Яновский Б.М. Земной Магнетизм. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ФЕРРОМАГНЕТИЗМА

§ 1. Виды намагничивания

Вопрос о намагничивании ферромагнитных тел в однородном

поле имеет большое значение в теории магнитной разведки, так

как магнитные аномалий вызываются ферромагнитными поро

дами, залегающими на относительно небольшой глубине в ви-

де отдельных масс различной формы, намагниченных земным

полем. Ввиду относительно небольшого объема этих пород маг-

нитное поле Земли можно рассматривать как однородное. По-

этому необходимо рассмотреть вопросы, связанные с намагничи-

ванием любых ферромагнитных тел, находящихся в однородном

магнитном поле при различных внешних условиях.

Намагниченность J ферромагнетика зависит не только от ве

личины намагничивающего поля, но и является функцией целого

ряда таких факторов, как температура, переменное магнитное

поле, механические напряжения, время, химические превраще-

ния. Однако все эти факторы действуют лишь при наличии внеш

него постоянного магнитного поля или когда ферромагнетик уже

получил свою остаточную намагниченность под действием этого

поля.

Поэтому наблюдаемая остаточная намагниченность горных

пород, называемая естественной и обозначаемая J

, может быть

результатом действия почти всех указанных факторов.

Процесс намагничивания под действием поля и одного из этих

факторов происходит по собственным законам и имеет свое соб

ственное наименование.

Мгновенное намагничивание при постоянной температуре на

зывается

изотермическим намагничиванием.

Намагничивание в неизменном постоянном поле при действии

переменного поля с убывающей до нулю амплитудой носит назва-

ние идеального намагничивания.

Намагничивание в постоянном магнитном поле при у меньше

нии температуры от точки Кюри до некоторой температуры Τ по

лучило название термоостаточного.

Основные явлении ферромагнетизма

[Гл.

Намагничивание при действии неизменного постоянного по-

ля может происходить во время химических реакций, а также

при перекристаллизации. Такое намагничивание называют в по-

следнее время химическим.

Наконец, изменение намагниченности в постоянном поле с те

чением времени есть вязкое намагничивание.

Ниже дается описание закономерности каждого из этих ви

дов намагниченности.

Изотермическое намагничивание. Эмпирические законо-

мерности изотермического процесса намагничивания выражают

ся кривыми, показывающими зависимость намагниченности J от

намагничивающего поля Н. Эти кривые носят название основ-

ных или технических кривых намагничивания, если процесс на

чинается с «нулевого» состояния ферромагнетика, т. е. когда на

чальное состояние его является полностью размагниченным,

гистерезисных кривых, если в начале процесса намагничивания

или размагничивания ферромагнетик уже имел намагниченность.

Необходимо отметить, что размагниченное состояние полу-

чается или в результате охлаждения ферромагнетика от точки

Кюри в отсутствии постоянного поля, или в результате действия

переменного поля с убывающей до нуля амплитудой, при этом

начальная амплитуда должна быть больше коэрцитивной силы.

В первом случае состояние носит название абсолютно нулевого

состояния, во втором — нулевого.

Отличие этих состояний заключается в том, что основные

кривые намагничивания в обоих случаях несколько отличаются

друг от друга.

При температурах выше и ниже нормальной форма кривых

сохраняется, но меняются ординаты кривых. Рис. 1, на котором

приведены основные кривые намагничивания при различных

температурах, дает ясное представление о характере этого изме-

нения.

2. Идеальное намагничивание. При помещении образца в пе-

ременное магнитное поле его намагниченность У периодически

будет изменяться по гистерезисной кривой. Если амплитуда пе

ременного поля постепенно меняется от максимального значе-

ния до нуля, то гистерезисные циклы также меняются, становясь

все меньше и меньше, пока вершины их А и В (рис. 2) не сольют-

ся в начале координат и, следовательно, намагниченность об-

разца не станет равной нулю. Такой процесс носит название раз-

магничивания образца. Размагничивание образца происходит

лишь в том случае, если начальная амплитуда переменного по-

ля больше того поля, в котором образец находился до начала

размагничивания.

