|
|
Электрические свойства минералов руд, их классификация и связь со строениемВведение Более трех тысяч лет человечеству известны явления электричества и магнетизма. Им посвящены труды многих ученых древности таких, как Аристотель, Плиний, Фалес Милетский, и других. В них упоминается о первых попытках применения магнетизма и электричества в различных технологиях. В средневековом трактате Георгия Агриколы - «О горном деле и металлургии» [1] подробно описана магнитная сепарация касситерита и вольфрамита от магнетита (книга 8. «Обогащение полезных ископаемых»). В 1792 г. Уильяму Фулартону был выдан английский патент на магнитную сепарацию железной руды. Однако, более широкое использование электромагнитного поля стало возможным только после работ Гильберта, Фарадея, Максвелла, Лоренца, Ампера, Столетова, Аркадьева и других великих физиков. В России инженером В.А. Петровым работавшем на руднике г. Благодать (Урал) в 1911 г. был создан первый барабанный магнитный сепаратор, а в 1936 г. в СССР выпущен первый серийный сепаратор. Промышленное внедрение магнитного метода обогащения началось в конце XIX в, и главным образом для обогащения железных руд. В США инженеры Болл и Нортон, а в Швеции Венстрем и Таге Мортзелл предложили сухой барабанный сепаратор с чередующейся полярностью. Аналогичный сепаратор в 1854 г с вращающимся магнитным полем создается в Италии (Пальмер). Для обогащения слабомагнитных руд (хромитовых, вольфрамитовых и др.) в Швеции Ветерилем, также в конце XIX в. был предложен ленточный электромагнитный сепаратор с замкнутой системой, в котором впервые применено весьма распространенное в современных сепараторах сочетание полюсов «клин — плоскость». Несколько позже Ульрих предложил конструкцию кольцевого сепаратора для сухого и мокрого обогащения мелких слабомагнитных руд В 1906 г. в Швеции инженером Грендалем был разработан барабанный сепаратор для мокрого магнитного обогащения железных руд (Кируны). В 1916—1920 гг. разработаны конструкции сепараторов спирального типа (Дэвис), ленточного для мокрой сепарации частично окисленных сильномагнитных руд (Роч) и индукционно-роликового для мелкозернистых слабомагнитных руд (Джонсон). В 1934 г. Крокет предложил сложный в эксплуатации ленточный сепаратор для обогащения тонкоизмельченных сильномагнитных руд с нижней подачей исходного материала, который получил широкое распространение. Во второй половине XX в. были внедрены более надежные барабанные сепараторы, лучшие образцы которых и в настоящее время выпускает Воронежский завод горно-обогатительного оборудования — ВЗГОО (АО «Рудмаш»). Промышленное применение магнитной сепарации слабомагнитных зернистых и кусковых руд было освоено в 40-х гг. ХХв. на базе барабанно-ручейковых сепараторов фирмы «Крупп» (Германия) и ручейково-роликовых сепараторов ДК-НИГРИ (В.Г. Деркач и В.И. Кармазин). Проблема сепарации мелкозернистых слабомагнитных руд впервые решена в институте Механобрчермет (СССР) в 1955 г. с помощью валковых сепараторов (В.И. Кармазин и В.В. Крутий). Процесс высокоградиентной (полиградиентной) магнитной сепарации в сильном поле для мелкозернистых слабомагнитных минералов и шламов был успешно внедрен в промышленность на роторных сепараторах 6ЭРМ-35/315 (СССР) и ДП-317 (Германия), а также карусельных сепараторах С-9000 фирмы «Сала» (Швеция, США) [31]. Серийное производство магнитных сепараторов в СССР началось в конце 20-х гг. XX в. Первые сепараторы были разработаны в институте Механобр. Изготавливали их на заводах им. Пархоменко в Ворошиловграде, им. Котлякова в Ленинграде и позже — на ВЗГОО. Первые сепараторы работали на обогатительных фабриках железных руд Рудного Алтая (Гемир-Тау и Мундьтбаш), г. Высокой (Урал), на Первоуральской фабрике для титаномагнетитовых руд (Урал) и др. С 1932 г. по 1941 г. промышленностью был освоен выпуск сепараторов только для обогащения железных руд и железоотделителей. После 1945 г. было налажено серийное производство сепараторов с сильным магнитным полем для сухого и мокрого магнитного обогащения, а также была расширена номенклатура сепараторов со средним и слабым магнитными полями. Электрическая сепарация — разделение минералов по способности электризоваться, проводимости и величине диэлектрической проницаемости, как промышленный метод обогащения, начала применяться с начала XX в. (1901 г. — Блэк, Моршер, 1905г.