Магнитные свойства минералов

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему: «Магнитные свойства минералов»

В современной геологии широкое распространение получили магнитные методы исследования земной коры и литосферы. Эти методы основаны на замечательном свойстве ферромагнитных минералов, рассеянных во всех горных породах сохранять в течении длительного геологического времени «память» о велечине и направлении древнего геомагнитного поля, в котором они приобрели естественную остаточную намагниченность I_n, а также о физико-химических условиях среды (температура, давление, фугитивность кислорода), в которой происходило намагничивание. [2]

1. Основные понятия и определения при изучении магнитных свойств минералов

1.1 Магнитные полюса, потенциал и поле

магнитный минерал резонанс ядерный Концепцию магнитных полюсов можно продемонстрировать в лаборатории, произвольно напыляя железные опилки на тонкий стеклянный лист, лежащий на стержневом магните. Кривые, вдоль которых ориентируются опилки, называются магнитными силовыми линиями. Точки, к которым сходятся силовые линии у концов длинного тонкого магнита. Эти точки фактически располагаются внутри магнита вблизи его концов (рис. 1). Условно принято, что тот полюс магнита, который указывает на север, называется положительным полюсом, а полюс, указывающий на юг — отрицательным. Силовые линии выходят из положительного (т.е. северного) полюса и входит в магнит через отрицательный (т.е. южный) полюс.

Полюса всегда существуют парами, но в очень длинном магните силовые линии вокруг одного полюса не будут испытывать ощутимого влияния другого полюса, и тогда каждый полюс можно рассматривать как изолированный. [3]

По аналогии с гравитационным потенциалом скалярный магнитный потенциал w, создаваемый полюсом с магнитным зарядом m в точке p, находящийся от него на расстоянии r, задаётся выражением:

W=µ_о4П (mr), где константа _о (которая считается универсальной константой) — это магнитная проницаемость вакуума, в системе СИ имеющая численное значение 4П*10^-7.

Магнитное поле в направлении r определяется как — grad W. В системе Си магнитное поле в основном выражается как плотность магнитного потока (поле В). Из уравнения W=µ_о4П (mr) следует, что поле B в точке p равно:

B=­grad W=µ_o4П (mr²).

Для величин, входящих в это уравнение, используются следующие единицы: магнитный заряд полюса — А* м, r — м, µ_о — Ом * см и В-В * см² или В_бм², что в единицах СИ имеет название «тесла» (Тл). В системе СГСМ единицей В является гаусс (Гс), причем 1Гс = 10^-4Тл. В полевых геофизических работах широко используется дробная единица гамма (), которая равна 10^-9Тл (или нанотесла).

Полная напряженность магнитного поля Земли в районе полюсов имеет порядок 60 000 (60 000 нТл). [3]

Магнитное поле можно и с помощью силового поля, окружающего проводник с электрическим током. Ток создает вы каждой точке своей окрестности намагничивающее поле H. Единица для поля Н получается из закона Био-Савара. В центре проволочной петли радиуса r, в которой течёт ток i, поле Н определяется в виде Н = i2r/

Различие между полями В Н может стать яснее из того факта, что каждое намагничивающее поле (Н) создает поток (линии магнитной индукции), а плотность этого магнитного потока (поток на 1 м²) называется магнитным полем (полем В). Почти для всех сред поле В пропорционально вызывающему полю Н. соотношение между этими двумя полями имеет вид: В = µН, где µ - абсолютная проницаемость среды, в которой действует поле Н. Для немагнитных сред, таких, как воздух или вода,

µ = µ_о (-4П*10^-7). [3]

1.2 Интенсивность намагничения

Рассмотрим стержневой магнит, длиной l и площадью поперечного сечения А. Предполагается, что он однородно намагничен в направлении l. На рис. 2. видно, что стержневой магнит можно рассматривать как серию малых элементарных магнитов (диполей), ориентированных вдоль его оси. Напряженности магнитного поля, создаваемые определенными северными и южными полюсами элементарных магнитов гасят друг друга. Поэтому фактически этот магнит будет иметь поверхностную концентрацию свободных положительных © и отрицательных (ю) полюсов с общим магнитным зарядом, скажем, m на каждом торце. Чем больше намагниченность тела, тем большей должна быть поверхностная концентрация свободных полюсов.

