Науково-дослідний сайт В'ячеслава Горчіліна
2018-12-17
Всі статті
Ядерний магнітний резонанс деяких матеріалів в котушці індуктивності
Ще один вид резонансу не преставает дивувати науковий світ уже впродовж 80-ти років. За його дослідження вже отримано 4-е нобелівські премії, на його основі створені численні прилади спектрометрії, він використовується в хімічних реакціях для аномального поглинання або випромінення енергії, а в області медицини це вид резонансу став зовсім незамінний, оскільки лежить в основі методу магнітно-резонансної томографії. Мова йде про ядерному магнітному резонансі (ЯМР) [1].
Для дослідження ЯМР в лабораторіях використовують досить сильні магнітні наростаючі або змінні поля і механічне обертання досліджуваного матеріалу. При інших методах — механіка може бути відсутнім, але в замін цього сильно ускладнюється сама методика і необхідне для неї обладнання.
Стенд для исследования ЯМР в катушке индуктивности
Рис.1. Стенд для дослідження ЯМР в котушці індуктивності
Завдання цієї статті — познайомити читачів з досить простим способом виявлення ЯМР у трьох металів: міді, заліза і алюмінію, за допомогою резонансу другого роду (РВР) і різних видів котушок індуктивності.
Ми будемо застосовувати для дослідження класичну схему ключевания паралельного коливального контуру (рис. 1), в якому ємність C1 підбирається під резонансну частоту, а котушка індуктивності L1, точніше — її матеріал провідника, і нами буде досліджуватися. Активний опір цієї котушки — R1 не впливає на класичну резонансну частоту, а для РВР знаходиться за формулою (1.9). Відразу ж зауважимо, що прояв ЯМР при класичному резонансі в багато разів менше, ніж при РВР, тому для дослідів будемо використовувати тільки останній.
Схему генератора GG1 можна взяти по одній з наступних посилань: генератор 1-150кГц, генератор 10-500кГц (рис. 4, 5), або застосувати будь-який інший — з схожими характеристиками.
Матеріал провідника котушки: мідь
Якщо звичайну котушку індуктивності, намотану мідним дротом, ввести в режим класичного резонансу або РВР, то ознаки ЯМР будуть проявлятися слабо (фото) або взагалі не проявлятися. Тому, ми будемо застосовувати бифилярную намотування (рис. 2.1), в якій, при тій же потужності споживання генератора, можна отримати велику магнітну індукцію. Це твердження не є достатнім, т. к. по ідеї, можна було б на звичайній котушці створити ту ж індукцію і отримати той же результат. Однак, експерименти показали, що в дослідах такого роду, для якісного прояву ефектів ЯМР, тип намотування відіграє величезну роль!
Ще одним важливим проявом необхідного ефекту є порушення роботи поруч стоїть апаратури. Причому ці явища можуть відбуватися на порівняно малих потужностях, близько 3-4Вт. Навіть при таких низьких енергіях у автора повністю виключався комп'ютер і зависав осцилограф, що сильно ускладнювало дослідницький процес.
Бифилярная катушка из медного провода
Рис.2.1. Бифилярная котушка з мідного дроту
Осциллограмма импульсов на медной бифилярной катушке
Рис.2.2. Осцилограма імпульсів на мідній бифилярной котушці
Осциллограмма одного импульса при последовательно включении обмоток
Рис.2.3. Осцилограма одного імпульсу при послідовно включенні обмоток
Осциллограмма одного импульса при параллельном включении обмоток
Рис.2.4. Осцилограма одного імпульсу при паралельному включенні обмоток
Якщо на таку котушку (рис. 2.1) подати імпульси з генератора GG1 та подивитися на загальну осциллограмму (рис. 2.2), то прояви ЯМР на ній будуть погано помітні. А ось якщо осциллограмму розгорнути, аж до одного імпульсу, то ефект від ЯМР буде вже добре видно (рис. 2.3). У цьому випадку обмотки котушки з'єднані послідовно, як у патенті Тесла [2]. Ще більше цей ефект можна підсилити, якщо з'єднати обмотки бифилярной котушки паралельно, тоді биття ЯМР будуть ще інтенсивніше (рис. 2.4). Можливо, це пов'язано з більшою індукцією магнітного поля, але, як уже раніше зазначалося, це може виявитися недостатньо повним поясненням.
