Учебное пособие (курс лекций)


НазваниеУчебное пособие (курс лекций)
страница5/12
Дата публикации03.05.2013
Размер1.35 Mb.
ТипУчебное пособие
userdocs.ru > География > Учебное пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


2.1.4 Парамагнетизм. Парамагнитные минералы

Парамагнетизм – это явление, возникающее в веществах с нескомпенсированными магнитными моментами и отсутствием магнитного атомного порядка. Атомы или молекулы в этом случае можно представить в виде элементарных магнитиков. При отсутствии внешнего магнитного поля упорядоченному расположению этих магнитиков препятствует тепловое движение, энергия которого на порядок выше энергии взаимодействия между магнитиками. Поэтому при обычных температурах магнитные моменты разу-порядочены и результирующая намагниченность равна нулю.

Парамагнитные материалы обладают положительной магнитной восприимчивостью (>0, >1); они намагничиваются по направле­нию поля (рис. 2.4).

Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты атомов А. Направление преимущественной ориентации А совпадает с направлением намагничивающего поля, поэтому намагниченность и магнитная восприимчивость у парамагнетиков являются положительными величинами.

Состояние, когда все элементарные магнитные моменты оказываются ориентированы параллельно 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:

.

(2.10)

В обычных условиях ориентации магнитным полям магнитных моментов атомов препятствует их тепловое движение. Поэтому намагниченность меньше намагниченности насыщения:

,

(2.11)

где L(a) функция Ланжевена, определяющая степень ориентации магнитных моментов. L(а) изменяется от 0 до 1. Ее значение зависит от аргумента, представляющего собой отношение магнитной (ориентирующей) и тепловой (разориентирующей) энергий:

,

(2.12)

где К – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

В слабых магнитных полях типа земного L(a)а/3, откуда с учетом (2.11) и (2.12) получаем формулу для магнитной восприимчивости парамагнетика

,

(2.13)

где С – постоянная Кюри.

Как видим, магнитная восприимчивость парамагнетиков существенно зависит от температуры, с ростом которой она уменьшается. Сама же формула (2.13) является приближенной, поскольку при ее выводе не учитывалось возможное взаимодействие между элементарными магнитными моментами, а также их пространственное квантование.

К парамагнетикам относится большая группа минералов, в том числе породообразующих (таблица 2.3). Безжелезистые минералы (плагиоклазы, калиевые полевые шпаты, мусковит, скаполит, шпинель, топаз, апатит и др.) имеют относительно низкую магнитную восприимчивость, не превышающую 1010-5 ед. СИ. Парамагнитная восприимчивость железосодержащих силикатов и алюмосиликатов (биотиты, амфиболы, хлориты, пироксены, оливины) связана главным образом с содержанием в них ионов железа. В химически чистых разностях она достигает 2010-5 ед. СИ. Более высокие значения магнитной восприимчивости этих минералов, образованных в естественных условиях, обусловлены микропримесями в них ферримагнетиков, в основном – магнетита.
Таблица 2.3 – Магнитная восприимчивость парамагнитных минералов

Минерал

10-5, ед. СИ

Минерал

10-5, ед. СИ

Железосод. оливин

2

Хлорит

2090

Пироксен

4090

Безжелезистый плагиоклаз

1

Амфибол

1080

Мусковит

420

Биотит

1565

Рутил

10

Флогопит

50








2.1.5 Магнитное упорядочение. Ферромагнитные минералы

Ферромагнетики характеризуются положительными и очень высокими значениями магнитной восприимчивости и >>1.

Ферромагнетики обладают в отсутствие внешнего магнитного поля определенным атомным магнитным порядком. Он проявляется в параллельной или антипараллельной ориентации спиновых магнитных моментов соседних атомов (рис. 2.5), в существовании спонтанной (самопроизвольной) намагниченности.

Это свойство характерно для металлических кристаллов, сплавов и соединений переходных элементов.



Рисунок 2.5 – Типы атомного магнитного порядка:

а – ферромагнитный; б – антиферромагнитный; в – ферримагнитный;

1 – междоузлия типа «А»; 2 – междоузлия типа «В»
Внутренняя энергия, благодаря которой магнитные моменты атомов ориентируются относительно друг друга, по квантовой теории является энергией электростатического взаимодействия между электронами с нескомпенсированными спинами, обусловленной особыми, некулоновскими силами, получившими название обменных. По Френкелю и Гейзенбергу, величина обменной энергии для системы, содержащей N атомов, приближенно оценивается следующим равенством:

,

(2.14)

где ^ Z – число ближайших атомов, на которые распространяется обменное взаимодействие;

r и l – число атомов с «положительным» и «отрицательным» спиновым магнитным моментом;

А – обменный интеграл.