—Гуфф, США). Она получила распространение на ряде фабрик цветной металлургии для доводки гравитационных концентратов и промпродуктов (в 1915 — 1920 гг. в США только в цинковой промышленности использовалось более 150 электростатических сепараторов Гуффа). Однако, из-за недостаточно развитой теории и несовершенного оборудования электрическая сепарация в 30-х гг. была вытеснена более экономичной в то время и бурно развивающейся флотацией. В отечественной практике обогащения электросепарация в этот первый период ее развития вовсе не нашла применения. Вновь начинает проявляться интерес к электрическим методам обогащения лишь в 1930 — 1945 гг. На основе достижений электротехники высоких напряжений разрабатывается ряд новых способов сепарации и создаются более совершенные конструкции сепараторов и высоковольтной аппаратуры. Активная роль в развитии теории и практики электрической сепарации принадлежит советским исследователям. В 1936 г. Н.Ф. Олофинским, В.М. Бачковским и др. (МГИ) разработан новый метод электрического обогащения — сепарация в поле коронного разряда. В 1942 г. в Казахстане была построена первая электросепарационная фабрика по переработке шлихов и доводке комплексных некондиционных концентратов. Быстрый рост использования электрических методов обогащения связан с периодом 1945—1960 гг. В эти годы продолжается разработка новых способов электрической сепарации и новых сепараторов. И.Н. Плаксиным и Н.Ф. Олофинским разработан трибоадгезионный метод сепарации тонкоизмельченных материалов. А.И. Ангеловым, В.И. Ревнивцевым и Ю.Н. Набиулиным усовершенствован трибоэлектростатический метод. Все это создало предпосылки для более широкого внедрения электрических методов обогащения. Процесс электрической сепарации был освоен для доводки комплексных титаноциркониевых гравитационных концентратов, алмазосодержащих концентратов (комбинат ВДГМК, трест «Уралалмаз», комбинат «Якуталмаз»), полевошпатовых флотационных концентратов и кварца (Лянгарское рудоуправление). Электросепарационные установки наибольшей производительности сооружены для доводки концентратов россыпей, особенно титаноциркониевых. Этому способствовали благоприятная характеристика минералов, их составляющих (различие в электропроводности достигает нескольких порядков, что обусловливает наиболее высокие эффективность и производительность процесса электросепарации), и бурный рост производства титановых и циркониевых концентратов. Достаточно сказать, что во второй половине XX в. мировое производство циркониевого концентрата возросло в 9 раз, ильменитового — более чем в 6 раз, а рутилового — более чем в 20 раз. В последнее время разработана промышленная технология трибоэлектрической сепарации фосфоритов, каменной соли, полевых шпатов и других видов сырья и диэлектрическая сепарация редкоземельных концентратов. Развивается селективное кондиционирование руды аэросуспензиями для искусственного изменения электропроводности, которое позволяет использовать электросепарацию в ряде новых областей. Установлена общность явлений, происходящих при обработке минералов поверхностно-активными веществами перед электрической сепарацией и флотацией. По производительности, экономичности и технологическим показателям электрическая сепарация в настоящее время в ряде случаев вполне может конкурировать с флотацией, а в будущем, в связи с дефицитом пресной воды, роль электрических методов обогащения еще более возрастет. На схеме рис.1.1 приведен основной алгоритм выбора и проектирования магнитных, электрических и комбинированных сепараторов, а также соответствующих технологических расчетов.
