Магнетні властивості мінералів

Магнетні властивості мінералів виникають і виявляються в магнетному полі. Тільки небагато мінералів володіють високими магнетністью, або намагнеченістю, достатньою, щоб притягати магнетну стрілку, магнетні порошки або залізні ошурки. Більшість же мінералів проявляють магнетні властивості тільки в сильному магнетному полі з високою напруженістю.

Магнетні властивості мінералів оцінюються за її поведінкою в магнетному полі. Під впливом магнетного поля мінерал, як і люба речовина, намагнечується, тобто набуває певного магнетного моменту.

Природа магнетизму мінералів.

Атоми – магнетні диполі, що виникають в результаті обертових рухів заряжених частинок – протонів та електронів. Їх сумарний магнетний момент складається із трьох складових:

1. ядерного моменту, зумовленого відносно повільним обертанням протонів в ядрах;

2. орбітального електронного моменту, зумовленого обертанням електронів навколо ядра, який дорівнює _орб =-er², де e – заряд електрона,  – частота його обертання, r – віддаль між електроном та ядром.

3. спіновий електронний момент, зумовлений обертанням електрона навколо осі.

Ядерний момент дуже слабкий в порівнянні із електронним (орбітальним та спіновим), і тому в результуючому магнетному моменті не враховується.

Говорячи про магнетні моменти атомів та іонів ми повинні пам’ятати, що якщо їх «помістити» в кристалічну гратку мінералів, то їх ефективні магнітні моменти під впливом кристалічного поля зменшуються («заморожування» _орб). Причина цього в тому, що електричне поле всередині кристалу змушує електрони знаходитись на мінімальних орбітах, зменшуючи таким чином орбітальний магнітний момент. Із принципу Паулі виходить, що два електрони, що належать одній орбіталі, повинні мати різні спіни, тобто взаємно протилежні напрямки обертання навколо осей. Тому магнітні моменти таких спарених електронів взаємно компенсуються. Значить, ефективний магнітний момент _еф атомів чи іонів буде пропорційний кількості неспарених електронів на зовнішніх орбітах. Спіновий магнітний момент ізольованого неспареного електрона називається магнетоном Бора і є одиницею вимірювання атомних магнітних моментів.

Магнетизм мінералів із перехідними елементами майже повністю визначається спіновими магнітними моментами їх електронів. Неспарені електрони характерні для d– та f–підоболонок іонів елементів групи заліза (Fe²⁺ Fe³⁺ Mn²⁺ Mn ³⁺ Mn ⁴⁺ Cr³⁺, Co²⁺ Ni²⁺ Cu²⁺ V³⁺ ) та рідкісних земель (U⁴⁺ Dy³⁺ Er³⁺ Gd³⁺ Nd³⁺ Ce2⁺) (див. рис. )

Індукованість магнетного поля в мінералах при взаємодії із зовнішнім полем.

Магнетна індукція, яку створює магнетне поле, змінюється у присутності мінералу. Мірою її зміни служить магнітна сприйнятливість, яка визначає залежність виникаючого в мінералі магнетного моменту від напруженості магнітного поля.

Питомий магнетний момент описується формулою

 = H,

де  - питома намагнечуваність (магнетний момент), А·м²/кг;  (каппа) - питома магнетна сприйнятливість, м³/кг; H – напруженість зовнішнього магнетного поля, А/м.

Значення  мінералів знаходяться в межах від +10 до –1.0·10^-8 м³/кг

Мінерали у відповідності із поведінкою в магнетному полі та значеннями  діляться на

• сильномагнетні, що притягуються постійним магнетом

• слабомагнетні, що набувають магнетних властивостей під вливом зовнішнього високонапруженого магнетного поля, що створюється електромагнетом (часто такі мінерали називають електромагнетними)

• немагнетні (табл. ).

