Расширение возможностей новых магнитометров пондеромоторного и магнитно-реологического типов с полюсами-полусферами

Цели. Для определения магнитной восприимчивости малообъемных объектов применяются магнитометры пондеромоторного и магнитно-реологического типов с полюсами-полусферами, позволяющими создавать требуемое для лимитированной рабочей зоны магнитное поле. Цель работы – проведением соответствующих исследований показать, что возможности новых созданных магнитометров могут быть расширены.

Методы. Исследование проводится согласно оригинальному методу, включающему получение координатной характеристики индукции поля B (посредством прямых пошаговых измерений датчиком Холла) в межполюсном пространстве по линии действия пондеромоторной силы с последующим нахождением координатной характеристики градиента.

Результаты. В магнитометрах с применением полюсов-полусфер повышенного диаметра D: 157 и 184 мм, взаимно разобщаемых на то или иное расстояние b, экспериментально получены ключевые зависимости магнитной индукции B при пошаговом удалении x от центра симметрии межполюсной области по линии действия пондеромоторной силы, а по ним – зависимости градиента gradB = dB/dx. Характерный перегиб каждой из кривых зависимостей B от x и индивидуальный экстремум последовавших из них кривых зависимостей dB/dx от x, в окрестности которого значения dB/dx практически одинаковы, отвечает требованию выбора дислокации исполнительной (рабочей) зоны, где неоднородность поля практически постоянна.

Выводы. По установленным и обобщенным зависимостям B от x и dB/dx от x найдены координаты дислокации исполнительной зоны. Для вычисления этих координат, зависящих от величин D и b и не зависящих от намагничивающей силы обмотки, получены аналитические (феноменологические) выражения степенного и логарифмического вида. Показана возможность использования этих выражений для идентификации исполнительной зоны магнитометров, не прибегая к проведению дополнительных серий экспериментов. Показана целесообразность применения полюсов-полусфер повышенного диаметра, что позволяет увеличить протяженность исполнительной зоны и проводить исследования с образцами более широкого спектра размеров.

1. Mosleh N., Insinga A.R., Bahl C.R.H., Bjørk R. The magnetic properties of packings of cylinders. J. Magn. Magn. Mater. 2024;607(3):172391. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2024.172391

2. Uestuener K., Katter M., Rodewald W. Dependence of the mean grain size and coercivity of sintered Nd–Fe–B magnets on the initial powder particle size. IEEE Trans. Magn. 2006;42(10):2897–2899. https://doi.org/10.1109/TMAG.2006.879889

3. Anhalt M., Weidenfeller B. Magnetic properties of polymer bonded soft magnetic particles for various filler fractions. J. App. Phys. 2007;101(2):023907. https://doi.org/10.1063/1.2424395

4. Schäfer K., Braun T., Riegg S., Musekamp J., Gutfleisch O. Polymer-bonded magnets produced by laser powder bed fusion: Influence of powder morphology, filler fraction and energy input on the magnetic and mechanical properties. Mater. Res. Bull. 2023;158(3):112051. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2022.112051

5. McFarlane J., Weber C., Wiechert A., Yiacoumi S., Tsouris C. High-gradient magnetic separation of colloidal uranium oxide particles from soil components in aqueous suspensions. Colloids and Surfaces C: Environmental Aspects. 2024;2:100023. https://doi.org/10.1016/j.colsuc.2023.100023

6. Живулько А.М., Янушкевич К.И., Даниленко Е.Г., Зеленов Ф.В., Бандурина О.Н. Магнитные свойства твердых растворов Mn1−x Gdx Se. Сибирский аэрокосмический журнал. 2022;23(4):748–755. https://doi.org/10.31772/2712-8970-2022-23-4-748-755

7. Normile P.S., Andersson M.S., Mathieu R., Lee S.S., Singh G., De Toro J.A. Demagnetization effects in dense nanoparticle assemblies. Appl. Phys. Lett. 2016;109(15):152404. https://doi.org/10.1063/1.4964517

8. Bjørk R., Zhou Z. The demagnetization factor for randomly packed spheroidal particles. J. Magn. Magn. Mater. 2019;476: 417–422. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.01.005

9. Walmsley N.S., Chantrell R.W., Gore J.G., Maylin M. Experimental and computational investigation of the magnetic susceptibility of composite soft materials. J. Phys. D: App. Phys. 2000;33(7):784–790. http://doi.org/10.1088/0022-3727/33/7/306

10. Gao Y., Fujiki T., Dozono H., Muramatsu K., Guan W., Yuan J., Tian C., Chen B. Modeling of Magnetic Characteristics of Soft Magnetic Composite Using Magnetic Field Analysis. IEEE Trans. Magn. 2018;54(3):7401504. https://doi.org/10.1109/TMAG.2017.2772293

11. Tortarolo M., Zysler R.D., Romero H. Magnetic order in amorphous (Fe0.25Nd0.75)0.6B0.4 nanoparticles. J. Appl. Phys. 2009;105(11):113918. https://doi.org/10.1063/1.3140607

12. Zysler R.D., De Biasi E., Ramos C.A., Fiorani D., Romero H. Surface and Interparticle Effects in Amorphous Magnetic Nanoparticles. In: Fiorani D. (Ed.). Surface Effects in Magnetic Nanoparticles. Springer; 2005. P. 239–261. https://doi.org/10.1007/0-387-26018-8_8

13. Maciaszek R., Kollár P., Birčáková Z., Tkáč M., Füzer J., Olekšáková D., Volavka D., Samuely T., Kováč J., Bureš R., Fáberová M. Effects of particle surface modifcation on magnetic behavior of soft magnetic Fe@SiO2 composites and Fe compacts. J. Mater. Sci. 2024;59:11781–11798. https://doi.org/10.1007/s10853-024-09881-1