Рис.1.1. Схема основного алгоритма выбора и проектирования магнитных, электрических и комбинированных сепараторов. На сегодняшний день не мыслима переработка железных, марганцевых, хромитовых, редкометальных, пегматитовых, кварцевых и других типов руд без использования электрических и магнитных сепараторов. Специальные методы обогащения, как правило, включают в себя методы, основанные на взаимодействии частиц с поверхностью сепараторов. Здесь используют: упругие экраны для сепарации по отскоку частиц; поверхности, по которым скользят частицы с различной скоростью в зависимости от коэффициента трения; решета с определенной формой отверстий для сепарации по форме; поверхности, покрытые легкоплавким или липким веществом, и т. п. Общим элементом этих сепараторов является особая рабочая поверхность. Современные комбинированные схемы обогащения минерального сырья в начале, середине или в конце включают в себя обжиг и низкотемпературные химические процессы. Данную область технологии называют химическим и биохимическим обогащением, или гидрометаллургией. Эти специальные методы используются при обогащении руд редких и благородных металлов, вольфрама, никеля, меди и др. Однако общие закономерности сепарационного массопереноса, силового режима разделения и кинетики являются практически одинаковыми для всех процессов данного курса.
Электрические свойства минералов руд, их классификация и связь со строением Многие рудные минералы обладают магнитными и электрическими свойствами. Однако необходимо отметить, что строго говоря, магнитные и электрические свойства не являются постоянными физическими величинами.Они изменяются в зависимости от напряженностей магнитного и электрического полей, создаваемых электротоками или статическим электричеством, температуры, давления, приходящегося на образец, частоты тока, крупности измельчения, формы частиц, времени намагничивания или электризации, влажности, кристаллической решетки, наличия дефектов и примесей в ней. Особенно большой изменчивостью отличается электрический заряд, получаемый частицами при различных способах трения, фактор деполяризации и др. Начнем с рассмотрения электрических свойств минералов. Минералы по электрическим свойствам подразделяются на металлы, полупроводники и диэлектрики. Для пояснения такого различия будем использовать зонную теорию твердого тела, представляющую собой теорию валентных электронов, движущихся в периодическом поле кристаллической решетки. В отличие от атомов и молекул, где движение электронов локализовано в малой области пространства протяженностью порядка 10-10 м, валентные электроны в твердых телах перемещаются по всему макроскопическому объему, переходя от атома к атому по узлам кристаллической решетки. По своему характеру движение валентных электронов в кристаллах занимает промежуточное положение между внутриатомным движением и перемещением свободных электронов в вакууме. Сильно связанные с ядрами электроны внутренних атомных оболочек остаются локализованными в отдельных атомах и им соответствуют дискретные уровни. Внешние валентные электроны удерживаются в атомах гораздо слабее и почти свободно перемещаются по узлам кристаллической решетки, переходя от одного атома к другому, образуя при этом энергетические зоны, состоящие из большого числа очень близко расположенных уровней. Энергетическая зона тем шире, чем слабее связь электрона с ядрами атомов. Энергетические зоны в кристалле генетически связаны с определенными уровнями тех атомов, из которых состоит конкретная кристаллическая решетка. При сближении атомов и образовании кристаллической решетки взаимодействие между атомами приводит к тому, что уровни валентных электронов смещаются, расщепляются и расширяются, превращаясь в зоны (рис.1.2.).