Если же процесс размагничивания производить в присутствии

постоянного магнитного поля Н, например земного, то вместе

Виды намагничивания

Рас. 1. Основные кривые намагничивания при различных

температурах.

Рае. 2. Ход гистерезисных циклов при

уменьшении амплитуды переменного поля

от максимума до нуля при отсутствии по-

стоянного поля.

Основные явления ферромагнетизма

[Гл.

размагничивания образца в итоге получится сильное намагничи-

вание его. В этом случае гистерезисные циклы (рис. 3), сдви-

гаясь постоянным полем вправо от оси ординат, делаются асим-

метричными относительно этой оси, и с каждым периодом орди-

наты правых вершин циклов А становятся по абсолютной вели

чине все больше и больше левых, которые, как показано ниже,

пройдя через нуль, переходят из отрицательной части полуплос-

кости в положительную, и наконец, обе вершины сливаются в

од-

ной точке С'.

Рис. 3. Ход гистерезнсных циклов при уменьшении амплитуды перемен-

ного поля от максимума|до нуля при наличии постоянного поля.

Из рис. 3 видно, что ордината точки С, т. е. намагниченность

образца J, должна быть значительно больше ординаты С, соот

ветствующей полю H при изотермическом намагничивании.

Намагниченность /, определяемая ординатой точки С, полу-

чила название идеальной намагниченности. Величина ее при не-

изменной начальной амплитуде переменного поля зависит от ве

личины постоянного поля Н. Такая зависимость от постоянного

поля H дана на рис. 4 в виде кривой, называемой идеальной кри-

вой намагничивания. Термин «идеальная кривая» был дан Гум

лихом и Штейнгаузом [145], которые впервые ввели его.

Идеальная намагниченность зависит также и от начальной

амплитуды переменного поля: чем больше начальная амплиту-

Виды иамьасничивання

да, тем выше идет идеальная кривая и тем скорее достигнет она

насыщения. Предельная кривая получается при амплитуде, рав.

ной величине постоянного ш>ля, при котором достигается и пре

дельная гистерезисная кривал

Из предыдущего вытекает, что идеальное намагничивание

происходит по тем же эмпирическим законам, что Ht изФтермиче

ское,

представляя лишь результат наложения одной, намагни

ченности на другую.

Рис. 4. Кривые намагничивания. Рис. δ. Результат последова-

I—идеальная.

—

основная. тельного действия на ферро-

магнетик постоянного и пере-

менного полей.

На рис. 3 дан случай такого намагничивания, когда образец

первоначально находился в размагниченном состоянии;

Однако, этот же метод дает возможность представить резуль

таты и в более сложных случаях намагничивания, когда на обра-

зец действуют одновременно или поочередно постоянное и пере

менное магнитные поля.

Рассмотрим несколько таких случаев:

Образец, намагниченный полем Н

(рис. 5.) и имеющий

остаточную намагниченность 1

, подвергнут действию постоянно

го поля #ι в направлении, противоположном /, т. е. размагничи

ванию. После выключения поля Н

как показывает рисунок, оста

точная намагниченность снижается до величины J\. Если же раз

магничивать ту же остаточную намагниченность /

переменным

нолем с убывающей амплитудой, то благодаря гистерезису изме

нение намагниченности будет происходить по кривым, указанным

на рис. 5, и конечное значение /

будет значительно выше, чем /1

при начальной, амплитуде, равной Н\. Поэтому, если построить

графики зависимости остаточной намагниченности от величины

постоянного размагничивающего поля и начальной амплитуды

переменного поля, то первый график А (.рис 6) будет лежать

Основные явления ферромагнетизма

[Гл.

значительно ниже второго В и пересечет ось абсцисс значительно

раньше, чем второй.

Абсцисса Не получила название разрушающего поля.

