кислород в магнитном поле

Парамагнитная технология

Парамагнитную технологию используют для измерения концентрации кислорода в газовых смесях.

Большинство газов — диамагнетики, они выталкиваются магнитным полем. Кислород — редкое исключение, проявляет сильные парамагнитные свойства, его магнитная восприимчивость в среднем в пятьдесят раз выше, чем у большинства газов. Абсолютным антиподом кислорода является азот, его магнитная восприимчивость близка к нулю. Свойства этих двух газов лежат в основе ряда « парамагнитных методов» определения концентрации кислорода.

Принцип действия парамагнитной технологии

В анализаторах Сервомекс используется так называемая магнитодинамическая ячейка. Два постоянных магнита создают неоднородное магнитное поле. В зоне его действия на тонкой нити подвешено гантелевидное тело из двух стеклянных сфер, заполненных азотом. На оси вращения сфер установлено зеркало, на которое направлен пучок света. Отражённый свет направляется на фотоприёмник.

Кислород из пробы стремится в точки с максимальной магнитной индукцией и выталкивает сферы, изменение положения сфер фиксируется фотоприёмником. Фотоприёмник в свою очередь связан с катушкой, нить от которой намотана на поперечине гантели. Чем выше сила тока, который требуется подать, чтобы вернуть сферы в исходное положение, тем больше кислорода в пробе.

Магнитная восприимчивость веществ зависит от температуры, поэтому для повышения точности измерений в некоторых приборах используется принцип термостатирования ячейки.

Источник

Выяснено магнитное упорядочение оранжевого кислорода

Известно, что всего существует шесть фаз твердого кислорода. Они отличаются друг от друга строением кристаллической решетки, электрическими и магнитными свойствами, а также цветом. В одной из них, так называемой δ-, или оранжевой (названной так по характерному цвету), фазе, существующей в диапазоне давлений 6–8 ГПа и температур 20–240 К, не было ясности относительно магнитного упорядочения молекул твердого кислорода. Группа ученых из Франции, Швейцарии и США экспериментальным образом установила, что оранжевый кислород содержит три различных магнитных структуры, каждая из которых является антиферромагнитной.

В зависимости от поведения в магнитном поле почти все вещества условно можно разделить на четыре класса: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики и антиферромагнетики. Количественной мерой такой классификации является безразмерный коэффициент — магнитная проницаемость, или отношение напряженности магнитного поля внутри материала к аналогичной величине вне его. Если магнитная проницаемость меньше единицы, то вещество считается диамагнетиком, если больше единицы, то парамагнетиком или антиферромагнетиком (о различии между ними будет сказано ниже), и наконец, когда магнитная проницаемость значительно больше 1, то такой материал именуют ферромагнетиком.

Такой разброс значений магнитной проницаемости объясняется внутренней структурой вещества, точнее — поведением внешних электронов его атомов. Из-за своего орбитального (вокруг ядра) и спинового (грубо говоря, вокруг своей оси) движения заряженные частицы, то есть электроны, генерируют микротоки. Это приводит к возникновению магнитного поля и, соответственно, магнитного момента атома, который можно интерпретировать в виде вектора. При включении внешнего магнитного поля магнитные векторы упорядочиваются — начинают «смотреть» в определенную сторону. В случае когда магнитные моменты атомов совпадают с направлением силовых линий внешнего поля, к его напряженности прибавляется, согласно принципу суперпозиции, суммарная напряженность поля, создаваемого упорядоченными атомами (эта ситуация характерна для парамагнетика). Если же моменты атомов приобретают направление, противоположное силовым линиям, то, согласно всё тому же принципу суперпозиции, знак плюс необходимо заменять знаком минус (в случае диамагнетика).

Для подавляющего большинства веществ значение магнитной проницаемости очень мало отличается от 1. Например, парамагнитная платина имеет магнитную проницаемость, равную 1,000265 — именно во столько раз усиливается внутри этого материала внешнее магнитное поле. Вода, являющаяся диамагнетиком, имеет магнитную проницаемость 0,999992, что означает ослабление поля в 1/0,999992 раз.

Что касается ферромагнетиков, то у них магнитные моменты атомов определенных областей материала или вообще всего его объема при температуре ниже температуры Кюри обладают выбранным направлением даже в отсутствие внешнего магнитного поля (рис. 1). При его включении магнитный порядок атомов лишь усиливается, что приводит к тому, что магнитная проницаемость принимает значения в сотни, тысячи, десятки тысяч, а то и больше, единиц (в зависимости от величины напряженности внешнего поля).