Рис.1.2. Диаграмма формирования зон твердого тела
Зонный характер энергетического спектра электронных состояний в кристаллах позволяет объяснить ряд фундаментальных свойств твердых тел. Прежде всего, факт существования металлов, полупроводников и диэлектриков, у которых при одинаковых по порядку величины междуатомных расстояний и энергиях взаимодействия, электропроводность отличается на 25 порядков от ~ 106ом-1·см-1 для металлов до ~ 10-19ом-1·см-1 для диэлектриков. Электрические свойства минералов определяются такими характеристиками, как их диэлектрическая проницаемость, электропроводность, работа выхода электрона и ряд других свойств, формирующие тот или иной их заряд. В силу принципа Паули в N состояниях каждой зоны может находиться только 2N электронов. Если зона пуста, то она не дает вклада в проводимость. Не участвуют в проводимости и электроны в полностью заполненной зоне, т.к. вследствие отсутствия вакантных уровней, внешнее электрическое поле не может вызвать перераспределения электронов по состояниям и создать электрический ток. В частично заполненной зоне внешнее электрическое поле вызывает движение электронов, переводя их на соседние вакантные уровни. Поэтому тела с частично заполненными зонами являются металлами, а тела, у которых энергетический спектр электронных состояний состоит только из заполненных и пустых зон, являются полупроводниками или диэлектриками. Полностью заполненные зоны называются валентными зонами, пустые – зонами проводимости (рис.1.3)
Рис.1.3. Зонная модель твердого тела
Диэлектрики, полупроводники и металлы различаются по расстоянию между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому зона, разделяющая эти зоны, называется запрещенной зоной. Условно считают непроводниками минералы, в которых ширина запрещенной зоны больше 2 эВ, проводимость у этих минералов составляет σ = 10-9 ÷10-16 См/м, а их диэлектрическая постоянная ε ≤ 10 (например, циркон и другие минералы). У металлов запрещенная зона практически полностью отсутствует. Заряд и электропроводность минералов складываются из объемной и поверхностной составляющих. Первая зависит от наличия примесей в минерале, а вторая еще и от состояния его поверхности, влажности, температуры и некоторых других параметров. Направленное изменение состояния поверхности минералов, путем нанесения на нее реагентов в виде растворов или аэрозолей, приводит к изменению заряда и электропроводности в желаемую сторону. Знак заряда определяется в соответствии со значением энергии, необходимой для отрыва одного из внешних электронов Еф. При относительно высоком значении Еф электроны притягиваются к поверхности минерала, и поэтому она становится отрицательно заряженной. При низком значении Еф электроны достаточно легко уходят с поверхности минерала, и его заряд становится положительным. Для диэлектриков значение заряда минеральной частицы зависит от ее формы. Так, для минералов окатанной формы заряды на много больше, чем заряды тех же минералов-диэлектриков, но остроугольной формы. Для проводников заряд от формы минеральной частицы практически не зависит потому, что он распределяется равномерно по всей ее поверхности. Все вещества являются электрически нейтральными потому, что содержание положительных и отрицательных зарядов в них одинаково. Частичное разделение положительных и отрицательных зарядов приводит к изменению заряда и электризации минеральных частиц. Электризация минеральных частиц может происходить различными способами: светом или ионизирующим излучением, деформацией, трением и нагревом или их комбинациями. При электризации светом или ионизирующим излучением происходит перевод части электронов из валентной зоны или валентных электронов атомов примесей, содержащихся в минерале и определяющие его структурные дефекты, через запрещенную зону в зону проводимости. При деформации, сопровождающей сжатием или растяжением, у некоторых минералов, имеющих в своем составе диполи, расположенные в определенных кристаллографических направлениях, образуются так называемые пьезозаряды. При сближении во время сжатия или удалении диполей при растяжении меняется суммарный электрический момент, что и приводит к изменению заряда минеральной частицы. Значение заряда Qx, возникающего при пьезоэлектрическом эффекте можно определить по формулам: при продольном пьезоэлектрическом эффекте
при поперечном пьезоэлектрическом эффекте
