Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
2018-12-17
Все заметки
Ядерный магнитный резонанс некоторых материалов в катушке индуктивности
Ещё один вид резонанса не преставает удивлять научный мир на протяжении уже 80-ти лет. За его исследование уже получены 4-е нобелевские премии, на его основе созданы многочисленные приборы спектрометрии, он используется в химических реакциях для аномального поглощения или излучения энергии, а в области медицины это вид резонанса стал совсем незаменим, поскольку лежит в основе метода магнитно-резонансной томографии. Речь идёт о ядерном магнитном резонансе (ЯМР) [1].
Для исследования ЯМР в лабораториях используют довольно сильные магнитные нарастающие или переменные поля и механическое вращение исследуемого материала. При других методах — механика может отсутствовать, но в замен этого сильно усложняется сама методика и необходимое для неё оборудование.
Стенд для исследования ЯМР в катушке индуктивности
Рис.1. Стенд для исследования ЯМР в катушке индуктивности
Задача этой заметки — познакомить читателей с достаточно простым способом обнаружения ЯМР у трёх металлов: меди, железа и алюминия, при помощи резонанса второго рода (РВР) и различных видов катушек индуктивности.
Мы будем применять для исследования классическую схему ключевания параллельного колебательного контура (рис. 1), в котором ёмкость C1 подбирается под резонансную частоту, а катушка индуктивности L1, точнее — материал её проводника, и будет нами исследоваться. Активное сопротивление этой катушки — R1 не влияет на классическую резонансную частоту, а для РВР находится по формуле (1.9). Сразу же заметим, что проявление ЯМР при классическом резонансе во много раз меньше, чем при РВР, поэтому для опытов будем использовать только последний.
Схему генератора GG1 можно взять по одной из следующих ссылок: генератор 1-150кГц, генератор 10-500кГц (рис. 4, 5), либо применить любой другой — с похожими характеристиками.
Материал проводника катушки: медь
Если обычную катушку индуктивности, намотанную медным проводом, ввести в режим классического резонанса или РВР, то признаки ЯМР будут проявляться слабо (фото) или вообще не проявляться. Поэтому, мы будем применять бифилярную намотку (рис. 2.1), в которой, при той же мощности потребления генератора, можно получить большую магнитную индукцию. Это утверждение не является достаточным, т.к. по идее, можно было бы на обычной катушке создать ту же индукцию и получить тот же результат. Однако, эксперименты показали, что в опытах такого рода, для качественного проявления эффектов ЯМР, тип намотки играет огромную роль!
Ещё одним важным проявлением требуемого эффекта является нарушение работы рядом стоящей аппаратуры. Причём эти явления могут происходить на относительно малых мощностях, порядка 3-4Вт. Даже при таких низких энергиях у автора полностью выключался компьютер и зависал осциллограф, что сильно затрудняло исследовательский процесс.
Бифилярная катушка из медного провода
Рис.2.1. Бифилярная катушка из медного провода
Осциллограмма импульсов на медной бифилярной катушке
Рис.2.2. Осциллограмма импульсов на медной бифилярной катушке
Осциллограмма одного импульса при последовательно включении обмоток
Рис.2.3. Осциллограмма одного импульса при последовательно включении обмоток
Осциллограмма одного импульса при параллельном включении обмоток
Рис.2.4. Осциллограмма одного импульса при параллельном включении обмоток
Если на такую катушку (рис. 2.1) подать импульсы с генератора GG1 и посмотреть на общую осциллограмму (рис. 2.2), то проявления ЯМР на ней будут плохо заметны. А вот если осциллограмму развернуть, вплоть до одного импульса, то эффект от ЯМР будет уже хорошо виден (рис. 2.3). В этом случае обмотки катушки соединены последовательно, как в патенте Тесла [2]. Ещё больше этот эффект можно усилить, если соединить обмотки бифилярной катушки параллельно, тогда биения ЯМР будут ещё интенсивнее (рис. 2.4). Возможно, это связано с большей индукцией магнитного поля, но, как уже ранее замечалось, это может оказаться недостаточно полным объяснением.