Из (2.14) следует, что если обменный интеграл для соседних атомов положительный, то минимум обменной энергии получается при (r и l)N, т.е. при параллельной ориентации магнитных моментов атомов и намагниченности вещества насыщения. Таким образом доказывается энергетическая выгодность самопроизвольного намагничивания. Вещества с параллельным расположением спиновых магнитных моментов называются ферромагнетиками.

Если же обменный интеграл отрицательный, то энергетически выгодно антипараллельное расположение спиновых магнитных моментов соседних атомов (рис. 2.5). Поскольку векторы намагничения направлены противоположно и модули их равны, то результирующей намагниченности не возникает, несмотря на упорядоченность. Такие вещества называются антиферромагнетиками. Антиферромагнетики намагничиваются слабо, но их намагниченность стабильная во времени.

Величина и знак обменного интеграла зависят от отношения межатомного расстояния к радиусу незаполненного электронного слоя (см. рис. 2.6). Для существования спонтанной намагниченности радиус этого слоя должен быть мал по сравнению с расстоянием между ядрами в кристаллической решетке. Из переходных элементов такое условие соблюдается для железа, кобальта, никеля и гадолиния, которые относятся к ферромагнетикам. Хром, марганец и остальные элементы переходной группы являются антиферромагнетиками, хотя в сплавах могут проявлять ферромагнитные свойства. Так, ферромагнетизм сплава марганца с висмутом, сурьмой и другими обусловлен тем, что введение в решетку марганца атомов этих элементов вызывает изменение межатомного расстояния до условий, необходимых для возникновения самопроизвольной намагниченности.


Рисунок 2.6 – Зависимость интеграла обменной энергии (А) от отношения межатомного расстояния (а) к радиусу незаполненного слоя (R)
Названные выше металлы в самородном состоянии в горных породах встречаются весьма редко. Поэтому, несмотря на сильный ферромагнетизм, они не оказывают заметного влияния на магнитные свойства горных пород. Основное значение здесь имеют оксиды и сульфиды металлов, и в первую очередь железа, как наиболее распространенного в горных породах.

В сульфидах и оксидах между магнитоактивными катионами переходных металлов расположены магнитонейтральные анионы О2- и S2-. В результате этого магнитные ионы оказываются столь удалены друг от друга, что прямое обменное взаимодействие между ними пренебрежимо мало. В этом случае имеет место так называемое косвенное (сверхобменное) взаимодействие, при котором «посредниками» между ионами металла выступают электроны серы или кислорода, что также приводит к магнитному порядку, к антиферромагнетизму. Примерами минералов этого типа служат вюстит FeO, троилит FeS, гексагональный пирротин Fe1-хS, халькопирит CuFeS2, ильменит FeTiO3, пиролюзит МnO2. Несмотря на магнитный порядок, в этих минералах отсутствует спонтанная намагниченность, а по величине магнитной восприимчивости они близки к парамагнетикам.

Вариантами антиферромагнетизма являются ферримагнетизм и так называемый слабый ферромагнетизм. К ферримагнетикам (ферритам) относится наиболее распространенный магнитный минерал магнетит Fe3O4, а также пирротин Fe1-xS. Слабый ферромагнетизм характерен для гематита Fe2О3, гетита FeOOH, гидрогематита Fe2О3H2О и сидерита FeCО3.

Таким образом, магнитно-упорядоченные минералы горных пород, обладающие спонтанной намагниченностью, относятся к ферримагнетикам или слабым ферромагнетикам. С ферромагнитными металлами и сплавами их роднит наличие спонтанной намагниченности со всеми вытекающими отсюда обстоятельствами, а отличают механизм образования и величина этой намагниченности. Поскольку на магнитные свойства горных пород механизм формирования спонтанной намагниченности минералов оказывает значительно меньшее влияние по сравнению с самим фактом существования у минералов этой намагниченности, в практике петромагнитных исследований минералы – слабые ферромагнетики и ферримагнетики – принято относить к одной группе ферромагнитных минералов.

Обратите внимание на то, сколько различных условий должно соблюдаться, чтобы в веществе возникла спонтанная намагниченность. Поэтому ферромагнетизм – это очень редкое явление, присущее небольшому числу минералов (табл. 2.4). Редкое, но в высшей степени аномальное. Появление даже незначительной примеси ферромагнитных минералов в породе может полностью изменить ее магнитный облик. Магнитные свойства ферромагнитных минералов рассмотрим подробнее.

