Лекция. Лекция 12 магнитные свойства горных пород основы ферримагнетизма минералов магнетизм вещества магнитных зарядов не существует в природе.
 Скачать 0.82 Mb.
|
|
Лекция 12 МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД ОСНОВЫ ФЕРРИМАГНЕТИЗМА МИНЕРАЛОВ МАГНЕТИЗМ ВЕЩЕСТВА МАГНИТНЫХ ЗАРЯДОВ НЕ СУЩЕСТВУЕТ В ПРИРОДЕ. МАГНЕТИЗМ ВОЗНИКАЕТ В РЕЗУЛЬТАТЕ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ. ЭТО МОЖЕТ БЫТЬ МАКРОСКОПИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ ЗАРЯДОВ (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК) ИЛИ МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В АТОМЕ. МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ М ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ КАК М = i S где i- ИНТЕНСИВНОСТЬ ТОКА, S – ПЛОЩАДЬ ОБТЕКАЕМОГО ТОКОМ КОНУРА. ЭЛЕТРОН В АТОМЕ ИМЕЕТ ДВА МАГНИТНЫХ МОМЕНТА ОРБИТАЛЬНЫЙ МИ СПИНОВЫЙ М -eS/m, ГДЕ e – заряд электрона, m – масса электрона Элементарный магнитный момент называется магнетоном Бора М = eh/4πm, где h – постоянная Планка. АТОМ Внутренняя оболочка Внешняя оболочка Магнитный момент Полностью заполнена электронами Четное число электронов 0 Нечетное число электронов Неравен, направленный противоположно механическому J = L + S, где L = ∑li S = ∑Si Частично заполненная Принцип Паули – находящиеся на орбиталях электроны должны отличаться хотя бы одним из квантовых чисел n – номер оболочки l – орбитальное квантовое число m – магнитное квантовое число s – спиновое квантовое число. В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СИТУАЦИИ В ЭЛЕКТРОННОЙ ОБОЛОЧКЕ, АТОМ МОЖЕТ ИМЕТЬ МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ ОРБИТАЛЬНЫЙ СПИНОВЫЙ СПИН-ОРБИТАЛЬНЫЙ L ≠ 0, S = 0 L = 0, S ≠0 L ≠ 0, S ≠ 0 Между магнитной индукцией В и напряженностью И магнитного поля в веществе существует прямо пропорциональная зависимость В = µ a Н. где µ а - абсолютная магнитная проницаемость (Гн/ мВ вакууме µ a = µ o = 4π10 -7 Гн/м. Эта константа называется магнитной постоянной. Отношение µ а /µ о называется относительной магнитной проницаемостью µ . Изменение индукции магнитного поля привнесении в него породы связано с ее намагничиванием -- появлением в породе под воздействием внешнего поля нескомпенсированного магнитного момента М, который, в свою очередь, обусловлен наличием в породе элементарных магнитных моментов m i Поэтому намагниченность I породы вычисляется как предел отношения суммы магнитных моментов в некотором объеме породы к этому объему Намагниченность может быть определена также, как приращение магнитной индукции поля в веществе по сравнению с вакуумом Коэффициент (µ - 1) = κ (каппа называется объемной магнитной восприимчивостью, а отношение восприимчивости к плотности удельной магнитной восприимчивостью к. Намагниченность породы обусловлена суммой магнитных моментов ее электронов, атомов и доменов. Если магнитные моменты всех электронов атома компенсируют друг друга, то при НО атом не намагничен. Такие породы называются диамагнитными. В диамагнетиках электронные оболочки атомов симметричны и замкнуты. Привнесении такого атома в магнитное поле его электронные оболочки получают дополнительную скорость и каждый атом породы приобретает магнитный момент, имеющий направление, противоположное направлению поля. Поэтому магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы. Величина диамагнетизма определяется радиусами атомных орбит. Горные породы, атомы которых обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, называются парамагнитными. В целом образец парамагнетика при отсутствии поляне намагничен. Лишь привнесении парамагнетика в магнитное поле его диполи ориентируются сообразно с направлением поля и образец намагничивается. Магнитная проницаемость парамагнетиков несколько больше единицы. Горные породы, у которых целые объемы (домены) обладают магнитными моментами при отсутствии внешнего поля, называются ферромагнитными (рис. Рис Доменная структура ферромагнетика Благодаря доменам магнитная проницаемость ферромагнитных пород значительно больше, чему парамагнитных. На намагниченность ферромагнетиков достигается воздействием не только внешнего поля, но и намагничивающим действием дополнительного внутреннего молекулярного поля (табл. 7.3). Намагниченность ферромагнитных пород зависит от напряженности И магнитного поля, причем при определенном ее значении эта зависимость