3.11. Магнитные свойства горных пород

Сила взаимодействия между двумя магнитными массами на расстоянии друг от друга, согласно закону Кулона равна

3-21

где F_м– сила взаимодействия между двумя магнитными массамиm₁ и m₂;r– расстояние между зарядами;μ_а– некоторая характеристика среды (вещества, горной породы), называетсяабсолютной магнитной проницаемостью.

Отношение абсолютной магнитной проницаемости в горных породах μ_а, к магнитной проницаемости в вакууме μ₀, называется относительной магнитной проницаемостью μ, т.е. μ = μ_а/μ₀

НамагниченностьJгорных пород вычисляется как предел отношения суммы магнитных моментов в некотором объеме породы к этому объему:

3-22

Намагниченность горной породы может быть определена как приращение магнитной индукции поля в веществе по сравнению с вакуумом:

3-23

Коэффициент (μ–1)=κ называется объемной магнитной восприимчивостью, а отношение восприимчивости к плотности породыκ/ρ удельной магнитной восприимчивостью.

Намагниченность породы обусловлена суммой магнитных моментов её электронов, атомов и доменов (целых объемов).Произведение элементарного тока i на площадь магнитного диполяΔS называется магнитным моментом электрона. Эта величина постоянная и равна 9,28*10^-24 Дж/Т.

Если магнитные моменты всех электронов атома компенсирую друг друга, то при напряженности магнитного поля Н равной нулю (Н = 0) атом не намагничен. Такие породы называют диамагнитными. Магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы (μ < 1). Величина диамагнетизма определяется радиусами атомных орбит.

Горные породы, атомы которых обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, называются парамагнитными.Магнитная проницаемость диамагнетиков больше единицы (μ > 1).

Горные породы, у которых целые объемы (домены) обладают магнитными моментами при отсутствии внешнего поля, называются ферромагнитными. Благодаря доменам магнитная проницаемость ферромагнитных пород значительно больше, чем у парамагнитных.

Пример.

Воздействие электрического и магнитного поля на горные породы.

Электрические и магнитные поля могут воздействовать на горные породы непосредственно за счет смещения, электрического и магнитного ориентирования (поляризация и намагничивание), возбуждения электронов и ионов и т.д. или косвенно – через тепловое поле , в которое трансформируется электрическая энергия в породах.

В связи с этим выделяют три группы явлений:

1. нагрев пород;

2. непосредственное изменение свойств пород под воздействием поля (изменение прочности пород);

3. пробой пород.

Нагрев пород. Превращение электрической энергии в тепловую описывается законом Джоуля-Ленца:

3-24

где q_Т - удельное количество тепла, выделившееся в единицу времени в породе; σ_э – удельная электрическая проводимость породы; Е_э – напряженность электрического поля.

Таким образом, при низком электрическом сопротивлении или большом напряжении электрического поля порода может быть нагрета до высоких температур.

Магнитное поле оказывает заметное влияние только на ферромагнетики.

Изменение прочности пород. Электромагнитное поле не только является источником тепла в горной породе, но и непосредственно воздействует на кристаллическую решетку минералов, существенно изменяя их свойства. Внешнее электромагнитное поле способно воздействовать на дислокацию, переориентировать её или сдвинуть в определенном направлении, т.е. вызвать пластические деформации породы. В отдельных породах при воздействии на них электромагнитного поля уменьшается модуль упругости, предел прочности при сжатии и возрастает величина пластической деформации.

Пробой пород. При больших напряжениях электрического поля нарушается закон Ома и ток начинает непропорционально расти – сопротивление диэлектрика убывает. Такое явление приводит к таким явлениям какэлектротепловой пробойиэлектрический пробой.

Электротепловой пробойпроисходит при условии разогрева породы под воздействием высокого напряжения. В результате повышения температуры породы происходит уменьшение её сопротивления и увеличение тока, проходящего через породу. Такой процесс может неоднократно повторяться, в результате ток возрастает до большой величины и произойдет пробой.Отличительные признаки теплового пробоя нагрев горных пород, относительная длительность процесса и зависимость пробивного напряжения от температуры.

Электрический пробойпроисходит при условии образования и накопления в горной породе свободных электронов и ионов под воздействием внешнего электрического поля. Электрический пробой происходит в основном за счет ударной ионизации молекул и разрыва кристаллической решетки вещества электрическим полем. В отличие от теплового, электрический пробой совершается мгновенно.Главным факторов формирования электрического пробоя является напряженность электрического поля.

Контрольные вопросы к главе 3.

1. Какие физические явления протекают в горных породах?

2. Назовите физические процессы в горных породах

3. Назовите основные акустические свойства горных пород.

4. Назовите основные формы воды содержащейся в горных породах.

5. Дайте пояснения о газообразной составляющей горных пород.

6. Назовите основные тепловые свойства горных пород.

7. Какие напряжения в горных породах называют температурными?

8. Что такое морозостойкость горных пород?

9. Для чего необходимо знания о морозостойкости горных пород?

10. Назовите основные электрические свойства горных пород.

11. Назовите основные магнитные свойства горных пород.