Так же устроено магнитное упорядочение и у антиферромагнетиков, только у них магнитные моменты ближайших соседних атомов направлены противоположно друг другу (рис. 1) при условии, что температура вещества не превосходиттемпературы Нееля. И хотя магнитная проницаемость антиферромагнетиков, как и парамагнетиков, мало отличается от единицы (поскольку противоположная ориентация магнитных моментов почти полностью компенсирует создаваемое атомами магнитное поле), по типу магнитного упорядочения такие вещества выделяют в отдельное «семейство».

В каждом из упомянутых четырех классов веществ обязательно найдется материал, который выделяется выдающимися магнитными свойствами и, как результат, является объектом пристального внимания со стороны исследователей. Например, графит имеет наименьшее значение магнитной проницаемости (меньше может быть только у сверхпроводников — у них 0). В числе ферромагнетиков с наибольшей магнитной проницаемостей — мю-металл (приблизительно 50 000). Среди парамагнетиков особое место занимает кислород. Будучи газом, O₂ представляет собой ничем не примечательный парамагнетик. Но как только он становится жидким (температура ожижения равна 90 К), его магнитная проницаемость вырастает более чем в тысячу раз, достигая рекордного для парамагнитных веществ значения.

Самое интересное начинается, когда кислород переходит в твердое агрегатное состояние (при температуре 54 К). Многочисленные эксперименты, проведенные с твердым O₂ за последние годы, указывают на существование у него в интервале давлений от 0 до приблизительно 130 ГПа (1,3 млн атмосфер) по крайней мере шести фаз (рис. 2 и 3), отличающихся друг от друга кристаллической решеткой, магнитными, электрическими свойствами и даже цветом. Их обозначают греческими буквами γ, β, α, δ, ε и ζ. Некоторые фазы твердого кислорода называют еще по характерному цвету их модификации. Например, вместо δ-O₂ иногда говорят «оранжевый кислород», «красным кислородом» называют ε-фазу.

Если продолжить уменьшение температуры, сохраняя при этом нормальное атмосферное давление, то при 54 К образуется не просто твердый кислород, а парамагнитный γ-кислород. Дальнейшее охлаждение до 44 К переводит γ-O₂ в «почти» антиферромагнитную β-фазу. Наконец, при 24 К рождается полностью антиферромагнитный α-кислород.

О магнитных свойствах оставшихся трех фаз (δ, ε и ζ), которые, как можно видеть на рис. 2 и 3, возникают только под значительным давлением, ученым известно немного. В частности, эксперименты однозначно указывают на отсутствие магнетизма в ε-кислороде (см.: Магнитный коллапс в твердом кислороде, «Элементы», 01.06.2005). Однако каким типом магнитного упорядочения обладает оранжевый (δ-) кислород, до настоящего времени оставалось загадкой. Несмотря на то что большинство исследователей склонялось к мысли, что δ-O₂ — скорее всего антиферромагнетик, требовалось четкое подтверждение этого предположения.

В совместной статье ученых из Франции, Швейцарии и США Magnetic Ordering in Solid Oxygen up to Room Temperature, опубликованной в журнале Physical Review Letters, выяснена истинная магнитная природа оранжевого кислорода. Она оказалась сложнее, чем предполагалось ранее. Выяснилось, что δ-O₂ содержит три различных магнитных структуры, каждая из которых является антиферромагнитной.

Несколько слов о методике и технике эксперимента. Поликристаллы оранжевого кислорода готовились при температуре 240 К посредством изотермического сжатия жидкого кислорода и последующего его «прохода» по фазовой диаграмме через γ- и β-фазу. Такая методика позволяла получать хорошие образцы для последующих магнитных измерений. Далее проводилось две серии экспериментов, показанных в виде пронумерованных линий со стрелками на фазовой диаграмме на рис. 3: при почти постоянном давлении происходило медленное (0,2 К/мин) охлаждение O₂. Одновременно с этим осуществлялось облучение нейтронами оранжевого кислорода. Из данных по дифракции нейтронов на кристаллической решетке δ-O₂ затем извлекались желанные сведения о магнитном порядке в изучаемом объекте.

Обработав экспериментальные данные, ученые пришли на первый взгляд к парадоксальному выводу: магнитный порядок в оранжевом кислороде содержит три разные и одновременно одинаковые по своей сути антиферромагнитные структуры. Поскольку они возникают в разных температурных интервалах, авторы статьи назвали их LTC (low temperature commensurate — соответствующий низкой температуре), ITC (intermediate temperature commensurate — соответствующий промежуточной температуре) и HTC (high temperature commensurate — соответствующий высокой температуре).