14. Baskar D., Adler S.B. High temperature Faraday balance for in situ measurement of magnetization in transition metal oxides. Rev. Sci. Instrum. 2007;78(2):023908. https://doi.org/10.1063/1.2432476

15. Moze O., Giovanelli L., Kockelmann W., de Groot C.H., de Boer F.R., Buschow K.H.J. Structure and magnetic properties of Nd2Co17−x Gax compounds studied by magnetic measurements and neutron diffraction. J. Magn. Magn. Mater. 1998;189: 329–334. https://doi.org/10.1016/s0304-8853(98)00291-1

16. Gaucherand F., Beaugnon E. Magnetic texturing in ferromagnetic cobalt alloys. Physica B: Cond. Matt. 2004;346–347: 262–266. https://doi.org/10.1016/j.physb.2004.01.062

17. Caignaert V., Maignan A., Pralong V., Hébert S., Pelloquin D. A cobaltite with a room temperature electrical and magnetic transition: YBaCo4O7. Solid State Sci. 2006;8(10):1160–1163. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2006.05.004

18. Zhang C.P., Chaud X., Beaugnon E., Zhou L. Crystalline phase transition information induced by high temperature susceptibility transformations in bulk PMP-YBCO superconductor growth in-situ. Physica C. 2015;508:25–30. https://doi.org/10.1016/j.physc.2014.11.002

19. Bombik A., Leśniewska B., Pacyna A.W. Magnetic susceptibility of powder and single-crystal TmFeO3 orthoferrite. J. Magn. Magn. Mater. 2000;214(3):243–250. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(00)00049-4

20. Kobayashi H., Tabuchi M., Shikano M., Kageyama H., Kanno R. Structure, and magnetic and electrochemical properties of layered oxides, Li2IrO3. J. Mater. Chem. 2003;13(4):957–962. https://doi.org/10.1039/b207282c

21. Seidov Z., Krug von Nidda H.-A., Hemberger J., Loidl A., Sultanov G., Kerimova E., Panfilov A. Magnetic susceptibility and ESR study of the covalent-chain antiferromagnets TlFeS2 and TlFeSe2. Phys. Rev. B. 2001;65:014433. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.014433

22. Slobinsky D., Borzi R.A., Mackenzie A.P., Grigera S.A. Fast sweep-rate plastic Faraday force magnetometer with simultaneous sample temperature measurement. Rev. Sci. Instrum. 2012;83(12):125104. https://doi.org/10.1063/1.4769049

23. Gopalakrishnan R., Barathan S., Govindarajan D. Magnetic susceptibility measurements on fly ash admixtured cement hydrated with groundwater and seawater. Am. J. Mater. Sci. 2012;2(1):32–36. https://doi.org/10.5923/j.materials.20120201.06

24. Mexner W., Heinemann K. An improved method for relaxation measurements using a Faraday balance. Rev. Sci. Instrum. 1993;64(11):3336–3337. https://doi.org/10.1063/1.1144303

25. Riminucci A., Uhlarz M., De Santis R., Herrmannsdörfer T. Analytical balance-based Faraday magnetometer. J. App. Phys. 2017;121(9):094701. https://doi.org/10.1063/1.4977719

26. Сандуляк А.А., Сандуляк А.В., Полисмакова М.Н., Киселев Д.О., Сандуляк Д.А. Подход к координации малообъемного образца при реализации пондеромоторного метода определения его магнитной восприимчивости. Russ. Technol. J. 2017;5(2):57–69. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2017-5-2-57-69

27. Сандуляк А.А., Сандуляк А.В., Полисмакова М.Н., Сандуляк Д.А., Киселев Д.О. Устройство для создания и диагностики зоны стабильной неоднородности магнитного поля: пат. 2737609 РФ. Заявка № 2020121691; заявл. 30.06.2020; опубл. 01.12.2020. Бюл. 34.

28. Сандуляк А.А., Сандуляк А.В., Ершова В.А., Сандуляк Д.А. Способ магнитно-реологического контроля магнитной восприимчивости частицы: пат. 2753159 РФ. Заявка № 2020143220; заявл. 27.12.2020; опубл. 12.08.2021. Бюл. 23.

29. Сандуляк А.В., Сандуляк А.А., Полисмакова М.Н., Киселев Д.О., Сандуляк Д.А. Магнетометр Фарадея с полюсными наконечниками-полусферами: идентификация зоны стабильного силового фактора. Russ. Technol. J. 2017;5(6):43–54. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2017-5-6-43-54

30. Sandulyak A.V., Sandulyak A.A., Polismakova M.N., Sandulyak D.A., Ershova V.A. The approach to the creation and identification of the positioning zone of the sample in the Faraday magnetometer. J. Magn. Magn. Mater. 2019;469:665–673. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.06.068

31. Sandulyak A.A., Polismakova M.N., Sandulyak D.A., Dwivedi A.P., Doumanidis C.C., Sandulyak A.V., Ershova V.A. Magnetic Field Between Polar Hemispheres: Remarks on the Dislocation of Zones of a Constant Gradient and Force Factor. Nanotechnol. Percept. 2023;19(3):67–79.

32. Sandulyak A.A., Sandulyak A.V., Polismakova M.N., Sandulyak D.A., Ershova V.A., Pamme N. Faraday Magnetometer with Polar Hemispheres: Stability Zones for Measuring of Magnetic Susceptibility of Particles. Mater. Today: Proc. 2022;59(3):933–940. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.02.015