Изучение магнитных свойств руд, продуктов обогащения и минералов

Магнитные свойства минералов — совокупность физических параметров, характеризующих их поведение в магнитном поле. Они являются основой для магнитных методов обогащения руд, а также используются при диагностике минералов, выделении изоморфных примесей и механических включений, изучении окислительных процессов и структурных особенностей минералов. В ряде случаев магнитные измерения применяют при количественных минералогических и аналитических определениях.

Любые вещества, в том числе и минералы, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитный момент или намагниченность:

где J — намагниченность, А/м; ае — магнитная восприимчивость; H — напряженность внешнего магнитного поля, А/м.

На практике для характеристики минералов целесообразно пользоваться удельными магнитными характеристиками

где о — удельная намагниченность, А м:/кг (а = J/р); х — удельная магнитная восприимчивость, м3/кг (х = аe/р); р — плотность, кг/м3.

Для руд, состоящих из сростков слабомагнитных и немагнитных минералов,

где xch — удельная магнитная восприимчивость руды, сростка минералов; xiм — удельная магнитная восприимчивость i-го слабомагнитного или немагнитного минерала; Cht — массовая доля в руде (сростке) i-го минерала, доли ед.

Если в руде присутствуют сильномагнитные минералы, то

где хф — удельная магнитная восприимчивость, обусловленная сильномагнитной минеральной фазой.

При массовой доле сильномагнитного минерала Cфм > 0,001—0,01 % магнитная восприимчивость сростков определяется не только значением Сфм и магнитной восприимчивостью данного сильномагнитного минерала, но и формой его зерен, а также напряженностью H магнитного поля, в котором измеряется % .

Если в сростках присутствует магнетит, то при напряженности магнитного поля 60—120 кА/м:

а при напряженности магнитного поля 10—20 кА/м:

где Рм и Pср — плотности соответственно магнетита и сростка, кг/м5; Cм — массовая доля магнетита в сростке, доли ед.; хм — удельная магнитная восприимчивость магнетита; bt = 27 и C1 = 1,36*10в3. эмпирические коэффициенты.

При намагничивании во внешнем магнитном поле образца разомкнутой формы на его краях образуются магнитные полосы, создающие внутри образца магнитное поле обратного (по отношению к внешнему полю) направления. Это размагничивающее поле пропорционально его намагниченности:

где N — размагничивающий фактор. Магнитное поле внутри образца, помещенного во внешнее магнитное поле, отличается от внешнего поля и зависит от формы тела:

С учетом размагничивающего фактора магнитная восприимчивость образца (тела):

Размагничивающий фактор определяет поведение образца в магнитном поле; он изменяется от 0 до 1 для тел различной формы. Размагничивающий фактор точно рассчитывается только для эллипсоидов вращения, для тел более сложной формы N определяется экспериментально. Для частиц магнетита, обычно вытянутых в одном направлении, N= 0,16.

Для сильномагнитных веществ при aе больше 1

Для слабомагнитных веществ при ае меньше 1 ает ~ ае; хт - х.

При изучении технологических свойств руд со значительным содержанием сильномагнитных минералов, в первую очередь магнетитовых, важную информацию несут такие параметры, как удельная намагниченность насыщения os, удельная остаточная намагниченность or, коэрцитивная сила Hc, размагничивающий фактор N и точка Кюри Tc.

Удельная намагниченность насыщения пробы прямо пропорциональна содержанию в ней сильномагнитного минерала:

где Oжар и Oэм — удельная намагниченность насыщения соответственно пробы и мономинеральной фракции сильномагнитного минерала, присутствующего в пробе, А*м2/кг; Cм — массовая доля сильномагнитного минерала, доли ед.

При использовании магнитных методов анализа порошковых проб и суспензий для определения содержания в них ферромагнитных компонентов по удельной магнитной восприимчивости учитывают влияние размагничивающего фактора формы пробы Nп и структурный размагничивающий фактор Nз, который определяется через размагничивающий фактор Nр частиц ферромагнетита и массовую долю С последнего по формуле Нееля:

Измеряемая удельная магнитная восприимчивость хп пробы связана с удельной магнитной восприимчивостью ферромагнетика хf и его массовой долей:

Отсюда вытекает частный случай, когда размагничивающий фактор формы пробы равен размагничивающему фактору изолированной магнитной частицы (Nп = Nр). Тогда зависимость удельной магнитной восприимчивости пробы от содержания в ней магнитного компонента имеет линейный характер:

В порошкообразных смесях измельченного материала размагничивающий фактор усредненной магнитной частицы практически равен размагничивающему фактору частицы сферической формы (Nр = 1/3) и

При массовой доле магнитной компоненты 0-0,8 в анализируемой пробе эта зависимость дает отклонение в пределах относительной погрешности опыта ±2 %.