Чтобы разрешить возникший парадокс и понять, в чём же различие между этими тремя магнитными состояниями, необходимо сказать, что оранжевый кислород имеет слоеное внутреннее строение. Так вот, как показали эксперименты, каждый слой δ-кислорода имеет свой внутренний антиферромагнитный порядок, или свою ориентацию магнитных моментов молекул O₂ (рис. 4). Именно чередование слоев с разным магнитным порядком и определяет различие между LTC-, ITC- и HTC-структурами.

Для наглядности обозначим буквой A антиферромагнитное расположение молекул δ-кислорода в какой-нибудь его кристаллической плоскости (слое). Мысленно заменим направление каждого магнитного момента в плоскости A на противоположное и обозначим новую антиферромагнитную ориентацию моментов в молекулярном слое буквой B. В такой терминологии магнитная структура LTC будет выглядеть так: (A–A–A)–(A–A–A)–. ITC так: (A–B–B–A–A)–(A–B–B–A–A)–. и HTC так: (A–B–A)–(A–B–A)–. Если теперь перпендикулярно молекулярным слоям провести воображаемую ось, то получится, что в LTC антиферромагнитные слои в направлении этой оси упорядочены в виде ферромагнитной структуры, поскольку все магнитные моменты O₂ вдоль оси «смотрят» в одну сторону (см. рис. 4), в HTC — антиферромагнитной, а в ITC реализуется одновременно антиферромагнитное и ферромагнитное расположение слоев. При этом, напомним еще раз, в самих слоях магнитные моменты ориентированы антиферромагнитным образом.

Таким образом, описанная работа поставила жирную точку в довольно длительных дискуссиях об истинной магнитной природе δ-фазы твердого кислорода.

Источник: S. Klotz, Th. Strassle, A. L. Cornelius, J. Philippe, Th. Hansen. Magnetic Ordering in Solid Oxygen up to Room Temperature // Phys. Rev. Lett. 104, 115501 (2010).

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Непосредственное измерение магнитной восприимчивости кислорода представляет значительные трудности, и приборы, основанные на измерении магнитной восприимчивости кислорода ( магнитные крутильные весы), нашли ограниченное применение в некоторых ( случаях лабораторной практики анализа газов на кислород. [3]

С повышением температуры магнитная восприимчивость кислорода уменьшается. В результате этого холодный газ, обладающий большой магнитной восприимчивостью, втягивается в область магнитного поля, вытесняя из него нагретый газ. [4]

С повышением температуры магнитная восприимчивость кислорода уменьшается. В результате этого холодный газ, обладающий большей магнитной восприимчивостью, втягивается в область магнитного поля, вытесняя из него нагретый газ. [5]

С повышением температуры магнитная восприимчивость кислорода уменьшается. В результате этого холодный газ, обладающий большой магнитной восприимчивостью, втягивается в область магнитного поля, вытесняя из него нагретый газ. [6]

Однако непосредственное измерение магнитной восприимчивости кислорода для целей определения концентрации его мало целесообразно, и приборы, построенные по этому принципу, нашли ограниченное применение только в качестве лабораторных приборов. Практическое применение могут получить газоанализаторы, основанные на использовании вторичных явлений, связанных с парамагнитными2 свойствами кислорода. К этим газоанализаторам относятся магнитотермические газоанализаторы, основанные на изменении теплопроводности кислорода в магнитном поле, и приборы, основанные на явлении термомагнитной конвекции. [9]

Как показано выше, магнитная восприимчивость кислорода значительно превышает магнитную восприимчивость других газов. Это дает возможность использовать парамагнитные свойства кислорода для определения содержания его в газовой смеси. [10]

Термомагнитный газоанализатор использует снижение магнитной восприимчивости кислорода при повышении температуры. [12]

Приборы основаны на зависимости магнитной восприимчивости кислорода от температуры и эффекте перехода 0 из парамагнитного состояния в диамагнитное. Молекулы 0, обладающие большой магнитной восприимчивостью, втягиваются в магнитное поле, где нагреваются до температуры выше точки Кюри. Повышение температуры 0 приводит к тому, что исходный парамагнитный газ становится диамагнитным и выталкивается из магнитного поля. [13]

Из табл. 21 видно, что магнитная восприимчивость кислорода в десятки и сотни раз выше, чем азота, водорода, двуокиси углерода и других газов. Следовательно, если имеется газовая смесь, состоящая из кислорода и диамагнитных, газов, то величина магнитной восприимчивости этой смеси однозначно определяется содержанием в ней кислорода. Таким образом, измерив магнитную восприимчивость газовой смеси, можно найти содержание в ней кислорода. [15]

Источник

Устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом

Устройство предназначено для непосредственного получения кислорода из воздуха путем использования парамагнитных свойств кислорода. Устройство содержит насос, электродвигатель постоянный магнит с осевой намагниченностью, которые помещены и закреплены внутри корпуса. При работе устройства, магнитное поле постоянного кольцевого магнита, концентрирует кислород вокруг конуса, и, оттесняя азота за наружную часть корпуса, проходит через круговое отверстие устройства, под действием разряжения создаваемого насосом. 9 з.п., ф-лы, ил.1.

