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岩石磁学演绎 第12章:磁滞回线—SP与MD颗粒 精选

已有 1891 次阅读 2020-2-13 19:53 |系统分类:科研笔记

       由于热能足够大,SD颗粒能够克服能垒,其M可自由偏转,从而变为SP状态,其矫顽力和剩磁矫顽力均为零。

其归一化M-H曲线服从朗之万方程

M(H0, T) = MsL(a) = Ms[coth(a) - 1/a]

其中a = m0VMsH/kT

当外场很小时,L(a)= a/3,于是

M = m0VMs2H/3kT

可见对于SP颗粒的初始磁化率为

dM/dH = m0VMs2/3kT                      

       对于单一粒径的SP颗粒,随着温度升高,其磁化率值降低。当SP颗粒的粒径增大时,SP颗粒的磁化率和其体积成正比。因此,粒径比较大的SP颗粒其磁化率对样品的磁化率贡献最大。对于很小的SP颗粒(比如几个纳米),在室温,即使存在于样品中,其对磁化率的贡献也很小。只有降低温度,其作用才能逐渐凸显。因此,低温(<300 K)技术能有效地检测小粒径SP颗粒。

因为SP颗粒的磁化率曲线服从朗之万方程,所以把SD颗粒解阻后,测量它的磁滞回线,通过拟合朗之万方程,就可以获得SP/SD颗粒的体积。

我们需要注意到,SP和顺磁颗粒的区别在于,SP颗粒的M-H曲线符合朗之万方程,和SD一样,M能够被饱和。而顺磁颗粒的M-H曲线就是一条过原点的直线。

现在我们再考察一下MD颗粒的磁滞回线。MD颗粒的矫顽力很小,这就暗示着它的磁滞回线非常狭窄,但是绝对不是SP颗粒那样矫顽力为零。

MD颗粒与SP颗粒具有外形相似的磁滞回线,但是其机制完全不同。SP颗粒的矫顽力为零,也就是说其正向场和反向场的磁滞回线完全重合。MD颗粒的正向和反向磁滞回线不重合,具有较小的矫顽力。对于大颗粒MD磁铁矿,其矫顽力一般小于十几个mT

SD颗粒不同,MD颗粒主要通过磁畴壁的移动来改变其磁化状态。以两磁畴颗粒为例,在无外场的均衡状态下,两个磁畴体积相等,磁化方向刚好相反,整体磁化强度为零。当加入外场时,磁畴壁会移动,磁化强度方向与外场方向相同的磁畴体积增大,从而整体上磁化强度增加。

如果样品中的磁畴变化不大,比如,MrsMs完美地线性相关,那么MrsMs都可以用来表示磁性矿物含量的变化。 

多畴颗粒内部经常含有晶格缺陷、空位、微小锲入体等,就类似于我们行军路上碰到的沟沟坎坎,从而对磁畴壁有一定的阻挡作用,这种局部的阻挡力称之为hc。只有当外场克服hc时,磁畴壁才能继续向前运动,直到遇到新的阻挡力。因此,多畴颗粒的磁滞回线在微观上并不平滑,而是具有阶梯状的特征,磁畴壁每一次跳跃,称之为巴尔克豪森(Barkhausen)跳跃。

如果我们把MD颗粒的M-H曲线局部放大,就会发现M并不是连续变化,而是像台阶那样一节一节地跳跃。这就是磁畴壁克服局部hc的现象。早期物理学家没有设备来真正看到这种微观结构上的变化,但是他们想到了一个绝佳的方案,把M这种跳跃式的变化转换成电流,然后再转化成声音高低的变化。于是,我们在磁化过程中,就会听到噼噼啪啪的声音,个人断定M是阶梯式变化,而不是连续变化。

在磁畴壁偏离平衡置向右移动的过程中,外场越大,磁畴壁会克服更高的hc,从而偏离平衡位置越远。去除外场后,在退磁场的作用下,磁畴壁向左朝初始的平衡位置移动,在返回的路径过程中,会被之前遇到的沟坎阻挡住,从而获得一个较小的剩磁。SD颗粒改变磁化状态需要旋转其磁化轴,因而具有较高的矫顽力(> 20 mT)。对MD颗粒而言,由于阻挡磁畴壁移动而造成的矫顽力值远小于20 mT

我们可以预计,外场越大,磁畴壁移动的路程越远,去除外场后,越可能被更大的沟沟坎坎拦截住,所以会停留在离平衡状态更远的地方,从而获得更大的剩磁。 

我们来对比SPSDMD在第一象限内的磁滞回线。对于磁铁矿,无论其处于任何磁畴状态,它们的饱和磁化强度都是一样。在饱和状态下,所有的磁矩都像一把筷子一样指向一个方向。当去除外场后,这些磁矩就像孔雀开屏,或者打开一把扇子一样在半平面打开,于是通过积分我们就可以得到,SD颗粒的饱和剩磁Mrs只有Ms的一半。SP颗粒没有剩磁。MD颗粒虽然有剩磁,但是和SD的剩磁比起来,就小得多。

自然界样品中含有很多颗粒,为了去除含量的影响,我们通常可以用Mrs/Ms来衡量磁畴的变化。如果这个比值接近0.5,说明应该是拉长型的SD颗粒占主导。不过,如果这个比值很低,就会出现多解性。这既可以对应着SP颗粒含量高,也可以对应着MD颗粒含量高。

在文献中,我们会遇到两种饱和等温剩磁。第一种就是我们通过磁滞回线得到的Mrs。第二种的获得方式更直接,用一个强磁场,或者一个磁铁,直接把样品磁化,获得的剩磁就是饱和等温剩磁(Saturation Isothermal Remanent Mangetization, SIRM)。

如果把MrsSIRM做线性相关图,一定会线性相关,但是一般情况下SIRM一定会比Mrs要低。

这两种饱和等温剩磁的区别在哪里?

答案是获得方式不同。前者是测量磁滞回线的副产品,在同一台仪器上获得。SIRM则是先磁化,然后放到JR6或者超导磁力仪上去测得到的结果。对于单独一块样品,后者所需要的实验时间要比前者多。

我们知道剩磁的携带者中含有VSP成分。VSP携带的剩磁会随着时间衰减。时间越长,衰减得越多。所以在测SIRM时,尤其是测量一批样品时,我们常常是先把样品整体磁化,然后再一个一个测量,需要时间较长,所以VSP颗粒的剩磁就会较为充分地衰减,SIRM整体值就会偏低。VSM测量磁滞回线所需时间整体偏短,所以Mrs就会高一些。

事实上,如果用VSM把样品饱和磁化,然后测量其Mrs随着时间的变化,就会得到一条Mrs随时间的衰减曲线。我们通过Mrs(t)的衰减行为就可以得出样品中VSP含量的相对变化。可以进一步肯定的是,Mrs的衰减量会和样品的绝对频率磁化率值正相关,因为它们都是衡量VSP颗粒含量的参数。




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4 黄永义 王安良 李刚 徐义贤

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