Яновский Б.М. Земной Магнетизм. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Индукционные методы

381

382

Методы исследования

[гл.

Χι

Наиболее чувствительным является рок-генератор

В. И.

Диа-

нова-Клокова, позволяющий измерять магнитные моменты

до

7·

ΙΟ

-7

СГС (при

объеме образца

24X24X24 мм

намагничен-

ности

5· Ю

-8

СГС). В

этом приборе измерение

э. д. с.

произ-

водится непосредственно

при

помощи микроамперметра.

Особенностью рок-генератора

В. И.

Дианова-Клокова

яв-

ляется устройство датчика (образец, вращающийся внутри

ка-

тушки), схема которого

внешний

вид

представлены

на рис. 173..

Образец

2 (рис. 173, а)

размером

24X24X24 мм

помещается

на держатель

установленный

на оси

вращения

8, и

прикреп-

ляется

нему капроновой леской

Катушки

прямоугольной

формы огибают прешпановый цилиндр диаметром

40 мм и со-

держат каждая

по 380

витков эмалированного провода диамет-

ром

0,31 мм,

сопротивление катушек

20 ом.

Рис. 174.

Усилительная схема рок-генератора Дианова-Клокова.

Для защиты

от

внешних помех катушки окружены тремя

экранами

виде цилиндрических коробок. Экраны

из

пермаллоя

толщиной

1 мм

имеют соответствующие диаметры

125 и 80 мм

(4,

5).

Средний,

из

красной меди

(6),

толщиной

3 мм

имеет диа-

метр

100 мм.

Вращение образца производится

при

помощи синхронного

мотора

со

скоростью

об/сек.

Напряжение

от

катушек подается

на

усилительную схему,

Индукционные методы

383

принципиальный вид которой показан на рис. 174. Питание всей

схемы осуществляется от сети переменного тока.

4. Метод Т. Н. Розе. К числу методов, позволяющих произво-

дить массовые определения магнитной восприимчивости и не

требующих знания коэффициента размагничивания образца,

принадлежит метод, предложенный Т. Н. Розе [57]. Этот метод

основан на изменении остаточной индукции постоянного магнита

при внесении в пространство межполюсное его образца, об-

ладающего магнитной проницаемостью, отличной от единицы,.

Установка, воспроизводящая этот ме-

тод,

состоит из постоянного магнита M

подковообразной формы (рис. 175), в

средней части которого имеется обмотка

К в несколько тысяч витков тонкой изо-

лированной проволоки и баллистического

гальванометра О.

Обмотка подключена к гальваномет-

ру, и образец А, имеющий продолгова-

тую форму, помещается между полюсами

магнита.

Под влиянием магнитного поля по-

стоянного магнита образец намагничи-

вается в поперечном направлении и уве-

личивает магнитный поток, пронизываю-

щий обмотку К. При удалении образца

из межполюсного пространства поток

уменьшится, и гальванометр даст откло-

нение, пропорциональное изменению по-

тока ΔΦ.

Если обозначить площадь попереч-

ного сечения образца через 5, напря-

женность магнитного поля в межполюсном пространстве через H

и число витков на магните через w, то

АФ=4ях'Я5^,

где κ'—кажущаяся магнитная восприимчивость образца.

Изменению потока ΔΦ соответствует отклонение гальвано-

метра а, пропорциональное ΔΦ, поэтому

4im'HSw

= Ca,

где С — постоянная гальванометра.

Для образца с известной магнитной восприимчивостью κο и

площадью поперечного сечения 5

будем иметь

Рис. 175. Схема

метода Т. Н. Розе

(Симоненко).

384

Методы исследования

[гл.

Разделив одно уравнение

на

другое, получим

Следовательно,

для

определения восприимчивости какой-

либо породы необходимо иметь образец,

которого известны

восприимчивость

κο и

площадь сечения

, и

произвести

два на-

блюдения, удаляя

из

межполюсного пространства один

раз

испытуемый образец

второй

раз —

образец

известной прони-

цаемостью. Хотя форма образца

и не

играет роли

при

этих изме-

рениях, однако необходимо, чтобы

он в

средней своей части

имел призматический

или

цилиндрический

вид,

тогда имеется

возможность измерять площадь сечения. Этот метод дает

не

истинную,

кажущуюся восприимчивость, вследствие чего

для

приближения кажущейся величины восприимчивости

истинной

необходимо испытывать образцы

малой величиной магнитной

восприимчивости.

При

соответствующем выборе числа витков,

постоянной гальванометра,

также размеров постоянного маг-

нита этим методом можно определять восприимчивость поряд-

ка

ю-

СГС.

При значениях восприимчивости порядка десятых долей

больших, помимо влияния размагничивающего поля, сказывает-

ся также влияние намагниченности образца

на

величину намаг-

ниченности самого магнита,

что

вызывает увеличение

ΔΦ и тем

самым увеличение

κ.

Методы, основанные

на

притяжении слабомагнитных

материалов

неоднородном поле

Метод Фарадея. Этот метод, предложенный Фарадеем

[72],

основан

на

измерении силы

действующей

на

тело малого объ-

ема, помещенное

неоднородное магнитное поле. Сила

F, как

показывает теория, Пропорциональна магнитной восприимчиво-

сти

κ и

объему тела

υ, т. е.