Полезная модель относится к области получения газов и предназначена для работы с кондиционерами, и вентиляционными установками для обогащения воздуха кислородом внутри помещений, а также с двигателями внутреннего сгорания для улучшения характеристик топливной смеси при ее приготовлении.

Известны устройства получения воздуха, обогащенного кислородом в основе работы, которых, лежит парамагнитная (магнитодинамическая) технология, основанная на парамагнитных свойствах некоторых газов. Известны парамагнитные свойства кислорода магнитная восприимчивость, которого, выше в пятьдесят раз парамагнитной восприимчивости большинства газов, например, магнитная восприимчивость азота близка к нулю.

Известны способы и устройства для получения воздуха обогащенного кислородом: а.с. RU 94005162 1994.02.14, патент US 3177663 1965, а.с. СССР 958318 1982.

Недостатком этих способов и этих устройств является их сложность.

Задачей при создании полезной модели явилось создание эффективного компактного устройства для получения воздуха, обогащенного кислородом непосредственно из атмосферного воздуха путем применения в устройстве насоса, постоянного магнита, и корпуса специальной формы с использованием в данном устройстве парамагнитных свойств кислорода.

Указанный технический результат, при осуществлении полезной модели, проявляемый в непосредственном получении воздуха обогащенного кислородом непосредственно из атмосферного воздуха, достигается за счет того, что в устройстве применен насос, электродвигатель, источник питания, постоянный магнит с осевой намагниченностью, установленные в корпусе имеющим конус. Такое расположение постоянного магнита с

осевой намагниченностью, в корпусе позволяет концентрировать вокруг конуса в магнитном поле постоянного магнита атомы кислорода и оттеснять атомы азота за пределы корпуса. Данная конструкция корпуса позволяет кислороду, под действием разряжения создаваемого насосом, проходить через круговое отверстие в корпусе к потребителю.

На фиг.1 показан разрез устройства.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели, с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Устройство содержит насос (1) выполненный в виде крыльчатки установленной на валу электродвигателя (2) подключенного к источнику тока (3), постоянный магнит (4), имеющий осевую намагниченность, выполненный в виде цилиндра. В качестве постоянного магнита возможно применение ферритовых магнитов, а также, с целью увеличения эффективности устройства, магнитов изготовленных из магнитотвердого сплава Nd, Fe, В (неодим железо, бор), или Cm, Co (самарий, кобальт). Возможно использование электромагнита имеющего форму магнитного поля аналогичную форме магнитного поля постоянного магнита с осевой намагниченностью. Насос, электродвигатель, постоянный магнит, установлены, и закреплены в корпусе (5) изготовленном из пластмассы, или из немагнитного сплава. Устройство имеет конус (6) (изготовленный из аналогичных немагнитных материалов) расположенный над постоянным магнитом, либо над электромагнитом, и соединенный с корпусом клеевым, или иным соединением. В верхней части корпуса расположено кольцевое отверстие (7) образованное наружной частью корпуса (8), и внутренней частью (9) в которой установлен постоянный магнит (4). Наружная и внутренняя части корпуса соединены перемычками (10). Количество перемычек любое, которое может обеспечить надежное крепление магнита, и электродвигателя насоса с наружной частью корпуса. Питание электродвигателя насоса производится от автономного источника тока, или от сети переменного тока. При использовании данного устройства совместно с двигателем внутреннего сгорания насос и электродвигатель не устанавливаются.

Устройство работает следующим образом. При подключении электродвигателя (2) насоса (1) к источнику питания (3) под действием разряжения, создаваемого насосом (1), воздух проходит через кольцевое отверстие (7) между постоянным магнитом (4) и наружной частью корпуса (на фигуре показано стрелкой). Разделение воздуха на кислород и азот

происходит под действием магнитного поля создаваемого постоянным магнитом (4) за счет того, что кислород являясь парамагнитным, концентрируется в магнитном поле постоянного магнита (4) вокруг конуса (6) корпуса, и, оттесняя азот за наружную границу корпуса, проходит к потребителю через кольцевое отверстие (7) устройства. Устройство, устанавливаемое на двигатель внутреннего сгорания, не содержит насоса с электродвигателем, и работает за счет разряжения создаваемого двигателем.

