Hallo Harald, Danke für deine Antwort!
Ich muss zugeben, dass ich gar nicht auf dem Schirm hatte dass man so einen Frequenzgenerator fertig kaufen kann. Hast du vielleicht eine Empfehlung für etwas im Preisrahmen bis 150€? Die meisten die ich finde haben einen Output von 10V, meinst du das ist zu niedrig? Auf was müsste man das verstärken für ein passables Feld?



Was ich untersuchen möchte ist die Wärmeentwicklung von Magnetit-nanopartikeln, die durch das Feld angeregt und zum Oszillieren gebracht werden.
In das Magnetfeld sollen mit 4-5mL Probenlösung kommen, also ein ca. 1cm*5cm großes Röhrchen. Der interessante Frequenzbereich liegt zwischen 50 und 120kHz.
Das Feld muss nur einigermaßen homogen sein, so dass sich die Partikel überall ungefähr gleich bewegen.
Von den Daten verspreche ich mir erstmal nichts, was so publiziert werden würde, es geht nur um ein "proof of principle".

An Helmholtzspulen hab' ich zum fertig kaufen nur relativ große gefunden, die sind da eher overkill deswegen dachte ich ich würde die selber wickeln.
(Unter anderem auch weil ich sowas schon immer mal machen wollte und dabei bestimmt was lernen kann :D)

NMR's haben wir einige an der Uni und ich messe da eigentlich jeden Tag dran, aber für diesen Zweck sind sie leider ungeeignet.

Hallo

Wie wäre es mit einem Funktionsgenerator, einem Verstärker und einer Spule?

Für einen Laboraufbau lohnt es sich wohl nicht gleich eine eigene Schaltung dafür zu entwickeln. Such auf deiner Uni mal nach dem Elektronik-Institut, die haben sicher alles was du brauchst. Nur die Spule musst du evtl. noch selber wickeln.

Zitat :

Das Feld soll auf eine Partikeldispersion mit Partikelgrößen im Nanometerbereich wirken, die Feldstärke muss daher nicht hoch sein.

Wie hoch ist "nicht hoch"?

Der Funktionsgenerator ist wohl klar. Als Verstärker kann man im einfachsten Fall einen Audio-Verstärker nehmen. Die Impedanz (der Wechselstromwiderstand) der Spule ist aber freuquenzabhängig. D.h. bei kleiner Frequenz fließt viel Strom, bei hoher Frequenz wenig Strom. Die Flussdichte des erzeugten Magnetfeldes ändert sich natürlich auch entsprechend. Man muss auch aufpassen, dass man den Verstärker durch eine falsch dimensionierte Spule nicht überlastet.

Es gibt aber auch Laborverstärker mit Stromausgang. Das hat den Vorteil, das der Strom und damit die Flussdichte stets proportional zum Eingangssignal ist (solange man innerhalb der Grenzen des Verstärkers bleibt). Außerdem sind Laborverstärker oft besser geschätzt als Audioverstärker und sind nicht so leicht kaputt zu kriegen.


mfg Fritz

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Hallo Fritz,
Vielen Dank für deine Antwort!

Zitat :

Wie wäre es mit einem Funktionsgenerator, einem Verstärker und einer Spule?

Ich denke darauf wird es hinauslaufen. Werde morgen mal schauen ob ich einen Laborverstärker an der Uni auftreiben kann.

Zitat :

Wie hoch ist "nicht hoch"?

In der Literatur werden Feldstärken von ca. 3.2 kA/m angegeben also 0.004T. Das ist nach meinem Verständnis nicht sonderlich hoch, aber da unsere NMRs Feldstärken um die 20T haben ist meine Einschätzung da vielleicht etwas verzerrt...

Zitat :

ist zwischen ein Hz und einigen KHz machbar?

Frequenzmäßig ist das problemlos. Vielleicht aber nicht hinsichtlich der Leistung.