(11.22)

Зная коэффициент пропорциональности

А и

измерив силу

можно определить величину магнитной восприимчивости

я-

Коэффициент

может быть определен

или

опытным путем

из

непосредственных измерений величин, входящих

этот множи-

тель,

или же

путем измерения силы, действующей

на

тело

с из-

вестной восприимчивостью.

первом случае метод измерения

восприимчивости будет абсолютным,

во

втором—относительным.

Для вывода формулы

(11.22)

воспользуемся выражением

по-

тенциальной энергии

тела, помещенного

какое-либо магнит-

ное поле,

именно:

§5]

Методы, основанные

на

притяжении

(11.23)

где

— напряженность магнитного поля;

dv —

элемент объема,

и интегрирование распространяется

на

весь объем тела. Отсюда

сила

действующая

на

тело.

(11.24)

Так

как κ для

парамагнитных

тел

величина постоянная,

то

Если тело имеет малые размеры,

то

можно предположить,

что

grad Я

не

меняет своей величины

пределах этого объема,

и по-

этому интегрирование

по

объему дает

(11.25)

где

г —

направление наибольшего изменения величины

Я; ν —

объем, занимаемый телом. Таким образом, постоянный коэффи-

циент

А в

формуле

(11.22)

представляет произведение величины

напряженности поля

Я на его

градиент.

Из уравнения

(11.25)

вытекает,

что для

измерения силы

необходимо приложить уравновешивающую силу

направлении

г. Если

же по

условиям опыта

эта

сила,

как,

например, сила

тя-

жести, может иметь только одно определенное направление

ζ, то

для равновесия необходимо, чтобы составляющие

и F

урав-

новешивались какими-либо добавочными силами реакции.

В дальнейшем

мы

будем предполагать,

что

уравновешивающая

сила совпадает

направлением наибольшего изменения

Я.

В таком случае

из

уравнения

(11.25)

получаем

(11.26)

Вместо величины магнитной восприимчивости

κ,

которая

яв-

ляется объемной, можно пользоваться величиной удельной вос-

приимчивости

χ, т. е.

восприимчивостью, отнесенной

единице

массы. Поэтому, разделив

обе

части уравнения

(11.26) на

плот-

ность тела

получим

(11.27)

где

m —

масса тела.

386

Методы

исследования

[гл.

В случае когда измеряемое тело находится

среде, обладаю-

щей магнитной восприимчивостью

κο

(например, воздух, жид-

кость

и т. д.),

необходимо уравнение

(11.23)

несколько испра-

вить,

написав

его в

следующем виде:

Вследствие этого формула

(11.26) для

восприимчивости

общем случае примет

вид:

или

же,

заменяя объемную восприимчивость удельной, получим

(11.28)

где

—

плотность среды (воздуха),

a D —

плотность измеряе-

мого вещества.

Особенностью этого метода является высокая

его

чувстви-

тельность.

Он

дает возможность измерять восприимчивости

до

-10

Действительно,

из

уравнения

(11.26)

вытекает,

что при

Я=2*

э и —^-=10

э/см

—

величинах, получаемых

при

помощи

электромагнитов,

силе притяжения

F = 0,01 дин,

которую чув-

ствуют рычажные весы,

имеет порядок

-10

СГС.

Ввиду того

что

измерение сопряжено

большими труд-

ностями, особенно

при

больших градиентах, этот метод приме-

няется исключительно

как

метод относительный.

этом случае

„

——

и H

исключаются,

задача сводится

непосредственному

измерению

F и т.

Действительно, напишем уравнение

(11.28)

для двух

тел,

обладающих удельными восприимчивостями

χι и

Хг/плотностями

D\ и D

массами

nt\ и т

помещенных

одно

то же

поле

одинаковым градиентом. Тогда

Перенеся первые члены правой части

левую

разделив

одно уравнение

на

другое, получим

Методы,

основанные на притяжении

387

откуда

(11.29)

Формулы показывают, что при относительном способе опре-

деления χ непосредственному измерению подлежат лишь силы

притяжения F и F\ действующие на измеряемый и нормальный

образцы, и их массы т\ и т^.

Для получения неоднородного маг-

нитного поля обычно пользуются элек-

тромагнитом с конусообразными по-

люсными наконечниками N—5, как по-

казано на рис. 176. Если ось полюсных

наконечников

АВ

направлена горизон-

тально, то из условий симметрии выте-

кает, что наибольшие изменения вели-

чины H в вертикальном направлении

будут по оси СД, перпендикулярной к

Рис.

176. Схема полюсных на-

конечников

электромагнита.

Рис.

177. Схема установ-

ки

с рычажными весами

для

измерения восприим-

чивости.

АВ

и проходящей через центр полюсных наконечников. Поэтому,

если приложить уравновешивающую силу в вертикальном на-

правлении, то точка ее приложения должна находиться на оси

CD.

В противном случае притягиваемый образец будет

испыты-

вать дополнительную силу в направлении, перпендикулярном

к оси.

