Магнитные свойства ферро- и ферримагнитных минералов

Изолированные атомы ферромагнитных минералов имеют значительные результирующие спин-орбитальные магнитные моменты вследствие незаполненности подуровней 3 d и 4 l их оболочек. Однако результирующие орбитальные атомные магнитные моменты электронов в одноэлементных минералах (самородное метеоритное железо) в основном скомпенсированы и не способны к ориентации в магнитном поле из-за большой плотности упаковки атомов этих веществ. Зато спиновые моменты электронов в определенных незначительных областях – доменах - ориентированы параллельно друг к другу, и, следовательно, здесь ферромагнетики намагничены до насыщения.

Эта ориентация спиновых магнитных моментов объясняется весьма значительным положительным обменным взаимодействием между электронами незаполненных оболочек соседних атомов. Такое взаимодействие изменяет у атомов ферромагнетиков (Fe, Ni, Co, Cd) распределение электронов по возможным состояниям и ориентирует параллельно спиновые магнитные моменты, хотя тепловое движение и стремится нарушить эту структуру. Пространственная ориентация параллельных спиновых магнитных моментов одинакова лишь в пределах определенных, разных по величине доменов моноэлементного ферромагнитного минерала в связи с особенностями его кристаллической структуры, наличием энергии анизотропии кристаллов. Различны по значению и направлению также результирующие спиновые моменты, поэтому в целом до действия поля ферромагнитный минерал не намагничен. При наложении магнитного поля магнитные моменты доменов изменяются по величине и ориентируются по его направлению, что приводит к намагниченности ферромагнитного минерала. Намагниченность в известной доле сохраняется и после снятия приложенного поля (остаточное намагничивание).

Теория Вейсса намагничивания доменов основана на теории Ланжевена, согласно которой намагниченность ферромагнетиков появляется в результате установившегося равновесия между ориентирующим действием внешнего магнитного поля, дезориентирующим действием теплового движения и из-за намагничивающего действия дополнительного внутреннего молекулярного поля, возникающего при обменном взаимодействии между электронами соседних атомов, пропорционального намагниченности вещества.

При значительной напряженности магнитного поля и низкой абсолютной температуре намагниченное состояние породы приближается к некоторому предельному значению (рис.1.9.3).

Рис.1.9.3. Зависимость намагниченности насыщения от температуры для железа, кобальта и никеля: Jvs - намагниченное состояние породы при насыщении (все домены параллельны полю), Jv0 – предельное намагничивание, tc - точка Кюри.	Рис. 1.9.4. Кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетика: Нс - коэрци­тивная сила, Jvr – остаточная изотермическая намагниченность

При температуре выше точки Кюри ферромагнетики стано­вятся парамагнетиками. Намагничивание в магнитном поле характеризуется кривой J_v = f(H) (рис. 1.9.4).

Нормальная намагниченность возникает при наложении постоянного магнитного поля на породу при нормальных темпера­туре (20 ⁰С) и давлении (0,1 МПа). При этом изменяют на­правление на параллельное намагничивающему полю те векто­ры намагниченности доменов, у которых это изменение не со­провождается преодолением значительных энергетических барьеров. Нормальная намагниченность получается, например, у осадочной породы в современном геомагнитном поле (Н_в ≈ 40 А/м).

Идеальная намагниченность наблюдается при совмест­ном действии постоянного и переменных магнитных полей с амплитудой, изменяющейся от полей насыщения до нуля.

Термонамагниченность обычна для пород, нагретых до темпе­ратуры выше точки Кюри и остывающих до нормальных темпе­ратур в постоянном магнитном поле. При этом возникает наи­более значительная остаточная намагниченность пород.

Магнитные свойства ферромагнитных минералов зависит от величины их зерен: при уменьшении размеров зерен уменьшается число доменов в них, и магнитная восприимчивость уменьшается, а коэрцитивная сила увеличивается. Последнее объясняется тем, что на намагничивание единицы объема породы расходуется больше энергии, т.к. намагничивание совершается, в основном за счет вращения векторов намагничивания доменов, а не смещения их границ – процесс, требующий меньших затрат энергии.

Ферримагнетики. Большинство природных сильно магнитных минералов, имея близ­кие к ферромагнетикам магнитные свойства, значительно отличаются от последних по магнитной структу­ре и относятся по этому признаку в особую группу — ферримагнетиков.

В кристаллах ферримагнетиков векторы намагниченности образуют две группы; в группах век­торы намагниченности параллельны, а у различных групп — антипараллельны. Так как результирующие магнитные момен­ты групп не равны (рис. 1.9.5), возникает значительная собст­венная намагниченность ферримагнетиков. К ним относят большинство ферритов, в частности, магне­тит, титаномагнетики, гидроокислы железа и др.

Рис. 1.9.5. Распределение векторов намагниченности в кристаллах: а – ферромагнетики, б – антиферромагнетики, в – ферримагнетики.