Выделяют пять основных классов веществ: диамагнитные, парамагнитные, антиферромагнитные, ферримагнитные и ферромагнитные, которые связаны с основными типами магнитного взаимодействия.

Причина диамагнетизма веществ — электромагнитная индукция молекулярных токов, вызываемая в электронных оболочках атомов внешним магнитным полем. Индуцированный магнитный момент образуется у всех атомов (ионов) и направление его всегда противоположно полю, что и определяет отрицательный знак диамагнитной восприимчивости.

Диамагнитную восприимчивость можно рассчитать на грамм-ион, исходя из состава минерала и предполагая, что магнитная восприимчивость подчиняется закону аддитивности, то есть:

где xi — магнитные восприимчивости ионных компонентов; рi — массовые доли компонентов.

Диамагнетизмом обладают все вещества в природе, однако у многих из них он скрыт более сильным эффектом парамагнетизма или ферро- и ферримагнетизма, поскольку индуцированный диамагнитный момент всегда противоположен внешнему полю, а по абсолютной величине уступает собственному магнитному моменту парамагнитных ионов. Веществам, в состав которых входят парамагнитные ионы, свойственны положительные значения магнитной восприимчивости.

Вещество в парамагнитном состоянии характеризуется наличием у атомов постоянных магнитных моментов независимо от действия внешнего магнитного поля. Обычно эти моменты разориентированы вследствие тепловых колебаний кристаллической решетки. При воздействии на парамагнетик внешнего магнитного поля напряженностью H происходит закономерная ориентировка магнитных моментов, что в итоге приводит к появлению результирующей статической намагниченности I, вектор которой ориентирован параллельно направлению магнитных силовых линий внешнего поля. В связи с тепловым движением атомов лишь небольшая часть магнитных моментов ориентируется вдоль внешнего магнитного поля. С понижением температуры их количество возрастает.

Классическая и квантово-механическая теории парамагнетизма приводят к одному и тому же выражению парамагнитной восприимчивости:

где N — число Авогадро; k — постоянная Больцмана; T — абсолютная температура; q — фактор Ланде, характеризующий участие в магнетизме атомов (ионов) спиновых и орбитальных магнитных моментов; uв — магнетон Бора — единица измерения величины внешнего магнитного момента атомов; j — квантовое число, равное векторной сумме орбитального квантового числа L и спинового квантового числа S.

Эго выражение теоретически объясняет закон Кюри и, учитывая наличие в нем многих постоянных величин, его можно записать в сокращенном виде:

где С — константа Кюри.

Величина C = N [ud2q2j(j+1)1/3k характеризует квадрат эффективного магнитного момента P2эфф, который определяется особенностями электронной структуры парамагнитного иона. Эффективный магнитный момент является необходимой величиной, с помощью которой можно сопоставить расчетные значения магнитной восприимчивости с измеренными, а также определить валентное состояние парамагнитных ионов. Возможность применения этих исследований в данном случае обусловлена различием эффективных магнитных моментов у ионов двух- и трехвалентного железа и марганца (например, P2эфф*Fe2+ = 4,9 мВ; P2эфф*Fe3+ = 5,92 мВ). Из уравнения (3.3) следует, что парамагнитная восприимчивость, как и диамагнитная, не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но является функцией температуры. Формула (3.4) — это идеализированная форма температурной зависимости парамагнитной восприимчивости, описывающая магнитноразбавленные системы, в которых отсутствует взаимодействие между парамагнитными ионами — носителями магнетизма. В природных минералах такое явление наблюдается довольно редко. Чаще же магнитная восприимчивость следует закону Кюри—Вейсса:

где в — постоянная Вейсса, зависящая в основном от обменного и спин-орбитального взаимодействия между парамагнитными ионами.