Елементарні магнети – магнетні диполі, що знаходяться в речовині, можуть бути постійними, тобто існувати в речовині ще до внесення в магнетне поле, або ж індукованими, такими, що виникають під впливом магнетного поля.

Внесення речовини в магнетне поле веде до орієнтації магнетних диполів у відповідності до магнетних силових ліній. При цьому можливі наступні варіанти:

• Постійні диполі під впливом магнетного поля орієнтуються в напрямку, що співпадає із силовими лініями поля, що заставляє її втягуватись в це поле.

  • Речовина із такими властивостями називається феромагнетиком.

  • Парамагнетиком

  • антиферомагнетиком

• Індуковані диполі орієнтуються протилежно напрямку зовнішнього магнетного поля, таким чином, згідно правила Ленца, послаблюючи його. Речовина із такими властивостями виштовхується із магнітного поля і називається діамагнетиком.

Д іамагнітними є більшість мінералів і тільки невелика їх кількість відноситься до решти типів.

)

	Рис. Схема магнетних структур мінералів (за А.Г.Булахом

Діамагнетики

Мінерали-діамагнетіки відрізняються негативним значенням магнетної сприйнятливості, яка майже не залежить від напруженості магнетного поля і температури, зменшується в магнетному полі і виштовхується з нього.

Проявляється в слабкому опорі пересуванню матеріалу в напрямку зменшення сили магнетного поля; теоретично така властивість є в деяких доменів всіх мінералів.

Спареність електронів

Найсильніше діамагнетні властивості проявлені у самородного вісмуту, графіту, у меншій мірі - у самородного срібла і золота, флюориту і кальциту, кварцу і ін.

56

Феромагнетики

Мінерали-феромагнетики містять іони перехідних елементів з неспареними спинами, магнетні моменти яких орієнтуються кристалічним полем в межах магнетних доменів; їх можна уподібнити мікромагнетам розміром від мікрометра до міліметра. Магнетні моменти доменів у відсутність магнетного поля мають різну орієнтацію, і тому намагніченість, наприклад самородного заліза, не виявляється. У магнетному полі домени, подібно до спінів у парамагнетиках, орієнтуються, що викликає високу намагніченість. Після зняття магнетного поля відбувається разорієнтация доменів у одних мінералів відразу, у інших - через деякий час, а у третіх - зберігається залишкова намагніченість. Це пов'язано з різною рухливістю магнетних доменів в різних мінералах, залежно від наявності дислокацій, включень інших мінералів, наприклад продуктів розпаду твердих розчинів, зональності або мозаїчноєті кристалів і інших неоднородностей. Стабільність залишкової намагніченості виражається через енергію, яку необхідно витратити для розмагнічування, звану коерцитивной силою. Мінерали-феромагнетики характеризуються високим позитивним значенням магнетної сприйнятливості, сильно залежної від напруги магнетного поля і температури. Так само, як в парамагнетиках при нагріванні відбувається розупорядкування, спінів, у феромагнетиках разорієнтіруются магнетні домени і при деякій температурі (точка Кюрі) магнетні моменти повністю компенсуються і намагніченість зникає: феромагнетик перетворюється в парамагнетик.

До феромагнетиків з дуже високою намагніченістю відносяться

-самородное залізо, ферроплатіна, залізовмісне золото.

Наявність власного магнетного поля, що наростає при накладанні зовнішнього магнетного поля

Таблиця

	Xg. (10-8m3kg-1)
Приклади діамагнетних мінералів		Немагнетні
кварц	-0.46
Кальцит	-1.0...-0.38
ортоклаз	-0.5
лід	-1.0
Барит	-0.28
Флюорит	-0.36
Каситерит	-0.29..2.25
Paramagnetic		Слабомагнетні (електромагнетні)
пірит	0.2…0.7
рутил	0.7…4.8
сфалерит	-0.68…18
Діопсид	12...13
Biotite	13...76
Olivine	36
ільменіт	15...46
Siderite	32 … 270
альмандин	50…150
Antiferromagnetic
Goethite	26 … 280
Гексапіротин	25 ... 200
Hematite	10…760
Ульвешпінель
Ferrimagnetic		сильномагнетні
Hematite-ilmenite series (гемоільменіти)	46 – 80,000
клінопіротин	30000… 69000
Грейгіт
Magnetite	20000… 110000
маггеміт,
Ferromagnetic
Залізиста платина
Iron камасит	10,000