Таблица 2.4 – Магнитные параметры ферромагнитных минералов

Минералы

, ед. СИ

Js103, А/м

Нs103, А/м

Точка Кюри, °С

Магнетит, Fe3O4

425

490

0,812

578

Титаномагнетит,

xFe3O4(1-x)TiFe2O3

10-51

75490



-100578

Маггемит, Fe2O3

425

435

0,810



Гематит, Fe2O3

(1,313)10-3

1,52,5

560640

675

Пирротин, Fe1-xS

0,131,3

1770

1,29

300325


Ферромагнитные вещества обладают сложной зависимостью намагничивания от намагничивающего поля. Закон намагничивания характеризуется петлей гистерезиса (рис. 2.7).

Сразу отметим, что возрастание намагниченности происходит с разной скоростью в разных интервалах намагничивающего поля Н, что обусловлено различным механизмом намагничивания. Поскольку имеет место соотношение , то это указывает на зависимость магнитной восприимчивости от величины намагничивающего поля, что отличает ферромагнитные минералы от пара- и диамагнитных.

Намагничивание размагниченного ферромагнетика происходит в соответствии с основной кривой. При некотором значении поля, намагничение ферромагнетика достигает насыщения Js. Если постепенно уменьшать величину намагничивающего поля до нуля, можно заметить, что уменьшение намагниченности происходит медленнее (магнитный гистерезис). Намагниченность, сохраняющаяся после прекращения действия поля (H=0), называется остаточной намагниченностью Jr. Нулевая намагниченность достигается при напряженности поля, равной коэрцитивной силе Нс.




Рисунок 2.7 – Кривая намагничивания ферромагнетика – петля гистерезиса

При насыщении ферромагнетика магнитные моменты располагаются параллельно внешнему полю. Однако магнитная восприимчивость ферромагнетиков проявляется до определенной температуры (точки Кюри ), выше которой они превращаются в парамагнетики. Для большинства ферромагнетиков точка Кюри находится в пределах 7001000°С.

Переход от магнитного порядка к магнитному беспорядку в окрестностях точки Кюри не сопровождается кристаллохимическими превращениями вещества и относится к фазовым переходам второго рода. Эти переходы, являясь полностью обратимыми, могут наблюдаться как при нагревании вещества, так и при его охлаждении. Температура Кюри является устойчивой физической константой для данного вещества.

Если принять средний температурный градиент Земли равным 33°/км, то размагничивание горных пород должно произойти уже на глубинах порядка 2030 км. В связи с этим принято считать, что источники магнитных аномалий не могут залегать глубже 2030 км.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Похожие:

Учебное пособие (курс лекций) iconУчебное пособие Курс лекций Для студентов высших учебных заведений...
Учебное пособие предназначено для студентов вузов, но может быть полезно и тем, кто самостоятельно изучает экономическую теорию
Учебное пособие (курс лекций) iconЛитература: Философия: Курс лекций: учебное пособие для студентов./...
Философия: Курс лекций: учебное пособие для студентов./ Под общей ред. В. Л. Калашникова. М. 1999. с. 6 – 17
Учебное пособие (курс лекций) iconКурс лекций для иностранных студентов харьков
К 78 Политология: курс лекций для иностранных студентов. Учебное пособие. – Харьков: хнму, 2012. – 154 с
Учебное пособие (курс лекций) iconУчебное пособие по дисциплине «Экономика»
В. В. Янова. — 4-е изд., стереотип. — М: Издательство «Эк­замен», 2008. — 382, [2] с. (Серия «Курс лекций»)
Учебное пособие (курс лекций) iconУчебное пособие 032700 «Филология»
История зарубежной литературы Средних веков и эпохи Возрождения. Конспекты лекций: Учебное пособие / Авт сост. Я. В. Погребная. –...
Учебное пособие (курс лекций) iconКраткий курс менеджмент а. Большаков учебное пособие санкт-Петербург...
Б79 Менеджмент / Учебное пособие. — Спб.: «Издательство "Питер"», 2000. — 160 с.: ил. — (Серия «Краткий курс»)
Учебное пособие (курс лекций) iconКонспект лекций по дисциплине: «методика преподавания театральных дисциплин»
Учебное пособие предназначено для студентов Театрального отделения локкиИ. Это учебное пособие представляет собой очень очень краткое...
Учебное пособие (курс лекций) iconМареев С. Н., Мареева Е. В. История философии (общий курс): Учебное пособие
История философии (общий курс): Учебное пособие. — М.: Академический Проект, 2004. — 880 с. — («Gaudeamus»)
Учебное пособие (курс лекций) iconКраткий курс лекций по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии...
Рудаков Н. В. Краткий курс лекций по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии. Часть Частная микробиология и вирусология:...
Учебное пособие (курс лекций) iconКурс лекций по древней философии
Фрагменты публикуются по источнику: Чанышев А. Н. Курс лекций по древней философии: Учеб пособие для филос фак и отделений ун-тов....
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница