ВИМІР МАГНІТНОЇ СХІДНОСТІ ГІРНИЧИХ ПОРІД І РУД
Теорія.Відповідно до сучасних уявлень магнітне поле може створюватися головним чином електричними струмами. У постійних магнітів згідно з теорією Ампера ними є елементарні струми, що циркулюють усередині атомів.
Теоретично магнетизму доводиться, що зовнішнє магнітне поле довгої котушки і полі стрижня, намагніченого вздовж осі, збігаються. Це дозволяє замінити систему електричних струмів фіктивними магнітними "зарядами" або "масами", які взаємодіють за законом Кулона.
де m0 - магнітна постійна,
r - відстань між точковими магнітними масами m1 та m2.
Індукція магнітного поля, створюваного точковою масою (полюсом магніту) з відривом r дорівнює
Для магнітного поля Землі вона вимірюється нанотосла (нТл), що становить 10 -9 Тесла. Вибір такої одиниці виміру обумовлений тим, що при індукції рівної 1 нТл напруженість поля в повітрі дорівнює одній гамі - одиниці, яка раніше широко застосовувалася в магніторозвідці. Напруженість магнітного поля у повітрі
Вона вимірюється у амперах на метр.
На кінцях магніту, що має форму стрижня, з'являються різноманітні магнітні маси. Добуток величини магнітної маси на відстань між ними являє собою магнітний момент магніту.
Магнітний момент одиниці об'єму намагніченої речовини називається намагніченістю. У системі СІ вона вимірюється в амперах на метр (А/м) і позначається буквою I. Одна одиниця СГС дорівнює 103 А/м. Між магнітним моментом М, обсягом V і намагніченістю існує простий зв'язок
Якщо тіло намагнічене однорідно, то, як доводиться в курсі теорії поля, магнітні маси розташовуються на поверхні з поверхневою щільністю
де s -магнітна маса, що припадає на одиницюповерхні,
j -кут між вектором намагніченості та нормаллю до поверхні в точці, де визначається s (сигма).
Якщо тіло намагнічене за нормаллю до поверхні, то
Силовий лінією магнітного поля називається лінія, дотична до якої у кожній точці збігається з напрямом вектора індукції магнітного поля. Фізичний зміст поняття "магнітна маса" полягає в тому, що ця величина пропорційна кількості силових ліній, що виходять із поверхні магніту. Використання поняття "магнітна маса" дозволяє застосувати в магніторозвідці той же математичний апарат, що й у гравірозвідці. Відношення намагніченості до напруженості поля, що намагнічує, називається магнітною сприйнятливістю. вона позначається літерою c (каппа).
Це величина безрозмірна; 1 СГС = 4p СІ = 12,57 СІ.
Речовини, здатні створювати чи змінювати магнітне поле, називаються магнетиками. Вони за своїми магнітними властивостями діляться на три групи: діамагнетики, парамагнетики та феро-магнетики.
Діамагнетики намагнічуються у напрямку, протилежному зовнішньому магнітному полю. Ця властивість найвиразніше проявляється у речовин, які характеризуються нульовим магнітним моментом атомів, що буває у випадках, коли магнітні моменти електронних оболонок і спинів взаємно компенсовані. Магнітна сприйнятливість діамагнетиків, до яких належать кварц, галіт, кальцит, нафта негативна і становить перші одиниці 10 -5 СІ. Інакше кажучи, діамагнетики намагнічуються проти поля.
Парамагнітні властивості проявляються у тих випадках, коли магнітні моменти атомів відмінні від нуля. За наявності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти атомів орієнтуються полем і парамагнетик намагнічується. Магнітна сприйнятливістьпарамагнітних мінералів змінюється від перших одиниць (олівін, доломіт) до сотень 10 -5 од.
(Біотит, серпентин, каситерит та ін).
Основною особливістюферомагнітних мінералів є нелінійна залежність намагніченості від індукції магнітного поля, яка називається гістерезисом. Якщо помістити спочатку ненамагнічений феромагнетик в магнітне поле, що збільшується, а потім зменшити поле до нуля, то намагніченість не зникне, тобто. феромагнетик стане постійним магнітом із залишковою намагніченістю I r. Феромагнетики складаються з великої кількості сильно намагнічених малих областей, або доменів. Зважаючи на те, що кожен домен має свій напрямок намагніченості, загальна намагніченість феромагнетика дорівнює нулю. У зовнішньому магнітному полі відбувається збільшення обсягу доменів, намагнічених у напрямку поля, а також їх обертання та магнетик намагнічується. Найважливішими феромагнітними мінералами є магнетит, титаномагнетит та моноклінний піротин.