Сам. залізо, камасит (метеоритне нікелисте залізо)

Парамагнетики

Мінерали-парамагнетики характеризуються хаотичною орієнтацією спінів. Тому у відсутність магнітного поля магнітні моменти компенсуються і мінерали не виявляють намагніченості. У магнітному полі унаслідок орієнтації спінів мінерали намагнічуються позитивно і притягуються у напрямі магнетного поля. При нагріванні парамагнітних мінералів, унаслідок розвпорядкування спінів, намагніченість і магнітна сприйнятливість зменшуються. Із зростанням напруженості магнетного поля намагнеченість збільшується. До парамагнетиків відносяться помірно магнетні мінерали - ільменіт, гематит, хроміт, вольфраміт, сидерит, піролюзит, а також залізовмісні силікати.

Притягування, що спостерігається при зсуванні матеріалу в напрямку зростання інтенсивності магнетного поля; це притягування пропорційне силі зовнішнього поля (сульфіди, залізомістячі силікати, берил, самородна мідь). В істинно парамагнетних мінералів парамагнетні іони розділені просторово і не взаємодіють між собою

Взаємодія між неспареними електронами сусідніх «парамагнетних» атомів

Суперобмін, побіжний обмін, двійний обмін

Взаємне впорядкування спінових магнетних моментів магнетних діполів сусідніх атомів паралельно (феромагнетики) або ж антипаралельно (антиферомагнетики)

Ферімагнетизм

Ферімагнетики – магнетит, грейгіт, клінопіротин

Антиферомагнетизм

Для діа- та парамагнетиків  не залежить від напруженості магнетного поля. Антиферомагнетики при кімнатній температурі ведуть себе як парамагнетики, а в низькотемпературному інтервалі набувають високих значень , що залежать від напруженості магнетного поля. Вивчаючи залежність  від Н можна встановити включення сильномагнетних мінералів в діа- та парамагнетних мінералах.

Пониження температури знижує теплову розорієнтацію і магнетний момент зростає. При рості температури спостерігається зворотнє явище

Температурна залежність магнетних властивостей – стала Кюрі Tc ~ 580°C для магнетиту.

Залежність температури Кюрі від складу

Рис. Залежність температури Кюрі від складу твердих розчинів гематит-ільменіт (гемоільменітів)

Зростання сприйнятливості із ростом температури в антиферомагнетиків . Температура Ноеля (T_N)

Феро та ферімагнетні мінерали розпадаються на окремі блоки самовільної намагнеченості - Магнетні домени - ділянки розміром 10^-5 – 10^-3 см із однорідною магнетною структурою із паралельною орієнтацією магнетних моментів. Розподіл напрямків векторів І є таким, що результуюча намагнеченість дорівнює нулю або залишковій намагнеченості (І_r), котра сама по собі несе інформацію про древнє магнетне поле( в залежності від геологічної історії мінералу) Використання залишкової намагнеченості і теорія дрейфу континентів.

Рис. Доменна будова зерна клінопіротину

Рис. Магнетна порошкографія піротинів

Магнетна компенсація – оборотна та необоротна

Вплив домішок на магнетну сприйнятливість мінералу

• графік  від вмісту FeO+MgO в кальциті

Вчення про геомагнетизм. Природа та значення магнетного поля Землі. Геологічне та промислове використання магнетності мінералів – розшифровування геологічної історії Землі; геофізичні методи пошуків руд та вивчення надр; технологія переробки руд.