Зависимость частоты ЯМР от тока в катушке
Рис.3.1. Зависимость частоты ЯМР от тока в катушке
Поскольку частота ЯМР для ядер элементов находится в прямопропорциональной зависимости от индукции магнитного поля [3], то при нарастании тока в катушке, она будет также возрастать. Напомним, что при РВР, фаза тока практически совпадает с фазой напряжения. На рисунке 3.1 показана такая зависимость: когда ток только начинает нарастать, то частота ЯМР наименьшая (f1), а при маскимальном токе — наибольшая (f10).
Провод для катушки, используемой в этом эксперименте, можно взять из аудиокабеля, но жилы в нём должны быть полностью медными — это важно. Диаметр жилы — 0.5-1мм, диаметр всей катушки — 12-13см. Ёмкость C1 — 33нФ, а частота генератора GG1 — порядка 20кГц. Она подстраивается под частоту РВР.
Эксперимент такого формата, по сути, эквивалентен классическому, в котором применяются сильные нарастающие магнитные поля и присутствует механическое вращение исследуемого материала.
Материал проводника катушки: алюминий
Катушка из этого металла, намотанная классическим способом, также не проявит признаков ЯМР на осциллограмме. Для намотки бифилярного варианта автор использовал алюминиевый строительный скотч, намотав его на основание из проводящего материала (рис. 4.1).
Бифилярная катушка из алюминиевого провода
Рис.4.1. Бифилярная катушка из алюминиевого провода
Осциллограмма импульсов ЯМР на алюминиевой бифилярной катушке
Рис.4.2. Осциллограмма импульсов ЯМР на алюминиевой бифилярной катушке
Частота генератора GG1 для РВР в этом случае оказалась чуть выше, а осцилограмма ЯМР получилась такая, как на рисунке 4.2.
Материал проводника катушки: железо
Исключением из ряда явилась катушка, намотанная стальным проводом (марка ПНСВ). Для проявления эффектов ЯМР её можно намотать классическим способом (рис. 5.1).
Классическая катушка из стального провода
Рис.5.1. Классическая катушка из стального провода
Осциллограмма импульсов ЯМР на стальной катушке
Рис.5.2. Осциллограмма импульсов ЯМР на стальной катушке
Частота GG1 в этом случае оказалсь намного ниже, чем с медными и алюминиевыми катушками, что соответствует теории ЯМР.
Выводы
В результате этих исследований был получен достаточно простой метод проявления эффектов ЯМР в катушках индуктивности. Оптимальный способ намотки — бифилярный, причём если намотка ведётся двумя проводами, то наилучшее их соединение — параллельное.
Из предыдущего пункта и из некоторых побочных проявлений ЯМР в виде наводок на рядом стоящую аппаратуру, автор делает предположение, что в процессе получения ЯМР участвует второе магнитное поле [4], которое как раз и отличается наведением индуцированного заряда на одиночные проводники. Также возможно, что процесс ЯМР тесно связан с продольной волной, которая распостраняется вдоль проводника и зависит от таких факторов: его атомной или доменной структуры и от напряжённости магнитного поля в нём. В этом случае такой ЯМР можно назвать продольно-ориентированным.
Судя по осциллограммам, энергия ЯМР выше, чем затраченная на создание магнитного поля. Но существуют энергетические потери на активное сопротивление катушки индуктивности, которые могут нивелировать этот эффект.
Используемые материалы
  1. Ядерный магнитный резонанс
  2. Coil for electro-magnets. US512340, 1984 (Fig. 2)
  3. Частоты ЯМР для ядер элементов в магнитном поле 2.3488 Тл
  4. Г.В. Николаев. Электродинамика физического вакуума