Понятие о магнитных свойствах веществ

Нет таких веществ, состояние которых не изменялось бы при помещении их в магнитное поле. Более того, находясь в магнитном поле, вещества сами становятся источниками магнитного поля. Такие вещества принято называть магнетиками.

Магнитная восприимчивость (ϰ)является мерой намагниченности образца под действием внешнего магнитного поля

где J – намагниченность образца; Н – напряженность магнитного поля, вызвавшего эту намагниченность.

Магнетики делят на три основных класса: парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики, каждому из которых соответствует и свой тип магнетизма. Рассмотрим их природу.

Парамагнетизм.Согласно классической теории парамагнетизма, молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты. В отсутствие магнитного поля эти моменты расположены хаотически и вектор намагниченности равен нулю (рис. 1 а). При помещении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты молекул ориентиру­ется предпочтительно по направлению вектора магнитной индукции В внешнего магнитного поля, в результате чего образец намагничивается и J ¹ 0 (рис. 1 б).

Магнитное поле, созданное парамагнетиком, усиливает, хотя и незна­чительно, внешнее магнитное поле, поэтому индукция результирующего поля В больше магнитной индукции В₀ поля при отсутствии парамагне­тика (В > B₀), ϰ> 0. К пара­магнетикам относят алюминий, кислород, молибден и т. д.

Рис. 1. Ориентация магнитных моментов молекул парамагнетика в отсутствии внешнего магнитного поля (а) и при наличии внешнего магнитного поля (б)

Диамагнетизм присущ всем веществам. Однако в парамагнетиках диамагне­тизм перекрывается более сильным парамагнетизмом. Если магнитный момент молекулы равен нулю, то вещества, состоящие из таких моле­кул, относят к диамагнетикам. На рис. 2 показаны условные молекулы диамагнетика при отсутст­вии внешнего магнитного поля (а) и в магнитном поле (б).Намагниченность J диамагнетиков на­правлена противоположно магнитной индукции внешнего магнитного поля, ее значение увеличивается с возрастанием индукции. Так как собственное магнитное поле, созданное диамагнетиком, направлено противоположно внешнему, то магнитная индукция Ввнутри диамагнетика меньше магнитной индукции В₀ при отсутствии поля (В < B₀). Следовательно, для диамагнетика ϰ < 0. К диамагнетикам относят азот, водород, медь, воду и др.

Рис. 2 Молекулы диамагнетика в отсутствии магнитного поля (а) и направление намагниченности диамагнетиков в магнитном поле (б)

Ферромагнетизм. К ферромагнетикам относят такие вещества, кото­рые во внешнем магнитном поле могут создавать собственное магнитное поле, значительно превышающее внешнее магнитное поле. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков во много раз превосходит магнитную восприимчивость и парамагнетиков, и диамагнетиков.

Перечислим основные свойства ферромагнетиков:

а) зависимость магнитной проницаемости от намагниченности или от напряженности намагничивающего поля: m = f(H). Это означает нели­нейность зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля J = f(H), что графически изображено на рис. 3 (кривая О- 1);

б) зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля и от того, в каком состоянии ферромагнетик был до этого. Так, если от состояния 1 (рис. 3) уменьшать Н,то кривая состояния ферромагнетика (2 –2) не будет совпадать с первоначальной кривой (О- 1). При Н= 0 фер­ромагнетик будет иметь остаточную намагниченность J₀.Для того чтобы намагниченность стала равной нулю, необходимо изменить на­правление вектора Нна противоположное (точка 3); соответствующая напряженность получила название коэрцитивной силы (Н_С). Полный цикл изменения напряженности магнитного поля (1–2–3–4–1) представ­ляет кривую магнитного гистерезиса (от греч. hyste¢ resis - отставание, запаздывание);

Рис. 3. Кривая магнитного гистерезиса

в) ферромагнитные свойства сохраняются при температурах ниже некоторой Т_к, которая называется температурой Кюри. Так, например, для железа Т_к = 1043 К. При температуре Кюри имеет место фазовый переход ферромагнетика в парамагнетик.

Согласно современным представлениям, в ферромагнетике существуют области (домены) (рис. 4), которые и в отсутствие внешнего магнитного поля намагничены до насыщения, однако магнитные моменты доменов ориентированы хаотически (такая ситуация имеет место до внесения размагниченного ферромагнетика в магнитное поле). В такой ситуации намагниченность ферромагнетика равна нулю. При намагничивании происходит укрупнение одних доменов и уменьшение других вплоть да полного их слияния.

Ферромагнетизм - «коллективное» явление, он присущ, к примеру, не отдельно-му атому железа, а группе атомов, образующих домен.