Zitat :

Das Feld soll auf eine Partikeldispersion mit Partikelgrößen im Nanometerbereich wirken, die Feldstärke muss daher nicht hoch sein.

Was die Feldstärke mit der Partikelgröße zu tun haben soll, erschliesst sich mir nicht. Wenn du die magnetische Sättigung erreichen willst, könnte das bei hohen Frequenzen sogar schwierig werden.

Zitat :

Was ich untersuchen möchte ist die Wärmeentwicklung von Magnetit-nanopartikeln, die durch das Feld angeregt und zum Oszillieren gebracht werden. In das Magnetfeld sollen mit 4-5mL Probenlösung kommen, also ein ca. 1cm*5cm großes Röhrchen. Der interessante Frequenzbereich liegt zwischen 50 und 120kHz

Die Teilchen sollen sich im Magnetfeld bewegen?
Da solltest du vorab mal die benötigte Feldstärke abschätzen und auch daran denken, dass du sie im Wechselfeld evtl. entmagnetisierst. Wenn sie sich drehen sollen, wirst du zwei zueinander senkrechte Magetfelder mit sin / cos Erregung brauchen.

Wie willst du die Erwärmung messen? Wenn die Lösung eine nennenswerte elektrische Leitfähigkeit hat (dein Vorhaben erinnert mich an gewisse Ansätze zur Tumorbehandlung) wird sie sich auch schon durch die induzierten Wirbelströme erwärmen.

Zitat :

NMR's haben wir einige an der Uni und ich messe da eigentlich jeden Tag dran, aber für diesen Zweck sind sie leider ungeeignet.

Da rotiert das Probenröhrchen doch auch sehr schnell. Damit käme man immerhin auf ein paar Hundert Hertz bei einem enorm starken Magnetfeld (bringt allerings nix mehr, da ferromagnetische Material bei diesen Feldstärken längst gesättigt ist.) Vielleicht steht in irgend einer Ecke noch ein 60MHz NMR, das keiner mehr haben will, und das man bebasteln kann.

Helmholtzspulen dürften jedenfalls recht ungeignet sein, weil die erreichbaren Feldstärken eher bescheiden sind und das Energie speichernde Volumen außerhalb der Probe recht groß ist.
Ich würde eher an die Ablenkjoche von alten Farbfernsehröhren denken. Die erzeugen mittels spezieller und präziser Wickeltechnik zwei sehr gleichmäßige aufeinander senkrecht stehende Magnetfelder und haben einen magnetischen Rückschluß in Form eines Ferritringes. Das Probevolumen entspricht dann dem Durchmesser des Bildröhrenhalses, also vielleicht 25mm Durchmesser.
Die einzuspeisenden (Blind)leistungen sind allerdings beträchtlich: Größenordnung 3Ass an 5mH für die mit 15,6 kHz betriebene H-Ablenkspule. Bei 50kHz wären das schon etwa 150..200VA, also nix für ganz billige Verstärker.
Vielleicht kann man man etwas mit den Wandlern der Induktionsheizplatten vom Küchenherd anstellen, aber ich kenne mich mit der Schaltungstechnik dieser resonanten Systeme bisher nicht aus.

Zitat :

Die Teilchen sollen sich im Magnetfeld bewegen? Da solltest du vorab mal die benötigte Feldstärke abschätzen und auch daran denken, dass du sie im Wechselfeld evtl. entmagnetisierst. Wenn sie sich drehen sollen, wirst du zwei zueinander senkrechte Magetfelder mit sin / cos Erregung brauchen.

Drehen sollen sie sich nicht, wenn sie in einer Raumrichtung oszillieren reicht das schon.

Zitat :

Wie willst du die Erwärmung messen? Wenn die Lösung eine nennenswerte elektrische Leitfähigkeit hat (dein Vorhaben erinnert mich an gewisse Ansätze zur Tumorbehandlung) wird sie sich auch schon durch die induzierten Wirbelströme erwärmen.

