Основы теории магнетизма

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

 

 

Горная порода, помещенная в магнитное поле напряженности Н, намагничивается под его воздействием. Характеристика поля, учитывающая намагничивание среды, называется магнитной индукцией В:

 

(4.1)

 

где J - намагниченность, равная магнитному моменту единицы объема горной породы; m₀ - магнитная проницаемость вакуума.

Намагниченность зависит как от величины намагничивающего поля, так и от параметра χ - магнитной восприимчивости, характеризующей способность горной породы (вещества) намагничиваться над действием магнитного поля,

(4.2)

Намагниченность, так же, как и напряженность поля, измеряется в системе СИ в ампер на метр (А/м). Порядок минимальной намагниченности горных пород-10^-3 А/м. Магнитная восприимчивость является безразмерной величиной, но имеет разные значения в систем единиц СИ и СГС:

 

 

Магнитную восприимчивость горных пород принято измерять в n×10^-5 ед. СИ; именно такой порядок значений имеет æ у наименее магнитных пород.

Способность породы намагничиваться характеризуют с помощью другого магнитного параметра m - магнитной проницаемости. Из выражений (4.1) и (4.2) получаем

 

(4.3)

Если , тогда

Магнитная проницаемость показывает, во сколько раз увеличилось магнитное поле в результате намагничивания среды.

 

3.3.1 Элементарные носители магнетизма

 

Элементарными носителями магнетизма горных пород являются в основном электроны атома, которые характеризуются полным зарядом е, массой т₀ и спином. Спин отражает скорость вращения электрона вокруг собственной оси и обладает магнитным моментом ±m_в,

названного магнетоном Бора: (4.4)

где ħ-постоянная Планка.

Положение электрона в атоме определяется комбинацией значений трех квантовых чисел (n, l, m) и орбитой - в квантовой механике называемой орбиталью.

n - главное квантовое число, которое может принимать значения 1, 2, 3,... оно характеризует номер электронной оболочки, где находится электрон.

l - орбитальное квантовое число, которое указывает на форму орбитали и может иметь целочисленные значения от 0 до (n - 1). Орбитали где l = 0,1,2,3 соответственно называются s-, p-, d- и f-орбиталями. С орбитальным движением электрона связан орбитальный магнитный момент:

 

(4.5)

 

Для каждого заданного l существует (2l+1) орбиталей, которые отличаются только направлением орбитального момента движения.

m - магнитное квантовое число, которое характеризует возможные варианты пространственной ориентировки орбитали и принимает целочисленные значения от -l до l, включая нуль.

одну орбиталь с конкретной комбинацией трех квантовых чисел (согласно принципу Паули) могут занимать не более чем два электрона с противоположными спинами.

рассмотрим порядок заполнения орбиталей галита – NaCl. Здесь 3s-электрон натрия переходит к атому хлора на 3р-орбиталь, компенсируя все магнитные моменты (рис. 4.1).

 

 

Рис. 4.1 - Заполнение внешних электронных оболочек у галита.

Кружки - орбитали, стрелки - спиновые магнитные моменты

 

 

При воздействии внешнего магнитного поля на движущиеся электрические заряды диэлектрика в его атомах индуцируется магнитный момент, противоположный внешнему магнитному полю.

Как известно, электронная структура атомов определяется последовательным заполнением электронами орбиталей: - 1s, 2s, 2p, 3s, 3р, 4s, 3d, 4р, 5s, 4d, 5р. при этом прослеживаются два порядка:

- у атомов элементов последовательно заполняются орбитали от внутренних к внешним, при этом на внешних - либо сосредоточено максимальное возможное число электронов, либо их нет вовсе, поэтому магнитные моменты электронов здесь скомпенсированы (диамагники);

- у атомов элементов (начиная с четвертого периода) вначале заполняются s- и р-орбитали внешней оболочки, а затем d-, f - орбитали внутренней, следствием такого порядка являются незаполненные оболочки и некомпенсированные магнитные моменты электронов - это переходные элементы.