Интенсивность намагничения — это мера магнитного заряда полюса на единицу площади торцевых граней. В системе Си она выражается как I=mA [A*мм²], т. е. единицей I является Ам. по другому I определяется через магнитный момент М.

Магнитный момент стержня выражается произведением:

М=ml [A*м²].

Если V — объем магнита то с помощью уравнения I=mA и M=ml, I может быть записано в виде: I=mlV=MV. (рис. 2)

Следовательно, интенсивность намагничения I в любой точке внутри однородно — намагниченного тела может определяться как магнитный момент на единицу объёма.

Магнитный момент М можно измерить непосредственно. Поэтому он является наиболее важным параметром намагниченного тела. Единицей измерения магнитного момента в системе СИ служит А*м². Это соответствует дипольному моменту маленькой плоской петли электрическим током, который определяется как произведение силы тока на площадь петли.

Для однородно намагниченного тела величина и направление I остаются неизменными в пределах всего тела.

В действительности, даже если магнитный материал равномерно распределён по всему телу, допущение об однородной намагниченности является лишь приближённо точным, за исключением однородных тел сферической и эллипсоидальной формы. Интенсивность намагничения I — фундаментальная величина, используемая для описания магнитного состояния тела. [3]

1.3 Магнитная восприимчивость

Если тело, способное намагничиваться, поместить во внешнее намагничивающее поле Н, оно приобретает намагниченность, которая теряется при удалении приложенного поля Н. Таким образом, намагниченность Ii наводится приложенным намагниченным полем Н. Однако некоторые материалы (железо, никель и др.) и многие горные породы (в частности базальтовые лавы) обладают сильным магнитным действием даже в отсутствии внешнего поля (табл. 1). Это явление приписывается их устойчивой намагниченности. Магнитная восприимчивость определяется отношением =IH, коэффициентназывается магнитной восприимчивостью и характеризует способность материала намагничиваться.

В системе СИ константа безразмерна, поскольку и I и Н измеряются в одних и тех же единицах (Ам).

Важно отметить, что для большинства магнитных материалов линейное соотношение между I и Н (а также между В и Н согласно В=µН) верно лишь приблизительно. [3]

Магнитная восприимчивость некоторых минералов и пород

2. Магнитные свойства минералов

магнитный минерал резонанс ядерный Магнитные свойства минералов, т. е. их взаимодействие с магнитным полем, определяются магнитными свойствами составляющих их атомов и магнитными структурами минералов (расположение и взаимодействием атомов).

По существу все минералы являются магнетиками: они способны намагничиваться магнитным полем. Наиболее чётко это способность проявляется у минералов, содержащих атомов, имеющие собственный магнитный момент, обусловленный наличием неспаренных электронов. Их магнитность в общем пропорциональна числу неспаренных электронов, каждый из которых имеет элементарный магнитный заряд в 1Мв (магнетон бора=0,927*10^-20 эрггаусс). К ним принадлежат ионы переходных элементов, а также лантаноиды и актиноиды: Fe³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Mn³⁺, Mn⁴⁺, Cu³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, TR³⁺, U⁴⁺.

Степень намагниченности характеризуется вектором намагничения I, который равен магнитному моменту единицы объёма. Основной характеристикой магнитных свойств минералов является магнитная восприимчивость (), которая определяется отношением вектора намагничения (I) к напряженности магнитного поля (Н):

= IH.

По магнитной восприимчивости минералы делятся на диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные и антиферромагнитные. [1]

2.1 Диамагнитные минералы

В соответствии с законами электромагнетизма все атомы вещества в следствии орбитального движения и смены электронов обладают магнитным моментом. В большинстве материалов магнитные моменты соседних атомов при отсутствии внешнего поля ориентируются хаотически, так что образец не имеет намагниченность. При приложении магнитного поля в нем индуцируется намагниченность. В диамагнитных минералах индуцированная намагниченность направлена противоположено приложенному полю, что делает величину магнитной восприимчивости отрицательной. Все вещества являются диамагнитными, но некоторые из них содержат еще и другие наложенные эффекты, которые маскируют эту слабую намагниченность. Магнитная восприимчивость диамагнитных небольшая и является отрицательной величиной, т. е. <0. Обычно она находится в пределах от 10^-6 до 10^-7 (например, для самородной меди она равна 0,086*10^-6).