Mit einem Thermometer, also eigentlich ganz simpel. Die Suspension ist auf Basis von dest. Wasser (genauer milliQ), also kaum Leitfähig. Die Idee kommt, genau wie du sagst, aus der Anwendung zur lokalen Hyperthermie, es geht nur darum zu zeigen, dass das mit anders modifizierten Partikeln auch möglich ist.
Ich habe mal ein Bild angehängt wie der typische Aufbau in der Literatur beschrieben ist. Es gibt auch noch ein Setup, in der die Probe über einer Spule mit Ferritkern steht, habe aber auf die schnelle leider keine Abbildung gefunden.

Zitat :

Drehen sollen sie sich nicht, wenn sie in einer Raumrichtung oszillieren reicht das schon.

Das werden sie nicht tun, sondern sich am Magnetfeld ausrichten, Feierabend.
Störungen, die das Magnetfeld "repariert", kommen dann nur durch die Brownsche Bewegung zustande. *)


Mir ist noch nicht klar, ob deine Nanopartikel hart- oder weichmagnetisch sind, und ob die Erwärmung durch innere Verluste des Materials, wie Wirbelstrom und Hysterese, oder durch die Reibung von bewegten Teilchen in einer viskosen Flüssigkeit erfolgen soll.

Generell möchte ich annehmen, dass deine Partikel, egal ob sie nadel- oder eher kugelförmig sind, eine magnetische Vorzugsrichtung haben, also magnetisch anisotrop sind.

Ein weichmagnetisches Material wird sich parallel zu den Feldlinien ausrichten und das war's dann: Bei einer Umpolung des Feldes ändert sich an der Ausrichtung nichts.
Dort können also nur Hysterese und Wirbelströme zur Erwärmung beitragen.
Bei einem rotierenden Feld allerdings werden auch Reibungskräfte auftreten, weil die Teilchen sich ja ständig neu orientieren müssen. Die Rotationsgeschwindigkeit der Teilchen kann dabei langsamer als die des Feldes sein --> Drehstrom Asynchronmotor, Schlupf.

Hartmagnetisch magnetisierte Teilchen sollten sich, sofern sie nicht sofort verklumpen, parallel oder antiparallel zu den Feldlinien einstellen, wobei im Laufe der Zeit die energetisch günstigere Orientierung überwiegt.
Nennenswerte, aber grosse, Hystereseverluste bekommst du bei hartmagnetischen Materialien erst oberhalb einer Mindestfeldstärke, die zur Ummagnetisierung ausreicht, also größer als die Koerzitivkraft ist.

Das Problem hierbei ist, dass auch schwache Wechselfelder eine allmähliche Entmagnetisierung bewirken können, und am Schluß hast du ein entmagnetisiertes Material mit µ_rel knapp über 1, also nur schwach ferromagnetisch.

Auch hier könnte ein Drehfeld helfen, dessen Frequenz allerdings nicht über der durch die Viskosität begrenzen möglichen Rotationsgeschwindigkeit der Teilchen liegen darf.
Dann sieht das Teilchen kein Wechselfeld mehr, sondern nur ein Gleichfeld, das seiner eigenen Magnetisierung allerdings um eine bestimmten Winkel voreilt. ---> Drehstromsynchronmotor, Schlupf=0.

Dass ich hier die Drehstrommaschinen erwähne, muss dich nicht verwirren. Die Verhältnisse dort sind eben in der technischen Literatur tausendfach beschrieben.
In Wirklichkeit handelt es ich auch dabei um eine durch sin und cos zu beschreibende kreisförmige Veranstaltung, und mit Hilfe von Transformatoren kann man problemlos zweiphasige um 90° phasenverschobene Spannungen in den dreiphasigen um 120° verschobenen Drehstrom umformen - und entgegengesetzt.

