Природа магнетизма

Природа магнетизма складывается из двух факторов

1. Природа магнетизма элементарных частиц (электрона, протона, нейтрона, позитрона, мезона)

2. Природа магнетизма взаимосвязи между элементарными частицами

Электрон движется за счет имеющегося у него момента импульса - механического момента. Кроме момента импульса электрон обладает магнитным моментом (m s)

m s - магнитный момент электрона

m s=

=

где - постоянная Планка

е - электронный заряд

m - магнитный момент

Магнитный момент электрона оценивает магнетизм атома и называется магнитоном бора.

m s - это вектор, записанная формула означает проекцию вектора магнитного момента электрона на протяженность магнитного поля, окружающего пространства.

Протон обладает механическим моментом - моментом импульса и вращается вокруг собственной оси за счет наличия момента импульса. Это вращение называется прецессией (движение волчка). Каждый протон обладает электрическим зарядом, следовательно, обладает магнитным моментом

(m_р)_h =

m_р - проекция магнитного момента протона

e - заряд протона

m - масса протона

Магнитные моменты зависят от размеров и величины m_р < в 2000 раз m_э

Магнетизм электрона складывается из магнетизма выработанного спиновым эффектом электрона - моментом импульса и магнетизмом орбитального движения. В сумме магнетизм атома обусловлен спиновым и орбитальным магнетизмом электрона положительным ядерным магнетизмом протона.

Позитрон и мезон имеют положительный заряд, положительный магнитный момент тоже создают магнитное поле, но они являются короткоживущие, поэтому не создают постоянного магнетизма.

Основными магнитными характеристиками вещества является магнитная восприимчивость и магнитная намагниченность. Горные породы и вещества воспринимают или проводят магнитное поле по-разному, одни хорошо, другие слабо. Способность горных пород воспринимать магнитное поле называется магнитной восприимчивостью (æ). Значение магнитной восприимчивости зависит от формы образца, размера и состава. Магнитная восприимчивость является коэффициентом пропорциональности между намагниченностью и напряженностью магнитного поля.

Способность горных пород отдавать магнитное поле называется намагниченностью -

Намагниченность зависит от магнитной восприимчивости и напряженности магнитного поля (H).

æh

æ=

Эта формула справедлива для диамагнетиков и парамагнетиков.

æ константа для определенного типа пород. В зависимости от величины æ горные породы делят на

ü Диамагнетики æ<0

ü Парамагнентики æ>0

ü Ферромагнетики æ >>0

ü Антиферромагнетики

ü Ферримагнетики

Диамагнетики за счет атомного магнетизма создают отрицательное магнитное поле в силовых линиях напряженности магнитного поля цилиндрики - диамагнетики встают перпендикулярно к силовым линиям. Все вещества в природе диамагнитные.

Парамагнетики - это диамагнетики с лишними электронами, которые создают дополнительную магнитную силу. Цилиндрики - парамагнетики встают параллельно силовым линиям напряженности магнитного поля.

Ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики имеют другую природу магнетизма. Их магнетизм обусловлен доменной структурой.

Домен - магнит, размеры его 1*10^-8 см

Ферромагнетики - совокупность доменов, внутри которых идет спонтанная перестройка атомов.

Ферромагнетик имеет домены, в которых магнитные моменты ориентированы параллельно между собой в одном и том же направлении.

Внутри ферромагнетика происходит компенсация магнитных сил, и остаются только два заряда на верхней кромке. Таким образом, мы имеем горную породу, у которой намагниченными оказываются верхняя и нижняя кромка. Угловые точки самые магнитные.

Антиферромагнетики имеют доменную структуру с преобладанием антипараллельных доменов с полной их компенсацией.

Ферромагнетик - доменная структура с неполной компенсацией. Закон связи намагниченности и магнитной восприимчивости сложен.

æ безразмерная величина.

Намагниченность есть вектор, который зависит от величины и направления напряжения магнитного поля, действующий в прошлой геологической эпохи и в современность. Можно представить через сумму влияний напряженности

общий вектор

остаточная намагниченность, приобретенная в прошлые геологические эпохи.

намагниченность, индуцированная современным магнитным полем

в системе СИ измеряется в Ампер/метр

в системе СГС в единицах СГС

Напряженность магнитного поля, магнитная индукция.