где b – пьезоэлектрический модуль используемого кристалла; Fx – усилие вдоль электрической оси x; Fy – усилие вдоль нейтральной оси y кристалла. При трении минеральных частиц друг о друга или о какие-либо поверхности происходит перераспределение зарядов. Причем знак заряда, как уже было отмечено, определяется в соответствии со значением энергии, необходимой для отрыва одного из внешних электронов Еф. Если один из контактеров имеет большую Еф1 по сравнении с другим, т.е. Еф1 > Еф2, то в этом случае электроны с поверхности второй минеральной частицы будут переходить на поверхность первой минеральной частицы и она приобретет отрицательный поверхностный заряд. Зная энергии отрыва электронов контактирующих тел можно определить разность потенциалов, возникающую при контакте
В качестве электризующих поверхностей желательно применять металлы, т.к. они обладают более стабильным значением Еф, меньше зависят от наличия примесей и изменения внешней температуры. Тем не менее, следует отметить, что со временем микротрещины поверхностей металлов забиваются другими веществами, что, конечно же, изменяет значение Еф, как правило, в сторону уменьшения. Процесс электризации минеральных частиц посредством трения называют трибоэлектризацией. Реже для зарядки применяется термоэлектричество, возникающее при нагревании мест соприкосновения двух различных кристаллов (термопар) благодаря разным числу свободных электронов и работе выхода электронов*. Контактная разность потенциалов для различных пар колеблется от десятых долей до нескольких вольт. Например, в ряду А1, Zп, Sn, Сu, Рl, Sb, Bi, Нg, Fе, Сu, Аg, Аu, Рt, Рd каждый предыдущий при соприкосновении с последующим и нагреве электризуется положительно. В настоящее время наиболее распространены коронный способ заряда минеральных частиц, и их электризация трением при подогреве до оптимальной температуры. Сущность коронного способ заряда минеральных частиц (заряд ионизацией) заключается в том, что на один электрод, имеющий малый радиус кривизны (коронирующий электрод), представляющий собой отдельное острие или систему игл и т. п., подается высокое напряжение (до 50 кВ). В результате вокруг него образуется (за счет частичного пробоя) поле коронного разряда и образуется корона, вызывающее ионизацию воздуха. Образующиеся при этом ионы, имеющие одинаковую полярность с коронирующим электродом, движутся под влиянием электрического поля к другому электроду, который принято называть осадительным, представляющим собой как правило, вращающийся металлический заземленный барабан. В процессе движения эти ионы сталкиваются с минеральными частицами и заряжают их. Частица проводник быстро передает свой заряд осадительному электроду, а непроводник достаточно медленно разряжается на осадительном электроде. Напряженность Ек (кВ/см) электрического поля и напряжение UK (кВ), при которых появляется корона, называются соответственно критической напряженностью и критическим напряжением короны.
ЛЕКЦИЯ №2. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ РУД, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ И СВЯЗЬ СО СТРОЕНИЕМ
Магнитные свойства. Основными характеристиками, определяющими магнитные свойства минералов, являются их удельная магнитная восприимчивость χ, характеризующая связь намагниченности вещества с магнитным полем в этом веществе, и магнитная проницаемость μ, характеризующая изменение магнитной индукции В минерала при воздействии магнитного поля Н. На магнитное поле реагируют абсолютно все реальные вещества, хотя и в различной мере. Эта реакция состоит во взаимодействии с внешним полем частиц атома, имеющих электрический заряд и создающих магнитное поле за счет вращений ядра, орбитального и спинового вращений электрона и т.д. Минералы по магнитным свойствам подразделяются на три группы: 1. Немагнитные или диамагнитные минералы, удельная магнитная восприимчивость χ которых меньше 1,26·10-7м3/кг. К таким минералам относятся кварц, флюорит, апатит, сфалерит, алюмосиликаты, пегматиты, фосфориты и др. 2. Слабомагнитные или парамагнитные минералы, удельная магнитная восприимчивость χ которых изменяется в пределах от 7,5·10-6 до 1,26·10-7м3/кг. К ним относятся оксиды и гидроксиды, карбонаты железа и марганца, ильменит, вольфрамит. 3. Сильномагнитные или ферромагнитные минералы, удельная магнитная восприимчивость χ которых больше 3,8·10-5м3/кг. К таким минералам относятся ферриты, магнетит, маггемит, гематит, мартит, титаномагнетит, франклинит, иоцит, моноклинный пирротин и др. Диамагнетики. Диамагнетизм это свойство минерала намагничиваться навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля. Природу диамагнетизма можно объяснить, используя для этого модель атома гелия. Известно, что атом гелия не имеет магнитного момента. Это можно объяснить тем, что оба электрона вращаются вокруг ядра с одинаковой скоростью по одинаковым орбитам, но в противоположных направлениях и поэтому суммарный магнитный момент атома будет равен нулю. Рассмотрим рис. 1.4, на котором изображен атом гелия, помещенный в магнитное поле с индукцией В0 = μ0Н, причем вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости орбиты электрона.