Зависимость частоты ЯМР от тока в катушке
Рис.3.1. Залежність частоти ЯМР від струму в котушці
Оскільки частота ЯМР для ядер елементів знаходиться в прямопропорційній залежності від індукції магнітного поля [3], то при наростанні струму в котушці, вона буде також зростати. Нагадаємо, що при РВР, фаза струму практично збігається з фазою напруги. На рисунку 3.1 показана така залежність: коли струм тільки починає наростати, то частота ЯМР найменша (f1), а при маскимальном струмі — найбільша (f10).
Провід для котушки, використовуваної в цьому експерименті, можна взяти з аудіокабель, але жили в ньому повинні бути повністю мідними — це важливо. Діаметр жили — 0.5-1мм, діаметр всій котушки — 12-13см. Ємність C1 — 33нФ, а частота генератора GG1 — близько 20кГц. Вона підлаштовується під частоту РВР.
Експеримент такого формату, по суті, еквівалентний класичному, в якому застосовуються сильні наростаючі магнітні поля і присутній механічне обертання досліджуваного матеріалу.
Матеріал провідника котушки: алюміній
Котушка з цього металу, намотана класичним способом, також не проявить ознак ЯМР на осцилограмі. Для намотування бифилярного варіанти автор використовував будівельний алюмінієвий скотч, намотавши його на основу з провідного матеріалу (рис. 4.1).
Бифилярная катушка из алюминиевого провода
Рис.4.1. Бифилярная котушка з алюмінієвого дроту
Осциллограмма импульсов ЯМР на алюминиевой бифилярной катушке
Рис.4.2. Осцилограма імпульсів ЯМР на алюмінієвій бифилярной котушці
Частота генератора GG1 для РВР в цьому випадку виявилася трохи вище, а осцилограмма ЯМР вийшла така, як на рисунку 4.2.
Матеріал провідника котушки: залізо
Винятком з ряду з'явилася котушка, намотана сталевим дротом (марка ПНСВ). Для прояву ефектів ЯМР її можна намотати класичним способом (рис. 5.1).
Классическая катушка из стального провода
Рис.5.1. Класична котушка зі сталевого дроту
Осциллограмма импульсов ЯМР на стальной катушке
Рис.5.2. Осцилограма імпульсів ЯМР на сталевий котушці
Частота GG1 в цьому випадку опинилася набагато нижче, ніж з мідними і алюмінієвими котушками, що відповідає теорії ЯМР.
Висновки
В результаті цих досліджень було отримано досить простий метод прояви ефектів ЯМР в котушках індуктивності. Оптимальний спосіб намотування — бифилярный, причому якщо намотка ведеться двома проводами, то найкраще їх з'єднання — паралельне.
З попереднього пункту і з деяких побічних проявів ЯМР у вигляді наведень на поруч стоїть апаратуру, автор робить припущення, що в процесі отримання ЯМР бере участь друге магнітне поле [4], яке якраз і відрізняється наведенням індукованого заряду на поодинокі провідники. Також можливо, що процес ЯМР тісно пов'язаний з поздовжньою хвилею, яка поширюється вздовж провідника і залежить від таких факторів: його атомної або доменної структури і від напруженості магнітного поля в ньому. У цьому випадку такий ЯМР можна назвати поздовжньо-орієнтованим.
Судячи з осциллограммам, енергія ЯМР вище, ніж витрачена на створення магнітного поля. Але існують енергетичні втрати на активний опір котушки індуктивності, які можуть нівелювати цей ефект.
Використовувані матеріали
  1. Ядерний магнітний резонанс
  2. Coil for electro-magnets. US512340, 1984 (Fig. 2)
  3. Частоти ЯМР для ядер елементів у магнітному полі 2.3488 Тл
  4. Р. В. Миколаїв. Електродинаміка фізичного вакууму