Яновский Б.М. Земной Магнетизм. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Виды намагничивания

Эмпирическая зависимость /I? от температуры 7Ί выра-

жается кривой, типичный вид которой показан на рис. 11. Как

видно, наибольшие изменения остаточной намагниченности про-

исходят в области температур, близких к точке Кюри, которая-

является предельной. Более высокие температуры уже не сказы-

ваются на величине J

н, поэтому точка Кюри в этом отноше-

нии является критической температурой.

Зависимость /г

н от поля H имеет вид, аналогичный зависи-

мости / от Я при идеальном намагничивании. На рис. 12 пред-

ставлена такая зависимость для образцов пирротина (а) и маг-

нетита (б) и одновременно показана зависимость остаточной на-

магниченности /

от H при изотермическом намагничивании..

Сравнение кривых J

t и /

показывает, что влияние температуры,,

как и влияние переменного магнитного поля, наиболее резко ска-

зывается в слабых полях. Так, у пирротина -~ в малых магнит-

ных полях достигает сотен единиц.

Остаточная намагниченность

Jjr,

получаемая в результате

охлаждения в поле H от температуры Т\ до температуры Т

, но-

сит название парциальной термоостаточной намагниченности-

Э. Телье [150] была установлена следующая закономерность:

(1.1)

которая получила название закона сложения, или закона адди-

тивности парциальных намагниченностей.

Уравнение

(1.1),

выражающее закон сложения Телье, следу-

ет понимать следующим образом. Образец ферромагнетика на-

гревается в отсутствии поля до температуры Т\ и затем охлаж-

дается в поле H до температуры Го, после чего поле выключает-

ся и образец продолжает охлаждаться до комнатной темпера-

туры в отсутствии поля. Остаточная намагниченность в резуль-

тате этого процесса и есть /С

Затем образец снова нагревается до температуры Т

и охлаж-

дается в поле H до 7*3. После выключения поля образец продол-

жает охлаждаться до комнатной температуры. В результате по-

лучается остаточная намагниченность /·£» . Следующие циклы в.

пределах температур

—Т

и т. д. происходят анало-

гичным образом.

Процесс размагничивания термоостаточной намагниченности;

путем нагревания подчиняется аналогичному закону аддитивнос-

ти,

наблюдаемому при охлаждении.

Основные

явления ферромагнетизма

[Гл.

Положим,

что

образец, имеющий термоостаточную намагни-

ченность

подвергнут нагреванию

до

температуры

7\ и за-

тем охлаждению

до

комнатной температуры

отсутствии поля.

В соответствии

закономерностью, представленной кривой

на

рис.

11,

его

остаточная намагниченность

результате такого про-

цесса снизится

до

величины, которую обозначим (/г

н)г

Если

такой процесс повторить

η раз,

увеличивая каждый

раз

темпера-

туру нагревания,

то в

результате получим остаточную намагни-

ченность, которую следует обозначить

(...

(JT

H)T

, где

{

<Т

<...<Т

Опыт показывает,

что

Эта закономерность была также установлена

Э.

Телье

назва-

на

им

вторым законом.

Из законов аддитивности вытекает,

что

парциальная намаг-

ниченность образца, приобретенная

при

охлаждении

его от 7Ί

до

поле

Н, не

теряется

при

нагревании образца

отсутствии

поля

до

температуры

На основании этого

Э.

Телье формулировал третий закон:

термоостаточная парциальная намагниченность

Л>„

остается

неизменной

при

нагревании образца

отсутствии поля

до

темпе-

ратуры

не

выше

. J

полностью исчезает

при

нагревании

об-

разца

до

температуры

выше

частично

при

нагревании

до

температуры выше

ниже

Т\.

Следовательно, термоостаточная намагниченность

бу-

дет частично терять свою величину

при

температурах,

уже не-

сколько больших комнатной температуры,

полностью исчезать

в точке Кюри.

Эмпирическая закономерность процесса размагничивания

при

нагревании показана

на рис. 13 для Fe

Однако характер

за-

висимости остается

для

всех ферромагнетиков один

и тот же.

Разница состоит лишь

выпуклости кривой.

Все

три

закона

Э.

Телье, которые были

им

установлены

для

образцов обожженных глин,

дальнейшем были подтверждены

в работах

Т.

Нагата

[48] на

образцах вулканических пород,

М.

А.

Грабовского

и Г. Н.

Петровой [19]

на

образцах

и ни-

келя

и Т. Н.

Розе

[59] на

образцах магнетита, гематита

магге-

мита.

4. Химическая намагниченность.

последние годы японски-

ми геофизиками было установлено,

что

некоторые минералы

мо-

гут приобретать высокую намагниченность

слабом поле

и при

Виды

намагничивания

Рис.

13.

Зависимость термо-

остаточной

намагниченности

остаточной изотерми-

ческой

от

температуры.

низких температурах, если

течением времени

ними происхо-

дят химические превращения

рекристаллизация. Одни хими-

ческие соединения переходят

другие, одна кристаллическая

структура

—в

другую.

