 |
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 wГ соотношением wГ = 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;
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):
= 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 |
| … |
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
|
|
|