Zur preisgünstigen experimentellen Herstellung eines magnetischen Drehfeldes könnte ich mir vorstellen einen kleinen Gleichstrommotor zu entkernen, also den Anker sowie das hintere Lagerschild mit den Bürsten zu entfernen, so dass nur die beiden Ferritmagneten sowie das Gehäuse, das als magnetischer Rückschluss dient, übrig bleibt.
Die gebogenen Magneten sollten ein leidlich homogenes Feld erzeugen (müsste man mal kontrollieren), das wesentlich stärker ist, als was mit vertretbarem Aufwand elektrisch möglich ist.
In diese Anordnung, die man mittels Elektromotor oder Druckluft auf vielleicht 30.000 bis 60.000 /min beschleunigt, kannst du bequem dein (wärmeisoliertes) Probenröhrchen hineinhängen.

Splitterschutz wird sinnvoll sein.



*) P.S.:
In einem magnetischen Gleichfeld sollte dadurch sogar eine bescheidene Kühlwirkung zustande kommen.



[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am 29 Jun 2018  0:06 ]

Hey Perl, danke für deine detaillierte Antwort! Die Idee mit dem Motor hört sich interessant an.

Zitat :

Mir ist noch nicht klar, ob deine Nanopartikel hart- oder weichmagnetisch sind, und ob die Erwärmung durch innere Verluste des Materials, wie Wirbelstrom und Hysterese, oder durch die Reibung von bewegten Teilchen in einer viskosen Flüssigkeit erfolgen soll.

Es handelt sich um Magnetitpartikel, also eigentlich ein ferrimagnetisches Material, durch die Nanometerskala tritt allerdings Superparamagnetismus auf.
Zur Erwärung trägt zum einen durch Brown'sche Relaxation,zum anderen (und größten Teil, deswegen auch die hohen Frequenzen) die Neél-Relaxation bei.

Zitat :

In diese Anordnung, die man mittels Elektromotor oder Druckluft auf vielleicht 30.000 bis 60.000 /min beschleunigt, kannst du bequem dein (wärmeisoliertes) Probenröhrchen hineinhängen.

"Bequem" ist gut! Das klingt eher nach einer Schrapnellschleuder.

Der Stator einer Gleichstrommaschine ist ja normalerweise nicht gewuchtet und außerdem nicht für Fliehkräfte ausgelegt. Und selbst bei 60krpm sind wir immer noch weit von den geplanten 120kHz entfernt.

mfg Fritz

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Zitat :

Und selbst bei 60krpm sind wir immer noch weit von den geplanten 120kHz entfernt.

Das ist in der Tat wahr.
Bei Teilchen von z.B. 50nm größter Ausdehnung ergibt sich bei 1 kHz (60.000/min) eine Umfangsgeschwindigkeit von gerade mal 0,16mm/s. Selbst eine deutsche Wegschnecke ist schneller und erzeugt bei ihrer Bewegung keine meßbare Wärme.

Jedenfalls gelingt es mit einem homogenene Feld nicht auf die Teilchen eine transversale Kraft auszuüben. Weder in Richtung der Magnetfeldlinien, noch senkrecht dazu.
Damit die Teilchen longitudinale Schwingungen ausüben, braucht man ein inhomogenes Feld.

Das bringt mich aber zu einer anderen Idee, wie man die Teilchen mit geringem Aufwand in eine hochfrequente rotatorische Oszillation versetzen könnte:

Unter der bereits von mir geäußerten Voraussetzung, dass die Teilchen magnetisch anisotrop sind, könnte man sie mit einem starken Permanentmagneten, z.B. NdFeB oder geht Eu anstelle von Nd auch , ausrichten, und dann lässt man senkrecht zu dem statischen Feld das hochfrequente Magnetfeld wirken.
Je stärker das statische Feld ist, umso stärker werden (bis zur Sättigung) die Teilchen magnetisiert, und umso stärker wechselwirken sie mit dem HF-Feld.

