Магнитные свойства - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород

Магнетизм - особая форма взаимодействия между движущимися электрически заряженными частицами. Он присущ горным породам, так как они имеют способность намагничиваться в магнитном поле, изменять это поле, а также сохранять намагниченное состояние после прекращения действия поля.

Магнитное поле характеризуется величинами:

Н - напряженность (А/м) - определяет величину и направление действия магнитных сил;

В - магнитная индукция (Тесла [1 Тл = Вебер/м2])- векторная величина, выражающая интенсивность магнитного поля;

I - намагниченность (А/м)- функция напряженности внешнего магнитного поля; является векторной величиной и представляет собой магнитный момент единичного объема вещества.

- магнитная восприимчивость (безразмерная величина)- способность веществ намагничиваться;

µ - магнитная проницаемость (Гн/м) - способность веществ изменять магнитную индукцию;

Ч - удельная магнитная восприимчивость (ед. СИ) - магнитная восприимчивость единицы массы.

Формулы:

- магнитная индукция, где м0 = 4р10-7Гн/м;

IV = H - объемная намагниченность;

М = 1+ - магнитная проницаемость;

Ч = /д - удельная магнитная восприимчивость;

- массовая намагниченность.

Из курса физики известно, что одни вещества ослабляют внешнее поле и называются диамагнетиками, а другие усиливают это поле и называются парамагнетиками. Среди парамагнетиков существует группа веществ, вызывающих очень большое усиление внешнего поля - ферромагнетики.

Структура спин-орбитальных моментов атомов под действием магнитного поля у диамагнетиков:

До действия поля Во время действия поля После действия поля

Спин-орбитальные Спин-орбитальные Спин-орбитальные

Моменты взаимно моменты моменты возвращаются

Скомпенсированы, противоположны в первоначальное

Объект не магнитен направлению поля состояние

Структура спин-орбитальных моментов атомов под действием магнитного поля у парамагнетиков:

До действия поля Во время действия поля После действия поля

Спин-орбитальные Спин-орбитальные Спин-орбитальные

Моменты взаимно моменты преимущест - моменты возвраща-

Скомпенсированы венно ориентированы ются в первоначальное

Из-за разориентации в направлении поля состояние

Структура спин-орбитальных моментов атомов под действием магнитного поля у ферро-, ферри - и антиферромагнетиков:

До действия поля Во время действия поля После действия поля

Домены между Домены целиком Доменам не хватает

Собой взаимно ориентируются энергии возвратиться

Скомпенсированы вдоль поля в исходное состояние

Однородные вещества:

Водород

Диамагнетики вода м<1 [0,999], B<H

Медь

Висмут

Азот

Парамагнетики кислород м>1 [1,0001], B>H

Алюминий

Вольфрам

Кобальт

Никель м>>1 [102 -104], B>>H

Ферромагнетики железо

Сталь

Физические причины диа-, пара - , и ферромагнетизма обусловлены магнитными моментами, являющимися суммой магнитных моментов электронов, атомов и доменов. Элементарные магнитные диполи могут существовать в горных породах независимо от внешнего поля или возникать под его воздействием.

Твердая фаза

Диамагнитные минералы (<11)

Апатит

Галит

Гипс

Графит

Кальцит

Кварц

И др.

Парамагнитные минералы (>1)

Доломит

Ильменит

Магнезит

Мусковит

Пироксен

И др.

Ферромагнитные минералы (>>1)

Это минералы, в которых целые объемы (домены) обладают магнитными моментами (имеется внутреннее молекулярное поле). Взаимодействуют соседние атомы кристаллической решетки и это взаимодействие спиновое, в отличие от орбитального (внутри атома).

    А) ферромагнетик ( - гематит) (самородное метеоритное железо)

Параллельное

Расположение

Спинов в

Отдельном

Домене

Б) ферримагнетик (магнетит)

Антипарал-

Лельное араллель-

Располо-

Жение

Спинов в

Отдельном

Домене

В) антиферромагнетик (сидерит)

Антипараллель-

Ное расположение

Спинов в отдельном

Домене

Содержанием ферримагнитных минералов в горных породах (их примерно 15) в основном и обусловлена намагниченность горных пород.

Основные особенности ферримагнитных минералов

При определенной температуре (точка Кюри) теряются магнитные свойства, и ферримагнетики становятся парамагнетиками (среднея t 500).

Характерна остаточная магнитная индукция, ввиду особенностей намагничивания-размагничивания (петля Гистерезиса) (рис. 84):

петля гистерезиса ферромагнетика и ее участки

Рис. 84. Петля гистерезиса ферромагнетика и ее участки:

Нk - коэрцитивная сила - напряженность, при которой происходит полное размагничивание;

Нm - напряженность насыщения;

Вm - индукция насыщения;

В0 - остаточная индукция при Н = 0

Намагниченность диа - и парамагнетиков характеризуется линейной зависимостью (рис.85, а) и таким же образом выглядит зависимость от H, поскольку JV = H. Для ферримагнетиков зависимость от Н сложная (рис. 85,б).

кривая намагничивания слабомагнитных веществ (а) и график их коэрцитивного спектра (б)

Рис. 85. Кривая намагничивания слабомагнитных веществ (а) и график их коэрцитивного спектра (б)

На показатель большое влияние оказывает форма включения минералов, их размер. При увеличении размеров зерен увеличивается, а коэрцитивная сила уменьшается. Значение у минералов изменяется от -0,4Ч10-5 до 1 ед. СИ. Для кубических монокристаллов магнетита свойственна анизотропия. Намагничивание происходит легче по оси диагонали куба и наиболее трудно в направление его ребер. С уменьшением размеров зерен у ферримагнитных минералов уменьшается. С ростом растягивающей нагрузки увеличивается у минералов с положительной магнитострикцией (магнетит) и уменьшается у минералов с отрицательной магнитострикцией (ферромагниты). При одноосном сжатии у магнетитсодержащих минералов уменьшается. Под действием всестороннего давления почти все виды остаточного намагничивания минералов (гематита, магнетита, титаномагнетитов и др.) уменьшаются.

Зависимость от температуры у ферри - и парамагнетиков отличается, притом, что форма кривых подобна и при нагреве, и при охлаждении агрегатов. Однако, у минералов, устойчивых к намагничиванию (магнетит), при повторных нагревах зависимость от Т практически не изменяется, что не соблюдается для парамагнетиков (рис. 86).

зависимости магнитной восприимчивости от т

Рис. 86. Зависимости магнитной восприимчивости от Т: 1 - нагрев, 2 - охлаждение

Магнитные свойства минерального состава горных пород в основном определяются примесью ферромагнитных минералов (магнетит, гематит, самородное и метеоритное железо и др.). Тенденция изменения магнитной восприимчивости у минералов групп различной литологической принадлежности следующая (рис. 87):

Рис. 87. Тенденция изменения магнитной восприимчивости для минералов групп различной литологической принадлежности

Похожие статьи




Магнитные свойства - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород

Предыдущая | Следующая