Сила притяжения, действующая на образец, может быть

уравновешена силой тяжести, силой кручения, или же, наконец,

25*

38»

Методы исследования

[гл.

χι

электромагнитной силой.

первом случае испытуемое тело

по-

мещается

на

одном

из

коромысел весов между полюсами элект-

ромагнита (несколько выше),

сила

его

притяжения уравнове-

шивается разновесами, накладываемыми

на

другое коромысло

(рис.

177). В

этом случае

F=Mg

F'=M

{

где Μι и M

пред-

ставляют собой массы разновесов

при

уравновешивании

сил

притяжения испытуемого тела

нормального,

поэтому форму-

ла

(11.29)

принимает

вид:

(11.30)

Во втором случае измеряемый образец

подвешивается

к ко-

ромыслу крутильных весов

помещается сбоку

от

межполюс-

ного пространства. Сила втягивания

уравновешивается круче-

нием нити, которая закручивается

на

некоторый угол

Θ. Так как

по условию равновесия

где

L —

плечо коромысла

и С —

коэффициент кручения,

то

(11,31)

К числу недостатков метода Фарадея,

как

относительного,

следует отнести непостоянство величины

Я —

вдоль направле-

ния

г.

Формулы

для

магнитной восприимчивости

(11.30) и

άϋ

^(11.31)

выведены

предположении,

что

произведение

как

при уравновешивании силы

F, так и при

уравновешивании силы

остается постоянным,

так как

испытуемый

нормальный

об-

разцы помещаются

одну

и ту же

точку.

действительности

же

полного совпадения практически добиться невозможно,

малей-

шее перемещение испытуемого тела вызывает резкое изменение

силы притяжения,

так как

произведение

Н-^р

очень быстро

ме-

няется

изменением расстояния

от

полюсов электромагнита.

В точке

О на оси

полюсных наконечников

(рис. 176)

градиент

=--0,

следовательно,

произведение Я^-=0.

При перемещении вверх

или

вниз

по оси ζ

произведение

возрастает, достигает максимума,

затем переходит постепенно

.. dH

в нуль. Кривые зависимости

Я— от г для

симметрично располо-

Методы, основанные на притяжении

389

женных полюсных наконечников показаны на рис. 178. Как вид-

но,

кривая возрастает очень быстро от точки О, имеет резкий

максимум и затем асимптотически приближается к оси ординат.

Из рисунка видно, что наиболее выгодным условием для измере-

ния у является помещение испытуемого тела в точку, где имеется

максимум величины π —, так как в обе стороны от максимума

функция π — изменяется наиболее медленно.

На рис. 179 схемати-

чески показано типичное

устройство крутильных

весов. Коромысло ЛА под-

вешено на металлической

нити F, которая может

закручиваться головкой

О.

На одном конце коро-

мысла подвешена стек-

лянная колба В с испы-

туемым веществом, на

другом конце — проти-

вовес Ε и зеркало для

наблюдений отклонений.

Для успокоения системы

Рис. 178. Зависимость

силы притяжения от

расстояния.

Рис. 179. Схема установки с кру-

тильными весами для

Измерения

восприимчивости.

имеется масляный успокоитель Н. Все устройство для предотвра-

щения влияний воздушных колебаний заключается в закрытый

кожух.

2. Метод Гуи [106]. Некоторым видоизменением.метода, при-

тяжения в неоднородном поле является метод, основанный на

измерении силы, действующей на призму АВ или цилиндр,'один

390

Методы исследования

[гл.

конец которого помещен

однородном поле

H, а

второй

— в од-

нородном поле

#о,

вследствие чего метод получил название

ме-

тода цилиндра

(рис. 180).

Притяжение такого цилиндра будем рассматривать

как

рав-

нодействующую притяжений каждого элементарного объема

dv=Sdz, где 5 —

площадь сечения цилиндра,

a dz

—

его

высота.

Сила, действующая

на

такой элементарный объем,

согласно предыдущему параграфу, выразится

как

Составляющая

вертикальном направлении

бу-

дет равна

или

Отсюда полная сила

направлении

ζ:

.(11.32)

Рас.

180.

Схема

ме-

тода

Гуи.

где

Η —

напряженность поля между' полюсами,

— напряженность поля

нижнего конца

ци-

линдра.

Если

ось

цилиндра находится

на

середине между полюсами,

т.

е.

совпадает

вертикальной осью симметрии полюсов,

то

=0,

поэтому горизонтальная сила отсутствует.

При

малей-

шем

же

отклонении

оси

цилиндра

от оси

симметрии появляется

сила притяжения

горизонтальном направлении.

При

дальней-

шем изложении

мы

будем предполагать,

что ось

цилиндра совпа-

дает

осью симметрии; следовательно, кроме вертикальных

сил

никаких других

сил не

существует. Тогда

из

уравнения

(11.32)

получаем

(11.33)

Силу

можно уравновесить,

как и в

методе Фа радея,

или при

помощи рычажных весов, помещая

на

одном

из

коромысел

ци-

линдр

измеряемым образцом,

а на

другом чашку

разновеса-

ми,

или же

каким-либо другим методом.

первом случае,

наи-