Рис. 1.4. Электромагнитная модель атома
В этой модели на электрон действуют две силы — кулоновская сила Fкул притяжения к ядру и сила Лоренца Fлор* . Также будем предполагать, что под действием магнитного поля меняется только скорость движения электрона, но не радиус орбиты. Равнодействующая этих сил сообщает электрону центростремительное ускорение. Уравнения движения для обоих электронов примут вид:
Изуравнений (1.1) следует, что под действием магнитного поля скорость движения первого электрона уменьшилась, а второго — возросла. Соответственно изменяются и их магнитные моменты. Таким образом, под действием внешнего магнитного поля у атома наводится (индуцируется) магнитный момент:
Заметим, что индуцированный магнитный момент рm направлен противоположно направлению вектора индукции внешнего поля (см. рис. 1.4). Разность скоростей найдем из (1.1), если вычтем из нижнего равенства верхнее, т. е.:
или после сокращений
Подставив в (1.2), получим для индуцированного магнитного момента
Учитывая, что векторы рт и Н направлены противоположно, перепишем (1.4) в векторном виде:
Магнитный момент равен:
где n – концентрация атомов, т.к. рассматривается один атом, то n = 1. Итак, здесь М действительно пропорционален напряженности намагничивающего поля. На модели атома гелия объяснен механизм диамагнитных явлений. Обобщая, можно утверждать, что диамагнетиками являются все вещества, у которых атомы при отсутствии внешнего магнитного поля не имеют магнитного момента. Механизм намагничивания диамагнетиков, как было показано ранее, сводится к наведению дополнительного магнитного момента у атома под действием внешнего магнитного поля. Диамагнетики при любых температурах очень слабо взаимодействуют с магнитным полем. В области низких температур диамагнитная восприимчивость зависит от напряженности внешнего поля, но в любых условиях она настолько мала, что практически невозможно ее использовать при прямой сепарации. Однако при обратной (магнитногидростатической сепарации) она используется, поскольку содействует выталкиванию частиц ферромагнитной средой. Магнитная восприимчивость диамагнитных минералов
где δМ—плотность, кг/м3; NА — число Авогадро (NA = 6,02·1023 моль-1); е и те — соответственно заряд (Кл) и масса (кг) электрона; z — число электронов в атоме (z/А = 45); У диамагнитных минералов и горных пород κ изменяется от 0 до —180·106--6. К диамагнитным минералам относят многие самородные металлы, серу, графит, галит, кальцит, кварц, а также некоторые карбонаты и сульфиды, к диамагнитным породам— гидрохимические осадки. Парамагнетизм проявляется у веществ, атомы которых обладают положительными магнитными моментами в отсутствие внешнего поля при очень слабом обменном (электромагнитном) взаимодействии между этими атомами. В этом случае магнитные свойства вещества в основном определяются наличием собственных (спиновых) магнитных моментов электронов
и их орбитальных моментов
где μB—магнетон Бора (μв = 9,27·10-24, А·м2); h — постоянная Планка (6,626·1034 Дж·с); v — линейная скорость движения электрона вокруг ядра, м/с; Классическая и квантово-механическая теории парамагнетизма приводят к общему выражению для восприимчивости χ которое подчиняется закону Кюри,
где g — фактор Ланде; j — квантовое число, равное векторной сумме орбитального квантового числа l и спинового S; К—постоянная Больцмана; Т — температура по Кельвину; С—постоянная Кюри,
Магнитная восприимчивость парамагнетиков во многих случаях вполне достаточна для успешного магнитного обогащения их при обычных температурах. Причиной высоких парамагнитных свойств атомов и ионов бывают нескомпенсированные спиновые моменты у недостроенных электронных оболочек, например Зd, состояние электронов железа, никеля, кобальта и др. У некоторых лантаноидов, имеющих недостроенные внутренние электронные подоболочки (4f, 5d и 5f), а следовательно, высокую атомную восприимчивость, суммарная восприимчивость достигает 10-1—10-2 см3/г. В связи с этим исследователей часто волнует проблема магнитного обогащения таких парамагнитных ионов непосредственно в растворах, помещенных в неоднородное поле, что при современном уровне техники пока еще невозможно. Как уже отмечалось, ферромагнетизм — явление коллективное, связанное со взаимной самоориентацией атомов, соответствующей минимуму энергии системы атомов, расположенных в узлах кристаллической решетки вещества. Изолированные друг от друга