Як правило, зі збільшенням основності гірських порід відбувається збільшення магнітної сприйнятливості за рахунок збільшення вмісту магнетиту та титаномагнетиту. Однак є винятки з цього правила. Так, зустрічаються сильно магнітні граніти (c = 0,1 од. СІ), а іноді практично немагнітні габро. Осадові породи зазвичай практично немагнтні, хоча серед пісків, пісковиків та глин іноді трапляються слабомагнітні різниці.
Вимірники магнітної сприйнятливості використовують для вимірювання магнітної сприйнятливості гірських порід і руд у природному заляганні та в лабораторних умовах.
В індукційному вимірнику ІМВ-2 датчиком є диференціальний магнітний міст, що складається з Н - образного осердя. На полюсах сердечника розміщено 4 котушки збудження, черезякі тече змінний електричний струм, який подається від транзисторного генератора. Магнітні потоки котушок збудження в середній частині сердечника взаємно компенсовані, тому ЕРС, що індукується у вимірювальній котушці дорівнює нулю. Якщо поблизу верхньої пари котушок помістити магнітний зразок, то компенсація магнітних потоків порушиться і у вимірювальній котушці з'явиться ЕРС, одна складова якої пропорційна магнітній сприйнятливості зразка, а друга його електропровідності. ЕРС подається на дільник напруги, що дозволяє змінювати чутливість приладу і проводити вимірювання в п'яти діапазонах. Після дільника ЕРС посилюється та надходить на фазочутливий детектор, з виходу якого складова ЕРС, пропорційна магнітної сприйнятливості, реєструється мікроамперметром, шкала якого проградуйована в одиницях СГС.
Сигнал, пов'язаний з електропровідністю зразка, що вивчається, зрушений по фазі на 90 ° щодо напруги генератора і детектором не пропускається. Прилад складається з двох блоків: датчика та вимірювального пульта, з'єднаних між собою кабелем.
Прилад "Мікрокаппа КТ-5" призначений для вимірювання магнітної сприйнятливості в польових умовах на оголеннях, у керні та за зразками порід у лабораторних умовах.
Чутливість, од. 1 10 -5
Межі вимірів, од. СІ. (9,99; 99,9; 999) 10 -3
Робоча частота, кГц. 10
Пам'ять. до 12 вимірів
Споживаний струм, мА. 3,5
Напруга живлення, батарея, Ст.
Робочі температури С. від -10 до +35
Розміри, мм. 65 х 187
Маса, кг (разом з батареєю). 0,350
Принцип дії приладуОсновною частиною приладу є генератор, що працює на частоті 10 кГц. Індуктивність генератора залежить відвимірювальної котушки, що розташована під площиною приладу, до якої прикладається зразок. Частота генератора вимірюється двічі: із зразком і без зразка, різницю частот змінюється пропорційно магнітної сприйнятливості. По різниці виміряних частот обчислюється та виводиться на дисплей магнітна сприйнятливість зразка породи.
Робота з приладом.Зверніть увагу: при установці батарей прилад повинен бути вимкнений. Прилад живиться від однієї батареї типу “Крона”. Батарея встановлюється у нижньому відсіку приладу. Для зняття кришки відсіку відвернути один гвинт. Вставити клеми батареї в комірки та привернути кришку. Термін придатності однієї батареї до 100 год.
Увімкнення приладу. На нижній кришці приладу знаходиться тумблер "увімкнено-вимкнено". Якщо пристрій увімкнено, на дисплеї з'являється 8.8.8.; якщо ж батарея, що підсіла і не дає потрібної напруги, на дисплеї зліва з'являється знак "Ь". Після увімкнення прилад готовий до вимірювань. Спочатку проводиться очищення приладу, при цьому слід натиснути кнопку 4 (С/М) рис. . При цьому прилад повинен перебувати на відстані від зразка та інших предметів не менше, ніж у 30 см. Процес очищення триває 0,5 с, після закінчення зліва на дисплеї з'являється "С", що означає, що прилад очищений від результатів попередніх вимірювань, закінчення очищення супроводжується коротким звуковим сигналом.
Після того, як на дисплеї з'явиться знак "С", слід виміряти магнітну сприйнятливість протягом 10 с. Якщо вимір не зроблено, на дисплеї знову виникне 8.8.8., і тоді знову потрібно зробити очищення, натискаючи кнопку 4.
Вимірювання магнітної сприйнятливості здійснюється повторним натисканням кнопки 4. Коли кнопка С/М натиснута вдруге, починається процес вимірювання, що триває 0,5 с., наприкінці циклу вимірюваннявеличина магнітної сприйнятливості виводиться на дисплей одиницях 10 -3 СІ. Якщо сприйнятливість більша за 999 10 -3 од.СІ, на дисплеї буде вказана "помилка": Е 0 0 0.