2. Образец, частично размагниченный до величины J\ постоян-

ным полем Ни подвергается действию переменного поля с убы-

вающей амплитудой. Из рис. 5 видно, что если начальная ампли-

туда переменного поля меньше Ни то намагниченность становит-

ся больше начальной величины /

и возрастает с увеличением

Рае. 6. Зависимость остаточной намагниченности от вели-

чины размагничивающего поля (постоянного — Ли пере-

менного— В, С, D, Е, F) при различных начальных усло-

виях.

амплитуды до величины У\, когда амплитуда становится равной

и При дальнейшем увеличении начальной амплитуды перемен

ного поля намагниченность начинает снижаться. Зависимость К

от начальной амплитуды H показана на рис. 6 графиком С.

3. Образец полностью размагничен постоянным полем Я

' и

подвергнут действию переменного поля с убывающей амплиту

дой.

Этот случай является лишь частным случаем предыдущего,

т. е. пока начальная амплитуда переменного поля не превышает

коэрцитивной силы Не намагниченность /

будет возрастать от,

пуля до некоторой величины /

(рис. 7), зависящей от формы

кривых гистерезиса. Зависимость J от H представлена графиком

на рис. 6.

4. Образец, частично размагниченный переменным полем Н

с убывающей до нуля амплитудой до величины /г, в дальнейшем

подвергается действию такого же поля. Из рис. 8, представляю-

щего собой ход кривых размагничивания при действии перемен

ного поля, можно видеть, что величина /

будет оставаться неиз

менной, если начальная амплитуда переменного поля будет оста

паться меньшей #2·

Виды намагничивания 17

При дальнейшем увеличении амплитуды H намагниченность

ачнет снижаться. График изменения J

в этом случае должен

меть вид Е, показанный на рис. 6.

Рис. 7. Частичное восстановление Рис. 8. Результат последова-

остаточной намагниченности об- тельного многократного дейст-

раэца переменным полем после вия па ферромагнетик перемен-

размагничивания его полем Н

. ного и постоянного полей оди-

наковой величины.

5. Образец, полностью размагниченный постоянным полем #</

(рис.

9), после намагничивания постоянным полем Hz, меньшим

\ принимает величину намагниченности /

, которая подвер-

гается действию переменного поля с убывающей амплитудой. Этот

рисунок показывает, что если начальная амплитуда переменного

поля меньше или равна Я

, то результатом действия переменного

поля будет уменьшение величины /з, если же амплитуда будет

больше #з, но меньше Н

(пунктирная кривая), то результат бу-

дет обратный, т. е. /

начинает увеличиваться, и график зависи-

мости J

от

H должен иметь вид F, представленный на рис. 6, при-

чем максимум должен соответствовать амплитуде переменного

поля, равной Н'

, минимум — равной Н

Необходимо отметить, что механические воздействия (удары,

вибрации, сжатие и растяжение при наличии в образце остаточ-

ной или индуктивной намагниченности) аналогичны действию

переменного поля с убывающей амплитудой. Изменения темпе-

ратуры в пределах сотни градусов также аналогичны действию

слабого постоянного поля.

3. Термоостаточная намагниченность. Наблюдения естествен-

ной остаточной намагниченности горных пород показывают, что

2 Б М. Яновский

Основные явления ферромагнетизма

[Гл.

величина ее /„ для большинства пород во много раз превосходит

ее индуктивную намагниченность, определяемую уравнением

= хЯ

, где Я

— напряжен-

ность магнитного поля Земли. От-

ношение

введенное Кенигсбергером [75]

для характеристики магнитных

свойств горных пород, колеблется

в широких пределах, достигая

иногда сотен единиц и выше.

В среднем для большинства кри-

сталлических пород Q лежит в

пределах от 2 до 10. В табл. 1 да-

ны значения J

и Q для некото-

рых наиболее распространенных

пород.

Объяснить это явление с точки

зрения тех законохмерностей кото-

рые изложены в предыдущих па-

раграфах, можно, лишь предположив, что напряженность земно-

го магнитного поля в прошлые геологические эпохи была во

много раз больше современного или что породы подвергались

действию переменных магнитных полей или, наконец, действиям

механических ударов и вибраций.