Самородная медь обычно бывает химически чистой, но иногда содержит примеси Ag, Au, Fe (до 2.5%), параметры элементарной ячейки а₀=3,6077 нм, отражательная способность 90%, температура плавления 1083^оC.

Магнитные свойства диамагнитных минералов, как правило, не зависят от температуры, но в некоторых «аномальных» диамагнетиках магнитная восприимчивость с повышением температуры возрастает (например, у графита).

Графит — редко бывает чистым, обычно он содержит до 10 — 20% SiO₂, Al₂O₃, FeO, MgO, U₂O, битумы и газы (до 20%).

Параметры элементарной ячейки (в А) — а₀=2,47; с₀=6,79; а₀/с₀=½, 2; показатель преломления 1,93 — 2,07. [1]

2.2 Парамагнитные минералы

Парамагнитные минералы содержат как основную составную часть или примеси атома с собственным магнитным моментом. В магнитным поле они обнаруживают слабую намагниченность в направлении магнитного поля. Их магнитная восприимчивость положительна, но, как правило, очень не большая — от 10^-3 до10^-6. Так у пирита (FeS₂) она равна 0,21*10^-6. Однако у сфалерита (ZnS) — -0,17*10^-6, содержащего в качестве примеси атомы Fe²⁺, магнитная восприимчивость достигает 25*10^-6.

Пирит — Fe=46.6%, S=53.4% содержит примеси Сo, Ni, Cu, Mn, As, Sb, Ag, Au, a₀=5,4176, отражательная способность 53%, иногда проявляет анизатропность.

Сфалерит — Zn= 61,7%, S=32,9%; а₀=5,40, магнитные свойства низкие (зависит от содержания железа), показатель преломления от 2,36 — 2,47; отражательная способность низкая — 17%.

Парамагнитные свойства минералов могут вызываться магнитными моментами ядер и электронов, слагающих минералы атомов. В первом случае магнитная восприимчивость зависит от температуры, так как при изменении интенсивности теплового потока изменяется ориентировка магнитных моментов ядер. Ядерный парамагнетизм можно наблюдать при температуре ниже 4^оК в минералах. Которые в обычных условиях являются диамагнитными. [1]

2.3 Ферромагнитные минералы

Ферромагнитные минералы также содержат атомы с собственным магнитным моментом либо в виде оснавной составной части, либо как примесь. Магнитным полем намагниченности ферромагнитных минералов сильная, а магнитная восприимчивость ферромагнитных минералов очень высокая и положительная.

В ферромагнитных минералах, таких как Fe, Co, Ni магнитные моменты параллельны. Если взять образец ферромагнитного минерала очень малого размера, равного размеру одного домена (магнитные моменты выстраиваются в одном направлении. Имеет размер порядка 10^-6 м (рис 3), то такой однородный образец всегда будет намагничен до насыщения в полном согласии с теории Вейса. Силы, упорядочивающие магнитные моменты в ферромагнетике имеют немагнитную электрическую природу. Их происхождение объясняется квантовой механикой как следствие ограничений, накладываемых на волновые функции электронов принципом Паули, согласно которому электронные волновые функции антисимметричны относительно перестановки пространственных и спиновых координат пар электронов. В результате этого эффекта возникает некоторое взаимодействие ориентирующие спиновые моменты количества движения и соответственно магнитные моменты атомов. (рис. 3)

Никель (Ni) — этот редкий минерал обнаружен в породах испытавших интенсивное ударные воздействия и в лунном грунте. Его магнитные свойства изучены только для искусственного аналога. Магнитные характеристики Ni: температура Кюри (0) 0=358^оС, константы магнито-кристалической анизотропии: К₁=5,0*10⁴ и К₂=2,3*10⁴эрг/см³; а_о=0,35 167 нм.

Железо. Магнитные свойства самородного железа практически не изучены. Для технического железа они исследованы подробно теоретически и экспериментально. Самородное железо может содержать элементы — примеси: Ni, S, C, Mn, Pt, P, As, которые могут входить изоморфно в кристаллическую структуру, а также присутствовать в виде механических примесей. Магнитные характеристики: 0=770^оС, намагниченность насыщения I_s= 1700Гс — самые важные из всех минералов; К₁=4,2*10⁵ и К₂=1,5*10⁵эрг/см³.