Dadurch machen die Teilchen, wie eine Kompassnadel, eine Drehschwingung um die von dem Dauermagneten vorgegebene Ruhelage.

Hier kommt nun wieder die billige Induktionskochplatte ins Spiel, die zwar nur bei einer einzigen Frequenz im Bereich von 20..50kHz (Wiki) aber doch immerhin Leistungen im kW-Bereich liefern kann.

Man müsste dazu in erster Linie die Flachspule durch eine kleinere Wicklung passender Induktivität, z.B. aus einer von Kühlwasser durchströmten Kupferkapillare, ersetzen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Induktionskochfeld

P.S.:
In diesem http://www.st.com/content/ccc/resou.....1.pdf Artikel finden sich ein paar Anhaltsdaten zur Schaltungstechnik solcher Kochplatten und zu den zu erwartenden Induktivitätswerten der Spule.


[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am 29 Jun 2018 22:34 ]

Zitat :

...könnte man sie mit einem starken Permanentmagneten, z.B. NdFeB oder geht Eu anstelle von Nd auch, ausrichten, und dann lässt man senkrecht zu dem statischen Feld das hochfrequente Magnetfeld wirken.

Das erinnert mich ein wenig an ein früheres Projekt von mir:
https://www.j-sens-sens-syst.net/5/447/2016/jsss-5-447-2016.pdf

Wir haben am Institut schon mehrere Prototypen mit ähnlichem Aufbau gemacht. Da ging's jedoch immer um Viskositätsmessung. Unsere "Partikel" sind meistens Stahl- oder Magnetkugeln mit wenigen Millimetern Durchmesser. Mit magnetischen Nanopartikeln haben wir noch nichts gemacht.

Bringt man einen magnetisierbaren Körper in ein statisches Magnetfeld so wirkt eine gewisse Rückstellkraft bzw. ein Rückstellmoment (abhängig vom Aufbau). Zusammen mit der Masse bzw. dem Trägheitsmoment ergibt das ein schwingfähiges System. Trifft die Frequenz des Anregesignals diese Resonanz sollte man den Körper bzw. die Partikel effektiv zum Schwingen bzw. Pendeln anregen können.

mfg Fritz

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Das Interessante an Magnetitnanopartikeln ist ja, dass im gesamten Partikel eine einzige magnetische Domäne existiert, man kann also annehmen, dass nur ein einziges magnetisches Moment im Partikel vorhanden ist. Das magnetische Moment hat idR. nur zwei antiparallele stabile Orientierung, die durch das Wechselfeld soll zwischen diesen Orientierungen "gewechselt" werden, die Wärme entsteht aus den aus der Umorientierung resultierenden Phononen (Gitterschwingungen) und Magnonen.
Rotation und Translation sind hier also eigentlich eher Nebensächlich.

Ich habe jetzt eine Publikation gefunden, in der mit einer 7.5- windigen Spule bei 115A die benötigten Feldstärken erreicht wurden. Ist das realistisch? Welche Dicke sollte denn da ein Draht haben, damit er sowas aushält? (Gibts da vielleicht irgendwelche tabellierten Werte, woraus man sowas ziehen kann?)

Übrigens möchte ich mal gesagt haben, dass ich dieses Forum total klasse finde, hab selten so viele hilfsbereite und nette Leute auf einem Haufen angetroffen!

Zitat :

In der Literatur werden Feldstärken von ca. 3.2 kA/m angegeben also 0.004T.

Zitat :

Publikation gefunden, in der mit einer 7.5- windigen Spule bei 115A die benötigten Feldstärken erreicht wurden. Ist das realistisch?

Lass die zylindrische Spule 10 cm lang gewesen sein, dann kommst du überschlägig auf 115*7,5/0,1 = 8,6 kA/m.
Für Helmholtzspulenpaare sind mir die Formeln nicht geläufig, aber die Feldstärken werden geringer sein.