Так,

лабораторных установках Нагата

Кобаяши

[125] на-

блюдали такую намагниченность

при

переходе

aFe

Oi,

а также

при

переходе

уреоОэ;

они

назвали

ее

химиче-

ской

обозначили

как /

с/

Первый процесс перехода

был

осуществлен путем выдержки

по-

рошкообразного

aFe20

при

темпе-

ратуре 340°

С в

течение

2Q час в

атмосфере водорода, второй

— пу-

тем помещения

0.j в

потоке кис-

лорода

при

температуре 270°

С.

Остаточная намагниченность,

которую приобрели

и yFe

^ыла значительно выше изотерми-

ческой,

но

ниже термоостаточной.

Однако устойчивость

ее по

отноше-

нию

размагничиванию перемен-

ным лолем

убывающей

до

нуля

амплитудой

нагреванию

до

точки

Кюри оказалась одинаковой

устойчивостью

На

рис. 14 и 15

даны кривые размагничивания переменным

полем

нагреванием образца

остаточные намагниченно-

сти которого были получены изотермическим путем

при

20°

С в

поле

30 э и при

370°С

поле

10 э (J

термоостаточным

(/,./)

и химическим

Кривые показывают,

что

устойчивости

совершенно одинаковы.

Отсюда вытекает,

что

химическая намагниченность имеет

одинаковую природу

термоостаточной,

объяснение

как той,

так

другой следует искать, исходя

из

одних

и тех же

теорети-

ческих предпосылок.

Ввиду того

что

многие горные породы, обладающие естест-

венной остаточной намагниченностью

содержат зерна магне-

тита

гематита, процесс намагничивания

их мог

происходить

аналогичным путем,

но без

повышения температуры,

так как хи-

мические процессы могли происходить

и при

нормальной темпе-

ратуре, требуя лишь более значительного времени.

Вопрос

о том,

каким путем горные породы приобрели оста-

точную намагниченность,

для

геофизики имеет громадное значе-

ние,

так как это

позволяет установить генезис

той или

иной

породы,

также возможность использования

их для

целей палео-

магнетизма,

т. е. для

определения магнитного поля

отдален-

Основные явления ферромагнетизма

[Гл. I

Рис. 15. Кривые размагничивания при нагревании;

термоостаточной намагниченности J

, химической

изотермической /

для образца

Рис. 14. Кривые размагничивания перемен-

ным полем термоостаточной намагниченно-

сти J

, химической J

, изотермической J

для образца

Виды намагничивания

2Ь

ные геологические эпохи. Поэтому открытие нового вида намаг-

ниченности — химической — представляет большой интерес и

требует разработки методов выделения ее из общей величины /„.

5. Вязкое намагничивание. Опыт показывает, что при непре-

рывном действии постоянного магнитного поля на ферромагне-

тик намагниченность его с течением времени t возрастает и, наобо-

рот, после выключения поля остаточная намагниченность его па-

дает.

В первом случае приращение намагниченности происходит по

закону, определяемому эмпирической формулой, теоретическое

обоснование которой дано в § 10:

Jv=B(Q

+ \nt), (1.2)

во втором — уменьшение по закону:

(1.3)

где Q — постоянная, а Б — функция абсолютной температуры ы

постоянного поля Н, в котором находится образец.

Это явление самопроизвольного намагничивания и размаг-

ничивания получило название магнитной вязкости, или магнит-

ного последействия, а намагниченность /« — вязкой намагничен-

ности.

Магнитная вязкость проявляется наиболее резко в началь-

ной части кривой намагничивания, в так называемой области

Релея. Исследования магнитной вязкости начались в последние

годы, после того как Телье [149] обнаружил наличие ее в образ-

цах горных пород.

Условия образования вязкой намагниченности в горных поро-

дах особенно благоприятны. Земное магнитное поле не велико,

а продолжительность пребывания пород в этом поле исчисляет-

ся миллионами лет. Поэтому естественная остаточная намагни-

ченность горных пород J

одним из компонентов всегда должна

содержать в себе вязкую намагниченность J

. Исследования в

этой области рядом авторов показали, что действительно вязкая

намагниченность играет большую роль в образовании остаточной

намагниченности. Этим и объясняется тот факт, что исследова-

ние ее в основном производилось и производится на образцах,

горных пород.

Наиболее полные исследования в этом отношении были про-

изведены в последнее время в Японии Шимицу [141] на образ-

цах железной руды, содержащей зерна магнетита.

На рис. 16 даны кривые зависимости J

от lgi в постоянном

ноле 3,3 э при различных температурах для одного из исследо-

ванных им образцов, а на рис. 17 — кривые спадания остаточной;

намагниченности в зависимости от îg t'.

Основные явления ферромагнетизма

Гл.

Рис. 16. Зависимость вязкой намагниченности J.

от логарифма времени t

в поле H =3,3 э при различных температурах Т.

Рис. 17. Зависимость Гвязкой намагниченности J

от логарифма времени /'

при отсутствии поля.

Виды намагничивания

На рис. 18 представлены кривые зависимости коэффициента

В от абсолютной температуры и одновременно дана зависимость

коэрцитивной силы от Τ для двух образцов.