исчезает--наступает насыщение. При снижении напряженности магнитного поля до нуля породы полностью не размагничиваются, появляется остаточная намагниченность I ост . Для того чтобы породу размагнитить, необходимо воздействие на не некоторого обратно направленного магнитного поля. Напряженность поля, при которой происходит полное размагничивание, характеризует породу и называется коэрцитивной силой Нс. В итоге у ферромагнитных пород при изменении Н наблюдается петля гистерезиса. Наибольшие значения µ имеют ферромагнитные минералы, в основном магнетиту которого магнитная восприимчивость достигает 3--4. Это обусловливает четкую связь между объемным содержанием магнетита в рудах и их магнитной восприимчивостью кр с. 7.10). Средняя магнитная проницаемость µ ср горной породы, состоящей из основной массы с проницаемостью µ 1 и сферических включений с проницаемостью µ 2 , может быть приблизительно рассчитана по той же формуле Максвелла что и диэлектрическая проницаемость. В формулу подставить вместо значков относительной диэлектрической проницаемости - относительную магнитную проницаемость. V – объемная концентрация включений. Для горной породы, которую можно представить как статистическую смесь минералов наиболее удобна формула логарифмического средневзвешенного. lg μ Σ = Σ v i lg Где v i и μ i – относительное содержание и относительная диэлектрическая проницаемость i – го компонента. На магнитные свойства пород оказывают также влияние форма, размеры и взаимное расположение ферромагнитных зерен. Например, магнитная восприимчивость крупнозернистых ферромагнетиков больше, чем мелкозернистых. Это объясняется ростом числа доменов в зернах при увеличении их размеров. В переменных магнитных полях возникают потери магнитной энергии--переход ее в тепловую. Для их оценки используют коэффициент магнитных потерь. Потери в переменном поле складываются из потерь на гистерезис и вихревые токи. Некоторые ферромагнетики обладают ярко выраженными магнитострикционнымн свойствами. При намагничивании таких пород происходит их относительное удлинение например, магнетит, железо) или укорачивание (например, никель. Одна из особенностей ферромагнетиков – наличие диагностической температуры Кюри – температуры фазового перехода 2 рода, когда нарушается доменная структура рис. Такой переход обратимый и при охлаждении образца намагниченность восстанавливается. На таком принципе возможна термомагнитная сепарации двух магнитных минералов с разными точками Кюри. Рис. Термомагнитные кривые железистых кварцитов Михайловского ГОКа Приложение А Таблица А Температурные превращения основных железосодержащих минералов Оксид железа Эффект Температура, Т 0 С переход механизм Маггемит γ-Fe 2 O 3 Экзо + 250-400 γ-Fe 2 O 3 необратимый переход Эндо - 675 α-Fe 2 O 3 – Точка Кюри Гематит α-Fe 2 O 3 Эндо - 680 α-Fe 2 O 3 – Точка Кюри 1340-1400 α-Fe 2 O 3 → в особых условиях Магнетит Fe 3 O 4 Экзо + 250 -375 Окисление FeO Процесс происходит по поверхности магнетита с образование тонкой пленки гематита вокруг ядра неизменного магнетита Экзо + 580-1000 Окисление оставшегося Fe 3 O 4 до Диффузия кислорода в магнетитовую структуру становится возможной после того, как защитная пленка делается пористой за счет раскристаллизации при высокой температуре Эндо - 573 Точка Кюри Гётит ООН Эндо - 300 -420 ООН дегидратация Эндо - 680 α-Fe 2 O 3 → Обратимое полиморфное превращение Гидрогётит ООН (тонкодисперсный гётит) Эндо - 50 - 200 Удаление НО Занимает по характеру связи промежуточное положение между адсобционной и химически связанной водой Эндо - 280 - 400 образование Дегидратация, разрушение структуры гётита Эндо - 680 α-Fe 2 O 3 → Обратимое полиморфное превращение Лепидокрокит γ ООН полиморфная модификации Fe 2 O 3 H 2 O) Эндо - 300 - 400 Образование Дегидратация, распад лепидокрокита Экзо + 450 -550 γ-Fe 2 O 3 – образование х фазной системы Приложение Б Таблица Б Магнитные физические величины Физическая величина Система СИ Система СГСм Соотношение с СИ наименование обозначение обозначение размерность обозначение размерность Магнитный поток Ф Вб вебер Мкс максвелл 1 Мкс = 10 -8 Вб Магнитная индукция ВТ тесла Гс гаусс 1 Гс =10 -4 Т Напряженность магнитного поля НА м Ампер на метр Э эрстед 1 Э = 10 3 /4π (А/м) = 79,5775 А/м Магнитный момент МА м 2 Ампер на метр квадр Гс см) 1 ед. СГСм = 10 -3 А м 1 Тл = 1 НА м = 10 КЭ; 1 Гс ≈ 1 Э |