A mágnesség jelensége és a Hopkinson-effektus | The phenomenon of magnetism and the Hopkinson effect

Kiss, János and Zilahi-Sebess, László and Szarka, László Csaba (2011) A mágnesség jelensége és a Hopkinson-effektus | The phenomenon of magnetism and the Hopkinson effect. Magyar Geofizika, 52 (3). pp. 151-169. ISSN 0025-0120

Text KJ_MG_52-3.pdf Restricted to Registered users only Download (1MB) | Request a copy

Abstract

A kőzetek mágnesezhetőségét az azokban található mágneses ásványok, elsősorban a ferromágnesesek okozzák. Az átmeneti fémek esetében – mint például a Fe, Co és Ni (potenciális ferromágnesek) – a betöltetlen 3d vagy 4f elektronhéjak spinnel kapcsolatos mágneses momentumainak értéke nem nulla. Ezeknél a ferromágneseknél megfigyelhető spontán mágneses rendezettség oka a szomszédos atomok elektronjainak spinnel kapcsolatos, nem kompenzált mágneses momentumai között kialakuló kicserélődési kölcsönhatás, amelynek erőssége a megfelelő pályák hullámfüggvényei átfedésének mértékével jellemezhető. Ferromágnesség emiatt csak a kristályrács meghatározott paraméterei mellett akkor jön létre, ha az atom átmérője legalább másfélszerese a be nem töltött 3d vagy 4f elektronhéjnak. Ez az átmérőarány függ a rácsállandóktól, vagyis attól, hogy milyen kémiai környezetben van a mágnesezhető átmeneti fématom. Mivel a rácsállandók függenek a hőmérséklettől, a nyomástól és a kristályrács-szimmetriától, a mágnesezhetőség is függ mindezektől. A szulfidok esetében például a maximális mágnesezhetőség nem az FeS összetételnél van, hanem Fe1–xS összetételnél (azaz látszólag a kéntöbblet az, amely növeli a mágnesezhetőséget), valójában azonban a kötéstávolságoknak van döntő szerepe. Ugyanezen okból csökken a mágnesezhetőség az oxidációs fok növekedésével a vas-oxidok esetében. Ha az atom átmérője kisebb, mint a nem betöltött 3d vagy 4f elektronhéj átmérője, akkor a spinek közti kicserélődési integrál negatív, így azok rendezett helyzetükben ellentétes irányítottságúak, vagyis a kristály antiferromágneses. Az antiferromágnességnek ebben az esetében a mágneses szerkezet összetett, formálisan két, egymással ellentétesen mágnesezett alrácsból áll. Eredő mágnesség ebben az esetben akkor jön létre, ha a kristályban rácshibák vannak, mivel akkor felborul a szimmetria. Az ilyen módon létrejövő mágnesség jellemző például a hematitra, ezért annak mágnesezhetősége nagymértékben függ az ásvány szennyeződései mellett a lehetséges rácshibasűrűségtől, amely makroszkópos szinten kapcsolatot jelent az ásvány megjelenési formája és a mágnesezhetősége között is. Ez magyarázatot adhat arra, miért nagyobb a lemezes megjelenési formák mágnesezhetősége. Ezzel kapcsolatban fontos körülmény, hogy a legnagyobb felületi rácshibasűrűség a kolloidoknál várható, aminek bizonyára nagy jelentősége van a kőzetek mágnesezhetőségében. Lényeges ugyanis az, hogy a kőzetek nem egész tömegükben mágnesezhetőek, mint ahogyan az a fémötvözetek esetében fennáll, hanem a mágnesezhető elemek a legtöbb esetben diszperz módon oszlanak el egy nem mágnesezhető közegben. Várható az is, hogy ezek a részek többnyire kolloid méretűek még a nagykristályos kőzetek esetében is, azaz diszperz eloszlású szennyeződések jelentik a tényleges hatót. Ebből következik a kőzetek további várható tulajdonsága, hogy a mágneses domének egyenként vagy csak nagyon kis csoportokban léteznek, ezért a már egyszer felvett mágneses orientáció megváltozása a doménhatárok megváltozása révén erősen gátolva van, mivel a domének határa egyben az egész mágnesezhető térrész határa is. Ugyancsak ezzel kapcsolatos az egydoménű szuperparamágneses részecskék kiemelt szerepe a kőzetmágnességben. The ability of rocks to be magnetized is caused primarily by the magnetic minerals found within them. In the case of transitional metals, such as Fe, Co, and Ni (potential ferromagnets), the magnetic momentums related to the spin of the empty 3d or 4f electron shell have a value other than zero. The reason for the observable spontaneous magnetic orderliness in these ferromagnets is the mutual effect of exchange between the uncompensated magnetic momentums, related to the electron spin of the neighbouring atoms, the magnitude of which can be characterized by the size of the overlapping of the wave functions of the appropriate orbits. Thus, ferromagnetism arises only alongside certain parameters of the crystal structure: when the atom diameter is at least 1.5 times that of the empty 3d or 4f electron shells. This ratio of diameters depends on the constants of the lattice that is on the chemical environment of the magnetizable transitional metal atom. Because the lattice constants depend upon temperature, pressure, and lattice symmetry, so does the ability to be magnetized. In the case of sulphides for example, the maximum magnetization is not with the FeS composition, rather with the Fe1–xS composition. In other words, it is apparently the excess sulphur which increases magnetizability, but it is the bond lengths which have a decisive role. For the same reason, the magnetizability of iron oxides decreases with the increase in the degree of oxidization. If the atomic diameter is less than that of the empty 3d or 4f electron shells, then the exchange integral between spins is negative. Thus, they have opposing directions in their orderly position, i.e. the crystal is anti-ferromagnetic. In this case of anti-ferromagnetizability, the magnetic structure is complex, formally consisting of two opposing magnetized sub-lattice. Resultant magnetism arises in this case when there are imperfections in the crystal lattice, because those disrupt the symmetry. Hematite is an example of magnetism arising in this way, thus its magnetizability depends to a large degree on the density of imperfections in the lattice besides mineral contamination, which means a relationship between the formal appearance and the magnetizability of the mineral on the macroscopic level. This might explain why larger sheet forms have higher magnetizability. An important circumstance is that the greatest surface density of lattice imperfections can be expected with colloids, which certainly has great signifi cance on the magnetizability of rocks. It is signifi cant that rocks are not magnetizable in their entire mass, such as in the case of metal alloys. Rather, the magnetizable elements are usually dispersed within a non-magnetizable medium. It can also be expected that these parts are of the size of colloids, even in the case of large-crystal rocks. In other words, the dispersed impurities cause the actual effect. This leads to the further expected characteristics of rocks, that the magnetic domains exist individually or only in very small groups. Thus, changing the established magnetic orientation by changing the domain boundaries is severely restricted, because the domain boundaries are also the boundaries of the entire magnetizable fi eld. Also related to this is the accentuated role of single-domain super-paramagnetized particles in rock magnetization.

Actions (login required)

Edit Item