Якщо після першого вимірювання знову натиснуто кнопку 4, прилад очищається, а дисплей покаже С001. Цифра праворуч надалі показує кількість виконаних вимірів сприйнятливості.
Рис.3. Загальний вигляд приладу. 1-вимірювальна котушка; 2-дисплей; 3-кнопка включення скануючого режиму; 4-кнопка скидання попередніх вимірів; 5-кришка блоку живлення; 6- тумблер включення живлення.
У пам'яті приладу може зберігатися 12 виміряних значень сприйнятливості. Виведена на дисплей величина автоматично переводиться на згадку після періоду очищення (тобто після натискання кн.4). Якщо чомусь не потрібно запам'ятовувати щойно виміряну величину, треба натиснути кнопку RCL (3 на рис.3) перед натисканням кнопки 4. Якщо вимірів більше 12, то всі наступні виміри виводяться на дисплей зі знаком "F" в лівій його частині, але при цьому один із вимірів стирається з пам'яті. Таким чином, у пам'яті існує не більше 12 вимірів. Заміри, що зберігаються в пам'яті, можуть бути викликані на дисплей натисканням кнопки RCL(3). Записані в пам'яті значення сприйнятливості виводяться на дисплей у порядку зворотному порядку їх вимірювання. Останній викликаний вимір на дисплеї з'являється з літерою "L". Це має велике значення, оскільки ще одне натискання кнопки "RCL" (3) очистить всю пам'ять і прилад повернеться у вихідний стан. Якщо ж натиснути кнопку 4, вміст пам'яті зберігається.
При вимкненні приладу все записане в пам'яті стирається. При наступному ввімкненні живлення пам'ять приладу очищена.
Режим роботи приладу.Крім режиму точкових вимірювань, прилад може працювати в сканерному режимі. При цьому виміри повторюютьсяавтоматично з односекундними інтервалами, кожен вимір виводиться на дисплей, але записується в пам'ять.
Вимірювання слід проводити у наступному порядку:
очистити пам'ять натисканням кнопки 4;
увімкнути сканерні вимірювання натисканням кнопки RCL(3);
увімкнути сканерний режим кнопкою С/М (4).
Прилад КТ-5 вимірює величину, звану здається сприйнятливістю c k. Відмінність сприйнятливості від істинної визначається геометрією і розміром вимірюваного зразка а також особливістю конструкції приладу. Прилад калібрований для ідеального випадку, коли вимірювальна котушка прикладається до гладкої поверхні зразка магнітомогенної та ізотропної породи зі сприйнятливістю:
Це співвідношення справедливе для величин сприйнятливості менших 100 10 -3 од.СІ з точністю не гірше 5%. Практично різницею між c і ck можна знехтувати за всіх межах вимірювань, крім третього, тобто. 999 10 -3 од. СІ (для ck).
Поправки, що вводяться при вимірюваннях
1. Поверхня зразків найчастіше буває шорсткою, а чи не ідеально гладкою. Збільшення зазору між площиною приладу та масою зразка призводить до зниження вимірюваної величини магнітної сприйнятливості; пояснюється це зменшенням напруженості електромагнітного поля вимірювальної котушки приладу, що впливає на породу зі збільшенням зазору.
На рис.4 наведена залежність відносного зменшення магнітної сприйнятливості, що здається, від величини зазору. За графіком видно, що з відстані між вимірювальною площиною приладу і породою дорівнює 20 мм, показання приладу зменшуються на 90 %.
У таблиці 1 наведено значення виправлень за нерівність поверхні до 10 мм. Зазор визначається як відстань між "вищою" і "нижчою" точками поверхніпороди в області, що прилягає до вимірювальної поверхні приладу. Не рекомендується проводити вимірювання на поверхні з нерівностями, що перевищують 10 мм.
2. Якщо вимірюваний зразок має розміри менше, ніж вимірювальний майданчик приладу, слід ввести поправку відповідно до таблиці 2.
3. У виміряне значення магнітної сприйнятливості вводиться поправка за нерівність поверхні зразка (табл.1), а потім, отримане значення коригується за малий розмір зразка (табл.2)
4.Вимірювання керна. У більшості випадків діаметр керна невеликий, менший за діаметр вимірювальної площини приладу. Крім того, плоскі частини Керна зазвичай дуже нерівні. Для таких кернів вимірювання слід проводити на циліндричних бічних площинах. Поправка за циліндричну поверхню кернів різного діаметра вводяться по таблиці 3. Як і зразків довільної форми, спочатку вводиться поправка за нерівність по таблиці 1 (якщо потрібно для керна), та був за малий діаметр по табл.3.