一种用于检测磁化率的磁悬浮检测装置及检测方法与流程

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。

技术实现要素：

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。