Wobei man immer daran denken sollte, dass bei Wechselströmen meist nicht die Amplitude (der Spitzenstrom I_s) oder der auch oft benutzte Spitze-Spitze-Wert (I_ss) genannt wird, sondern regelmäßig der Effektivwert I_eff, der bei einer halbwegs sinusförmigen Schwingung ca. 70% der Amplitude beträgt.

Zitat :

Welche Dicke sollte denn da ein Draht haben, damit er sowas aushält?

Das ist ein erster Linie eine Frage der Kühlung. Die Tabellen und Formeln für die Strombelastbarkeit, welche die die Starkströmer verwenden, sind bei Hochfrequenz aber nicht mehr brauchbar.

Wegen des Skineffekts nimmt man bei Hochfrequenz für derartige Ströme keine massiven Drähte mehr, sondern Folien, Bänder oder Rohre.
Rohre haben u.a. den Vorteil, dass man Kühlwasser hindurch leiten kann.
Gelegentlich kommt auch noch Hochfrequenzlitze zum Einsatz, die aus einer Vielzahl voneinander iolierter und miteinander verseilter Kupferdrähtchen mit einem Durchmesser von 0,05..0,1mm besteht. Solche HF-Litze ist aber, besonders mit dem hier erforderlichen großen Querschnitt, recht teuer.

Eine wasserdurchströmte Cu-Kapillare, mit vielleicht 5mm Außendurchmesser, wie sie auch bei diversen Laborgasen zu finden ist, dürfte jedoch völlig ausreichen. Vermutlich sind die dafür gebräuchlichen Schneidklemmverbindungen (Swagelocks) sogar für die Stromzuführung geeignet.

Offtopic :

P.S.: Zitat : man kann also annehmen, dass nur ein einziges magnetisches Moment im Partikel vorhanden ist. Das magnetische Moment hat idR. nur zwei antiparallele stabile Orientierung, die durch das Wechselfeld soll zwischen diesen Orientierungen "gewechselt" werden, die Wärme entsteht aus den aus der Umorientierung resultierenden Phononen (Gitterschwingungen) und Magnonen Also praktisch die rechteckige Hystereseschleife eines hartmagnetischen Werkstoffs? Die Ferritkernspeicher aus frühen Elektronenrechner lassen grüßen.

[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am  3 Jul 2018  4:41 ]

Zitat :

...in der mit einer 7.5- windigen Spule bei 115A die benötigten Feldstärken erreicht wurden.

Aber 115A klingt schon viel! Das ist mehr die Liga von Schweißgeräten. Da gibt es zwar auch welche die AC-Ströme erzeugen können, allerdings nicht mit so hoher Frequenz.

Vielleicht sollte man doch eher die Windungszahl soweit erhöhen um in den Strom-Bereich zu kommen der von "normalen" Verstärkern noch abgedeckt werden kann.


Das Problem ist halt der hohe Blindstrom der erzeugt werden muss, der erhöht die nötige Ausgangsleistung des Verstärkers enorm! Man könnte aber den Blindstrom aber auch mit einem geeigneten Kondensator kompensieren, dann sollte man mit einem viel kleinerem Verstärker auskommen.
Man erhält dann zb. einen Serienschwingkreis. Regt man diesen bei seiner Resonanzfrequenz an liefert der Kondensator die "Blindspannung" für die Spule und der Verstärker muss nur noch die Wirkleistung liefern die in Spule und Kondensator verbraucht wird.
Diesen Trick kenne ich von den DRSSTCs (ein Thema, das hier im Forum nicht erlaubt ist, daher gehe ich nicht näher darauf ein, bitte selber googlen), aber wahrscheinlich werden die Induktionskochfelder es ähnlich machen.

Das Problem dieser Methode ist halt, dass sie nur bei Resonanzfrequenz funktioniert. Aber man könnte ja zb. zwischen mehreren Kondensatoren (und mehreren Spulen) umschalten und so verschiedene Resonanzfrequenzen zu erhalten.

mfg Fritz

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