Магнитные свойства почв связаны в основном с их твердой фа­зой, в состав которой входят первичные, вторичные минералы и органическое вещество. Все они имеют различные магнитные свойства. Они могут быть диамагнитны­ми, парамагнитными и ферромагнитными и твердая фаза почв является их смесью. Каков же в этом случае ха­рактер намагничивания почв? Оказывается, даже незначительное присутствие в почве ферромагнитного компонента обеспечивает ей гистерезисный характер намагничивания. К ферромагнитным компонентам почв относят минералы, содержащие железо, никель, кобальт, титан, железоорганические и другие соединения (магнетит – FeO · Fe₂O₃, гематит – α-Fe₂O₃, маггемит – γ-Fe₂O₃,ильменит – FeO · TiO₂, лимонит – Fe₂O₃ · ЗН₂О, лепидокрокит – γ-FeO · ОН, гидролепидокрокит – γ-FeO · ОН · nН₂О, гетит – α-FeO · ОН).

Магнитную восприимчивость определяют с помощью приборов в полевых или лабораторных условиях путём прикосновения зонда с поверхнос­тью почвенного образца. Зна­чения магнитной восприим­чивости, выраженные в еди­ницах СИ, считывают со шка­лы прибора.

Количественный и качественный состав ферромагнитных компонентов в почвах зависит от процессов почвообразования. Поскольку величина площади петли гистерезиса отражает содержание ферромагнитных компонентов в образце, то её можно использовать для идентификации типа почвы или характеристики отдельных горизонтов (рис. 5)

Показателя­ми магнитных свойств почв наряду с магнитной восприимчивос­тью являются также остаточная намагниченность J_п икоэрцитивная сила Н_С, намагниченность насыщения J_s и сама гистерезисная пет­ля, т.е. величина её площади и удельная магнитная восприимчивость (χ):

,

где ρ – плотность почвы.

Рис. 5. Петли магнитного гистерезиса дерново-карбонатной слабовыщелочеснной глинистой почвы по генетическим горизонтам (Ковриго).

Типы почв, сформировавшиеся на различных материнских породах, имеют определенные значения магнитной воспри­имчивости верхних гумусовых горизонтов Например, значения магнитной восприимчивости пахотного горизонта дерново-подзолистых суглинистых почв вос­точноевропейской части России колеблются в пределах (40,3 ±14,3) 10^-5 единиц СИ, а дерново-карбонатных – соответ­ственно (68,5 ± 18,7) 10^-5 единиц СИ.

Величины магнитной восприимчивости для верхних гумусовых (пахотных) горизонтов автоморфных почв отражают зональные и региональные особенности почвообразования, которые в боль­шой степени зависят от интенсивности и качественной направ­ленности гумусово-аккумулятивного процесса, в результате кото­рого происходят количественные и качественные изменения фер­ромагнитных минералов. Значения магнитной восприимчивости уменьшаются для почв в следующем порядке: черноземы > каштано­вые почвы > сероземы. У дерново-подзолистых почв величина ϰ ниже, чем у серых лесных по­чв.

На снижение значений ϰ влияют процессы оподзоливания и оглеения, еще более – гранулометрический состав, развитие плоскостной водной эрозии и наличие свободных карбонатов.

Каждый тип почвы характеризуется своим магнитным профилем, т.е. закономерностями изменения магнитной воспри­имчивости по генетическим горизонтам. Для примера на рисунке 6 приведены профили магнитной восприимчивости дерново-подзолистой и дерново-карбонатной почв. Профильную кривую магнитной восприимчивости в основном определяет илистая фракция, в которой сосредоточены в дисперсном состоянии фер­ромагнитные минералы.

Рис. 6. Показатели магнитной восприимчивости по профилю почв: а – дерново- подзолистая среднесуглинистая на покровном тяжелом пылеватом суглинке; б – дерново-карбонатная выщелоченная на буровато-красной карбонатной глине (Ковриго)

На основе измерений магнитной восприимчивости разработа­ны магнитометрические способы диагностики почв, определения их качественных показателей и производительности.

Так как различные почвы имеют типичные для них показатели магнитной восприимчивости, то магнитометрические способы могут использоваться для диагностики почв и установления по­чвенных границ при крупномасштабном почвенном картографи­ровании, для уточнения границ элементарных агрохимических участков при составлении агрохимических картограмм. Показате­ли магнитной восприимчивости имеют положительную корреляцию с содержанием гумуса, величиной обменной кислотности, суммой обменных оснований, степенью насыщенности почв ос­нованиями, содержанием физической глины, т.е. со свойствами, при которых произошли количественные и качественные измене­ния ферромагнитных компонентов почвы. Поэтому по величине магнитной восприимчивости верхнего гумусового го­ризонта можно устанавливать степень необходимости проведения известкования почв, степень окультуренности почв, их бонитетный балл, делать заклю­чение о степени развития плоскостной водной эрозии, выделять однородные по плодородию участки поля для проведения полевых экспериментов и т.д.