Наиболее распространенными переходными элементами являются элементы группы железа с частично незаполненными 3d-орбиталями: Ti, V, Cr, Ni, Co. Так, у атома железа на внешней 4s-орбитали находятся 2 валентных электрона, а на пяти внутренних 3d -орбиталях - 6 электронов, из них 4 -не скомпенсированы (рис. 4.2).

 

Рис. 4.2-. Распределение спиновых магнитных моментов 26 электронов атома железа.

Не заполнены 4 орбитали 3d. Магнитный момент атома железа равен 4m_B

 

Магнетизм минералов

 

По магнитным характеристикам минералы, также как и элементы, разделяются на диамагнетики, ферромагнетики, парамагнетики.

Диамагнетики – это элементы и соединения (часто ионные) не имеющие собственных магнитных моментов, такие как самородные медь, золото, ртуть, нефть и вода, а также галенит, кварц, ортоклаз и др.

Магнитная восприимчивость в этом случае отрицательна (рис 4.3). Диамагнетизм как явление существует во всех веществах, однако в «чистом виде» он проявляется только в диамагнетиках. Абсолютные значения магнитной восприимчивости диамагников невысоки и редко достигают n×10^-4 ед. СИ.

 

Рис. 4.3 - Магнитная восприимчивость элементов четвертого периода

1-парамагнетики, 2 – антиферромагнетики, 3–ферромагнетики, 4 - диамагнетики

 

Парамагнетики – это вещества, в атомах которых магнитные моменты электронов скомпенсированы не в полной мере и отсутствует определенный атомный магнитный порядок в кристаллах.

При обычных температурах магнитные моменты парамагнетиков разупорядочены и результирующая намагниченность равна нулю.

Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты атомов m_A. При этом направление преимущественной ориентации m_A совпадает с направлением намагничивающего поля.

Состояние, когда все элементарные магнитные моменты параллельны внешнему магнитному полю, является предельным и может быть достигнуто лишь при очень низких температурах или в очень сильных полях. Соответствующая этому состоянию намагниченность насыщения J° зависит лишь от магнитных моментов атомов и их количества в единице объема п:

 

J° = n×m_A (4.6)

 

В обычных условиях, когда ориентации магнитных моментов атомов препятствует их тепловое движение, намагниченность меньше намагниченности насыщения:

К парамагнетикам относится большая группа минералов, с широким спектром изменения магнитной восприимчивости:

- безжелезистые минералы - плагиоклазы, калиевые полевые шпаты, мусковит, скаполит, шпинель, топаз, апатит и др. – они имеют относительно низкую магнитную восприимчивость, не превышающую 10-10^-5 ед. СИ;

- железосодержащие силикаты и алюмосиликаты - биотиты, амфиболы, хлориты, пирок-ссны, оливины – их магнитная восприимчмвость достигает 20×10^-5 ед. СИ и особенно возрастает при наличии микропримесей ферромагнетиков, в основном магнетита (рис. 4.4).

 

 

Рис. 4.4 - Магнитная восприимчивость железо-магнезиальных силикатов в зависимости от микропримесей ферромагнетиков (по Н. Б. Дортман, 1974)

 

 

Ферромагнитные минералы Как отмечалось выше, атомы и ионы пара- и ферромагнетиков имеют незаполненные электронные оболочки и нескомпенсированные магнитные моменты электронов. В отличие от парамагнетиков ферромагнетики в отсутствие внешнего магнитного поля характеризуются определенным атомным магнитным порядком, который проявляется в ориентации спиновых магнитных моментов соседних атомов.

Известно несколько типов атомного магнитного порядка ферромагнитных минералов (рис. 4.5):

- с параллельным расположением спиновых магнитных моментов – это ферромагнетики, к ним относятся железо, кобальт, никель и гадолиний;

- с антипараллельным расположением спиновых магнитных моментов соседних атомов, при этом результирующей намагниченности не возникает это антиферромагнетики к ним относятся хром, марганец и др. элементы переходной группы.