атомы ферромагнетика не проявляют никаких ферромагнитных свойств. Для этих атомов характерно наличие внутренних незаполненных электронных слоев (у группы железа это Зd — подслой, у лантаноидов —4f). Такие атомы имеют высокую магнитную восприимчивость, но этого мало для проявления ферромагнетизма, наблюдаемого ниже определенной температуры в кристаллической решетке, параметры которой обеспечивают вполне определенное отношение межатомных (ионных) расстояний к диаметру магнитного атома (иона). Д. К. Слэтером, Я. И. Френкелем и другими установлено, что ферромагнетизм возникает благодаря так называемому «обменному» взаимодействию электронов незаполненных слоев между соседними .атомами. Проявляется оно при некотором перекрытии электронных облаков соседних магнитных атомов, связанных с коллективизацией электронов (обменом электронами), причем в соответствии с принципом запрета Паули электроны могут «размещаться» между состояниями с различными спинами в частично заполненных внутренних подоболочках. Если два магнитных атома имеют спины
Второй член в правой части уравнения известен как энергия обменного взаимодействия, причем Из квантовой механики следует, что при малых значениях отношения r/dа (расстояния к диаметру взаимодействующих атомов) обменный интеграл является величиной отрицательной (выгодна конфигурация с антипараллельными спинами). При положительном значении интеграла обмена энергетически выгодна параллельная ориентация спинов, что вызывает спонтанную намагниченность (ферромагнетизм). При увеличении межатомного расстояния интеграл обмена уменьшается до нуля и ферромагнетизм исчезает. Область ферромагнетизма находится в пределах от r/dа = 1,5÷3,5 (см. рис. 1.5).
Рис.1.5. Область ферромагнетизма твердых веществ
Например, в элементарной форме у металлов Fе, Со, Ni, Сd и других проявляется ферромагнетизм, а у Мn, Рt — антиферромагнетизм, хотя соединения МnSb и МnАs — ферромагнитны. В то же время железо в соединении Fе2Оз может быть и ферромагнитно и антиферромагнитно в зависимости от типа кристаллической решетки. Под общим названием ферромагнетики понимают не только те минералы, атомные (ионные) моменты кристаллической решетки которых суммируются при взаимной ориентации, но и те, у которых они друг друга частично компенсируют при антипараллельной (A<О) ориентации,— антиферромагнетики, у которых две подрешетки антипараллельны, но существенно различны по величине магнитных моментов, — ферромагнетики или ферриты и др. Основные сильномагнитные чистые железосодержащие минералы — ферриты имеют высокую удельную намагниченность насыщения (при температуре 20 °С), А·м2/кг: феррит марганца — 96,8; магнетит —91,62; маггемит —75,96; феррит никеля — 49,;8; феррит магния — 28,4; пирротин — 17,25. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков зависит от температуры по закону Кюри — Вейса:
где М — магнитный момент одного атома; R— газовая постоянная; Тс — температура, называемая точкой Кюри, выше которой нормальный ферромагнетик становится парамагнетиком. Восприимчивость ферромагнетиков изменяется после точки Кюри по следующему закону:
где χ0, и θC — величины, зависящие от магнитного взаимодействия металлических ионов антипараллельных групп; σ – намагниченность; θC — температура самообращения спонтанной намагниченности обеих групп, соответствующая компенсация магнитных моментов - χ = 0. Большинство ферромагнитных минералов, обогащаемых магнитным методом, являются по существу ферримагнетиками, однако в этом нет ошибки, так как ферромагнетизм — понятие более общее и только в тех случаях, когда речь идет о специфических ферромагнитных свойствах (например, зависимость восприимчивости от температуры и пр.), это различие подчеркивают.
ЛЕКЦИЯ №3.ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЕГО СТАТИЧЕСКИЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ МАГНИТНОМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ОБОГАЩЕНИИ 
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
.
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
(1.6)
— средний квадрат проекций радиусов-векторов орбит электронов на плоскость, перпендикулярную к полю; μ0 — магнитная постоянная (μ0 = 4π·10-7 гн/м); А — атомная масса минерала.
— средний радиус его орбиты, м; f — частота вращения электрона.
и 
, то их потенциальную энергию можно представить в виде
— обменный интеграл, представляющий потенциал между атомами i и j.