Можно видеть, что в пределах температур от 0 до 400° для

образца № 1 и от 0 до 600° для образца № 2 зависимость В от Τ

имеет линейный характер, далее изменение В становится мень-

Основные явления ферромагнетизма

[Гл.

шим, но при Г«700—800° кривая делает скачок вверх, достигает

максимума и быстро падает при температурах, близких к точке

Кюри.

Сопоставление .кривых В—Τ и Я

—Τ дает объяснение тому,

что вблизи точки Кюри зависимость В οτ Τ перестает быть ли-

нейной. Коэффициент вязкости, как показывает теория этого

явления (см. § 10), зависит от Я

чем меньше Я

, тем больше В, вслед-

ствие чего при уменьшении Я вбли-

зи точки Кюри коэффициент В на-

чинает быстро расти. В точке Кюри

ферромагнитные явления исчезают

и коэффициент В должен стать рав-

ным нулю, что и отражается на кри-

вой В—Τ резким уменьшением В

при подходе к точке Кюри.

Явления вязкости были подробно

изучены на 50 образцах дальне-

восточных базальтов в лаборатории

кафедры физики земной коры ЛГУ

Л.

Е. Шолпо [77].

Исследования, проведенные в по-

лях от 2 до 50 э с выдержкой во

времени от 1 до 10

сек, дали сле-

дующие результаты.

а) При времени действия намаг-

ничивающего поля г, большем неко-

торого t

, остаточная намагничен-

ность образца может быть выра-

жена:

где /

(/о)—остаточная намагниченность, приобретаемая к момен-

ту времени /о; S' и S'j — постоянные коэффициенты, физический

смысл которых будет дан ниже (§ 10, гл. II), и

f—время,

про-

шедшее после выключения поля. Время t

для изученных базаль-

тов и некоторых других изверженных пород составляет величину

около 5 мин.

Таким образом, линейной функцией In ^ и In t' является не/

как это дается формулами (1.2) и

(1.3),

а у/

. На рис. 19 при-

веден результат одного из экспериментов, показывающий зави-

симость у/

от In/ при различных Н.

Arc.

19. Зависимость вязкой

намагниченности Ι

от лога-

рифма времени t при раз-

личных значениях поля Н.

Зависимость J от формы тела 29

б) Отношение отличается от единицы и составляет в сред-

нем для исследованных базальтов 1.5 при намагничивании в те-

чение t>3 · 10

сек. Зависимость коэффициентов 5' и S\ от вре-

мени t показана на рис. 20. Из него видно, что при возрастании

t S' и S'\ стремятся к предельному значенню.

Рис. 20. Зависимость коэффициентов вязкости S' и

Sj от логарифма времени t.

в) Величина S' для всех изученных образцов имеет значение

от 1,3 до 21 э. При этом 80% всех образцов имеют 5' в интервале

2 до 9 э, 50% — от 4 до 8 э.

§ 2. Зависимость намагниченности J любого тела от его формы

Намагниченность любого тела, независимо от способа ее по-

лучения, будет определяться не только теми условиями, при ко-

торых производится намагничивание, но и в сильной степени

формой самого тела.

Зависимость J от формы тела может быть найдена из основ-

ных законов магнитостатики.

При вычислении потенциала намагниченного шара и эллип-

соида в т. I было показано, что тот и другой создают внутри себя

магнитные поля, противоположные их намагниченности.

Эти результаты, однако, являются общими для тел любой

формы и любых размеров. Поэтому магнитный потенциал U в

какой-либо точке Ρ внутри тела будет являться суммой потен-

циала U

внешнего намагничивающего поля и потенциала Ud,

создаваемого самим телом, т. е.

(1.5)

Основные явления ферромагнетизма

[Гл.

Отсюда напряженность поля H в точке Ρ будет

grad(i/

H-i/d)

= H,+ H

где

Н,,

— напряженность однородного намагничивающего поля,

a Hd — напряженность внутреннего поля.

Намагниченность же J выразится уравнением:

J = xH

+xH

. (1.6)

Следовательно, намагниченность под действием однородного

поля зависит не только от величины напряженности этого поля,

но также и от поля, создаваемого самим намагниченным телом.

Величина Hd, как показывают теория и опыт, для однородного

намагничивания всегда отрицательна, т. е. имеет направление,

противоположное внешнему полю, и поэтому получила название

напряженности внутреннего размагничивающего поля.

Рис. 21. Силовые линии вокруг магнита.

Внутреннее .размагничивающее поле есть не что иное, как

поле, в котором находится магнит и которое создается им же.

Действительно, если обратиться к рис. 21, где показан ход

силовых линий вокруг магнита, то можно видеть, что около

поверхности образца направление силовых линий обратно на-

правлению их внутри магнита. Картина получается совершенно

такой, как если бы поток силовых линий вне магнита представ-

лял магнитное поле, вызванное внешними источниками, и маг-

нит был бы помещен в это поле. Ясно, что такое поле будет

действовать размагничивающим образом, т. е. уменьшать его

намагниченность.