Благодаря использованию в устройстве постоянного магнита с осевой намагниченностью совместно с использованием корпуса данной формы удается эффективно производить разделение атмосферного воздуха на кислород и азот с получением воздуха обогащенного кислородом на выходе устройства. Устройство имеет высокую производительность, зависящую от производительности насоса, малое потребление электроэнергии. Таким образом, предлагаемая полезная модель устройства получения воздуха обогащенного кислородом обладает существенными отличиями, и полезными свойствами по сравнению с известными аналогичными устройствами.

1. Устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом, содержащее насос, электродвигатель, источник питания, цилиндрический постоянный магнит с осевой намагниченностью, установленные в корпусе.

2. Устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом по п.1, отличающееся тем, что в устройстве применен электромагнит.

3. Устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом по п.1, отличающееся тем, что в устройстве применен цилиндрический постоянный магнит, изготовленный из феррита либо из сплава Nd, Fe, В, или Cm, Co.

4. Устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом по п.1, отличающееся тем, что питание электродвигателя насоса производится от автономного источника постоянного тока.

5. Устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом по п.1, отличающееся тем, что питание электродвигателя насоса производится от сети переменного тока.

6. Устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом по п.1, отличающееся тем, что корпус имеет конус, установленный над постоянным магнитом.

7. Устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом по п.1, отличающееся тем, что корпус имеет конус, установленный над электромагнитом.

8. Устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом по п.1, отличающееся тем, что корпус имеет круговое отверстие, образованное наружной и внутренней частями корпуса, соединенных между собой перемычками.

9. Устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен из пластмассы.

10. Устройство для получения воздуха, обогащенного кислородом по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен из немагнитного сплава.

Источник

Кислород в магнитном поле

В настоящее время существует значительное число методик анализа кислорода в газовой смеси. В статьях о капнометрии мы описали технологию мультигазовых анализаторов, в частности, масс-спектрометрию и газовый анализ на основе рамановской технологии, позволяющих применять их и для определения концентрации кислорода.

Парамагнитный кислородный анализатор

В основу проектирования парамагнитных кислородных сенсоров положен следующий постулат: кислород обладает свойством парамагнетизма. Это значит, что его молекулы способны намагничиваться в направлении по полю и вследствие этого притягиваться к полюсам магнита. При температуре 70°С (точка Кюри) кислород превращается в диамагнетик, и его молекулы отталкиваются магнитным полем. Для построения кислородных датчиков используются оба эти свойства кислорода.

Исторически первым, нашедшим широкое применение в медицинской практике, был магнитоакустический способ, использованный фирмой Datex (Финляндия) для разработки кислородного сенсора в начале 80-х годов. Этот способ заключается в том, что анализируемая и эталонная пробы газа помещаются в переменное магнитное поле. Поле навязывает молекулам кислорода дополнительную составляющую скорости. Формируется акустический сигнал, интенсивность которого пропорциональна концентрации кислорода.

Переменное магнитное поле возбуждает акустический сигнал в анализируемой пробе и эталонном газе. На измерительную мембрану микрофона одновременно воздействуют оба акустических сигнала. Мембрана выделяет разностный сигнал. Амплитуда разностного сигнала микрофона пропорциональна отличию концентраций кислорода в пробе и эталонном газе. В качестве эталонного газа используется воздух, содержащий 20,93% кислорода.

Достоинства датчика:
• не требует для работы расходных материалов,
• время реакции порядка 0.15 сек.

Недостаток: ремонт и настройка датчика сложны и могут быть выполнены только с использованием специального оборудования.
Другой способ использования парамагнитного эффекта применяется в термомагнитных кислородных анализаторах. В них молекулы кислорода нагреваются платиновой спиралью до температуры 70-75°С (выше точки Кюри), при которой они становятся диамагнетиками и резко меняют поведение в магнитном поле. Возникает передвижение нагретых молекул кислорода (термомагнитная конвекция).

Измерительным элементом является платиновая спираль, через которую проходит электрический ток. Сила тока пропорциональна количеству затраченного тепла на нагревание кислорода и косвенно пропорциональна концентрации кислорода.

Такие датчики просты по конструкции, надежны и долговечны, но инерционны (время их реакции около 30 сек.).

Источник