный вид графика изображён на рис. 4.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что называется ядерным гиромагнитным отношением?

2. Какие вещества называются диамагнитными?

3. Каким образом явление прецессии проявляется в случае ЯМР?

4. В чем заключается явление ядерного магнитного резонанса?

5. На какие классы делятся вещества по их магнитным свойствам? Какие из них являются сильномагнитными, а какие слабомагнитными?

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

1. Савельев И. В. Курс общей физики: В 3-х т. – М.: Наука, 1987. – Т. 3

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. – М.: Высш. шк., 2000.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Номер и название лабораторной работы	Стр.
	Опыт Франка и Герца...................
	Релятивистские законы движения микрочастиц.....
	Измерение индукции магнитного поля методом ядерного магнитного резонанса.................

 

Учебно-методическое издание

 

Кокин Сергей Михайлович

Мухин Сергей Васильевич