Из условия статики имеем

H - напряженность магнитного поля

B - магнитная индукция

Магнит - это объект, имеющий два магнитных заряда, расположенных друг от друга на некотором расстоянии, знаки противоположны.

Силовые линии напряженности магнитного поля H выходят из положительного магнитного заряда, а заходят в отрицательный. Начинаются на положительной кромке тела и заканчиваются, а отрицательной. Напряженность магнитного поля (H) создает внешние силовые линии. Силовые линии напряженности магнитного поля имеют начало и конец. Внутреннее поле идет от плюса к минусу и определяют внутреннее состояние намагниченности вещества (). Намагниченность выступает в роли размагничивающего внутреннего эффекта.

Силовые линии магнитной индукции не имеет ни начала, ни конца. Магнитная индукция определяет поток напряженности через объект. Различия между силовыми линиями напряженности и магнитной индукцией видны только вблизи объекта исследования. Чем дальше от источника, тем меньше отличий H от B.

В системе СГС H измеряется в эрстедах

1Э=10^-3 мЭ (данные магнитных съемок до 80-х гг. даны в мЭ)

В системе СИ H измеряется в Ампер/м

1Э=79,6 мЭ

рабочей единицей в системе Си является гамма

Э, мЭ,

1 Э

В системе СИ В измеряется в Тесла (Тл).

Тесла - магнитная индукция, которая создается вокруг проводника с током, если течет ток 1 Ампер.

1нТл= Тл

1нТл=1

Связь В и Н:

- абсолютное значение магнитной проницаемости среды.

- магнитная проницаемость вакуума.

æ

- магнитная проницаемость среды.

(H+I)

(H+ æH)

(1+ æ)

- способность горных пород пропускать поток силовых линий магнитной индукции.

Элементы земного магнетизма (ЭЗМ)

Магнитное поле - пространство, где ощущается действие магнитных сил.

Магнитное поле характеризуется векторной величиной В или Н. Это вектор определенного направления и определенной величины. Основная характеристика напряженности - это Т - полный вектор напряженности магнитного поля или Т - полный вектор магнитной индукции. Т - касательная к силовым линиям Н или В. Измерить вектор по величине и направлению очень трудное занятие, поэтому сначала были разработаны приборы, измеряющие составляющие вектора Т.

Пусть в точке О имеем полный вектор Т. В точке О создадим систему координат. Ось X направлена на географический север, ось Y - восток, ось Z перп

Перндикулярно вниз. Проектируем Т на OXY . Проекция Т на OXY - горизонтальная составляющая () полного вектора Т если спроектировать параллельно. Проекция Т на Z - вертикальная составляющая. Х - северная составляющая вектора Т на ось Y. Y - восточная составляющая.

склонение

наклонение

T, H, Z, X, Y, D, I - элементы земного магнетизма, регистрируются непрерывно по всему земному шару в обсерваториях. Рисунок сделан для Советского Союза. Каждый элемент должен обладать знаком. Вектор Т имеет положительный знак, направлен вниз в северном полушарии, в южном полушарии - вверх.

Горизонтальная составляющая имеет положительный знак, если она отклоняется к востоку, если к западу - минус. D+ I+

Измеренные значения элементов земного магнетизма изображаются на картах в виде изолиний или линий равных значений.

ü если на картах изображены T, H, Z, X, Y то пишут карта изодинам (Т).

ü если на картах изображено склонение - карта изогон

ü если на картах изображено наклонение - карта изоклин.

Между элементами земного магнетизма имеется тесная связь.

Магнитный момент можно получить из понятия намагниченности - магнитный момент единицы объема.

- магнитный момент

- объем

- намагниченность

Магнитный момент - основная характеристика при решении прямых задач магниторазведки.

(магнитный момент объемных тел, трехмерных)

- поперечное сечение двухмерного вытянутого объекта

В любой точке пространства величина полного вектора магнитной индукции может быть подсчитана по формуле:

- расстояние от центра земли до точки вычисления

- магнитная широта точки наблюдения

Аналогично

Эти формулы использовал в 1835 году Симонов. Он вычислил теоретическое магнитное поле для всего земного шара.