Таблица 1

Рис. 9. Результат «ξпоследова-

тельного многократного дейст-

вия на'ферромагнетик5постоян-

ного]и переменного'полей.

Порода

-/«•10»

Порода Λ,-юз

Габбро послесилурий-

Габбро третичный

Габбро третичный .

3,3

2,9

42,0

12,0

2,4

1,4

28,0

25.0

Базальт метаморфи-

зованный . .

Гранит-порфир . . .

Базальт третичный .

14,0

1.6

4.4

9,3

6,4

3,2

С первыми двумя предположениями вряд ли можно согла-

ситься, так как ни теоретически, ни экспериментально их нельзя

объяснить. Последнее же действительно имеет место, так как

земная кора все время находится в динамическом состоянии, и по-

роды испытывают переменное давление: сжатие, растяжение и

быстрые колебательные движения (сейсмические). Однако опыт

показывает, что изменение намагниченности под действием этих

Виды намагничивания

причин не может объяснить отношение Q, наблюдаемое в дейст-

вительности.

Причина аномального поведения J

была найдена Кенигсбер-

гером [112], который экспериментально установил факт повыше-

ния намагниченности горных пород при охлаждении их в зем-

ном магнитном поле от точки Кюри до комнатной температуры.

Изверженные породы, которые обладают высоким значением

Q, в эпоху своего образования находились при температуре зна-

чительно выше точки Кюри ферромагнитных материалов и поэто-

му, оставаясь в магнитном поле, приобрели ту высокую намагни-

ченность, которую мы наблюдаем.

Процесс намагничивания в постоянном магнитном поле И при-

охлаждении образца ферромагнетика от температуры Т\ до тем-

пературы Т

получил наименование термоостаточного.

Такое намагничивание, как показали опыты, наблюдается не

только у образцов, горных пород, но и у любых ферромагнитных

тел и, следовательно, является общим свойством ферромагне-

тиков.

Ход процесса намагничивания под действием температуры;

можно проследить, наблюдая намагниченность / при нагрева-

нии и охлаждении образца в постоянном поле. Характерным при-

мером опыта может служить кривая на рис. 10, представляющая,

циклический процесс изменения намагниченности образца магне-

тита при изменении температуры Τ от 20° С до точки Кюри ^об-

ратно, от точки Кюри до 20° С в поле Я=51 э.

Кривые показывают, что при повышении температуры наблю-

дается рост /, который в относительных единицах тем больше,

чем меньше постоянное поле Н. При этом максимальное значение

/ приходится на область температур, близких к точке Кюри, пос-

ле чего / резко падает, стремясь к нулю в точке Кюри.

При обратном ходе температур кривая намагниченности идет

выше первоначальной кривой, резко возрастая в том же интер-

вале температур, в котором наблюдается максимум при нагре-

вании. Ниже этого интервала намагниченность плавно возрастает

и при 20° С достигает наибольшего значения.

После выключения поля Η намагниченность несколько умень-

шается, принимая некоторое значение, которое носит название

термоостаточной намагниченности и обозначается J

Величина J

t зависит от постоянного поля Н, в котором ох-

лаждается образец, и от начальной Γι и конечной Тг температур

охлаждения. Поэтому для обозначения условия, при котором об-

разовалась

будем, кроме того, обозначать ее и как /С>

В частности, если процесс охлаждения происходит от темпера-

туры 7Ί до комнатной, введем обозначение /г,н. если же началь^

ной температурой является точка Кюри, то JT

н-

Основные явления ферромагнетизма

Гл.

Рис. 10. Зависимость намагниченности J от темпе-

ратуры в постоянном поле Н—Ъ\ э.

Рис. 11. Зависимость парциальной

термоостаточной намагниченно-

сти У

(

Я)

от температуры Т

Рис. 12. Зависимость тер-

моостаточной J

t и изо-

термической J

намагни-

ченностей пирротина (а)

и магнетита (б) от вели-

чины напряженности по-

стоянного поля.