Вариантами антиферромагнетизма в сложных соединениях являются ферримагнетизм и слабый ферромагнетизм.

ферримагнетизм характеризуется антипараллельным расположением спиновых магнитных моментов магнитных подрешеток сложных соединений, таких как минералы группы шпинели: магнетит, феррошпинели никеля, марганца и титана (рис. 4.5);

слабый ферромагнетизм обусловлен отклонением векторов подрешеток от идеальной антипараллельности - - гематит, сидерит, гидрогематит.

 

Рис. - 4.5 Типы атомного магнитного порядка:

а - ферромагнитный; б - антиферромагнитный; в - ферримагнитный; 1 – 2 –междоузлия:

1 - типа «А»-(для шпинели тетраэдрическая подрешетка);

2 - типа «В»-(для шпинели-октаэдрическая подрешетка).

 

Ферромагнетизм - это очень редкое явление, присущее небольшому числу минералов. Появление даже незначительной примеси ферромагнитных минералов в породе может полностью изменить ее магнитный облик.

Свойства ферромагнитных минералов Магнитный атомный порядок и спонтанная намагниченность у ферромагнитных минералов существует только при температурах ниже критической, называемой точкой Кюри Q. Выше точки Кюри минерал проявляет парамагнитные свойства. Если затем ферромагнитный минерал охлаждать в отсутствие внешнего магнитного поля, то его магнитные свойства не восстанавливаются, поскольку ферромагнетика состоят из магнитных доменов, векторы которых в сумме равны нулю (в условиях отсутствия внешнего магнитного напряжения, Н=0).

Намагничивается ферромагнетик воздействиями внешнего магнитного поля (рис. 3.6), при этом:

1) слабые поля вызывают процессы обратимого слабого намагничивания, но после снятия намагничивающего поля образец возвращается в исходное размагниченное состояние, этому интервалу соответствует земное магнитное поле.

2) в области средних полей (легкое намагничивание) происходят необратимые процессы с поворотом магнитных векторов доменов на 180 и 90° и ориентацией их в одном направлении, образующим некоторый угол с направлением внешнего магнитного поля;

3) в области сильных полей (трудное намагничивание) векторы намагниченности доменов выстраиваются согласно внешнему намагничивающему полю H, при этом намагниченность минерала достигает своего максимального значения - J_S (намагниченность насыщения), чему соответствует поле H_S (поле насыщения).

 

 

Рис. 3.5 - Ферромагнетик в магнитном поле:

а - кривая магнитного гистерезиса; б - изменение доменной структуры при намагничивании;

1, 2 - процессы обратимого (1) и необратимого (2) смещения границ доменов; 3 - процессы вращения векторов намагниченности

 

 

Если последовательно уменьшать величину намагничивающего поля, образец начинает размагничиваться в обратной последовательности, но кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания (магнитный гистерезис), а после снятия внешнего магнитного поля образец полностью не размагничивается, т.е. проявляется нормальная остаточная намагниченность насыщения J_rs. Величина размагничивающего поля, при котором исчезает остаточная намагниченность насыщения, называется коэрцитивной силой насыщения H_cs. По величине H_cs различают «мягкие» и «жесткие» ферромагнетики.

«мягкие» ферромагнетики характеризуются относительно незначительной площадью гистерезисной кривой и H_cs ≤ n×10³ А/м (ампер на м).

«жесткие» ферромагнетики отличаются широкой петлей гистерезиса и H_cs >n×10⁵ А /м.

при наложении на породу постоянного магнитного поля при нормальных температуре (20⁰С) и давлении (0,1МПа) возникает нормальная намагниченность.

Кроме того, различают идеальную и термальную намагниченности. Идеальная - наблюдается при совместном действии постоянного и переменных магнитных полей с амплитудой, изменяющейся от полей насыщения до нуля. Термальная – возникает в породах, нагретых выше точки Кюри и затем остывших в постоянном магнитном поле.