Удельная магнитная восприимчивость связана с концентрацией парамагнитных ионов C1 и эффективным магнитным моментом Рiэфф соотношением:

где Mi — атомная масса парамагнитного иона i-вида.

Если парамагнитные ионы в минерале находятся в состоянии существенного магнитного разбавления, то при расчете магнитной восприимчивости постоянная Вейсса принимается равной нулю.

В этом случае, принимая O = 0 и подставляя соответствующие числовые значения постоянных величин (N, uв, k, T) формулы (3.5), получаем

К основным магнитным характеристикам парамагнитных минералов, определяемым при магнитостатических исследованиях, относятся: магнитная восприимчивость, являющаяся для минералов величиной постоянной; эффективный магнитный момент парамагнитного иона (Pэфф). обусловленный особенностями его электронной структуры; константа Кюри (Tс), определяющая число магнетонов Бора, приходящихся на парамагнитный ион; постоянная Вейсса (в), характеризующая обменное воздействие между парамагнитными ионами, то есть распределение парамагнитных ионов в кристаллической решетке.

Ферромагнетизм, антиферромагнетизм, ферримагнетизм — явления кооперативного типа, характеризующиеся наличием дальнего магнитного порядка в системе спонтанных магнитных моментов. Их отличительная особенность — существование спонтанной намагниченности, которая обусловлена силами обменного взаимодействия. В результате этого взаимодействия энергетически выгодным является упорядоченное состояние с параллельной (ферромагнитной) или антипараллельной (антиферромагнитной) ориентацией спиновых магнитных моментов соседних ионов в решетке. В случае антиферромагнитной упорядоченности магнитную структуру можно рассматривать как сложную, состоящую из двух или более подрешеток, намагниченных противоположно друг другу. Если магнитные моменты подрешеток равны, то рассматриваем собственно антиферромагнитную систему, если нет — то имеем дело с нескомпенсированным антиферромагнетизмом или ферримагнетизмом. Для большинства антиферромагнитных минералов температура магнитного упорядочения (точка Нееля — TN) лежит в низкотемпературной области (TN < 300 К). Учитывая это, в дальнейшем будем их рассматривать в одной группе с парамагнитными.

Ферро- и ферримагнитные минералы, которые для простоты изложения далее будут называться ферромагнитные, в термодинамически равновесном состоянии разбиваются на отдельные области самопроизвольной намагниченности — домены, внутри которых сохраняется параллельная ориентация магнитных моментов. Каждый домен намагничен до насыщения (Js), но распределение векторов Js таково, что в отсутствие внешнего магнитного поля результирующая намагниченность равна нулю или остаточной намагниченности Jr (в зависимости от «магнитной предыстории» образца). Наличие упорядоченной магнитной структуры в данной группе веществ обуславливает их специфические магнитные свойства. Одно из основных — нелинейная и неоднозначная зависимость магнитной восприимчивости и намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля.

Процесс намагничивания ферромагнетика заключается в ориентации магнитных моментов доменов в направлении приложенного поля. Различают основную кривую намагничивания, получающуюся при намагничивании из абсолютно размагниченного состояния, и петли гистерезиса, образующиеся при циклическом перемагничивании ферромагнитных материалов. Петли гистерезиса, полученные при повышении напряженности магнитного поля до величины, необходимой для насыщения ферромагнетика, называются предельными, в меньших полях — частными.

К основным характеристикам ферромагнитных минералов, получаемым при полевом изучении их магнитных свойств, относят:

- намагниченность насыщения Js — намагниченность в высоких магнитных полях, не зависящую от изменения магнитного поля;

- остаточную намагниченность насыщения JrS — намагниченность в нулевом магнитном поле после намагничивания образца до насыщения;

- коэрцитивную силу H — напряженность магнитного поля, в котором ферромагнитный образец, первоначально намагниченный до насыщения, размагничивается.

Каждый ферромагнитный минерал характеризуется строго определенной удельной намагниченностью насыщения os, которая является его константой. Уменьшение содержания данного минерала в пробе приводит к пропорциональному уменьшению удельной намагниченности. На основании этого получена зависимость, позволяющая определить содержание ферромагнитного минерала по величине оsпр:

где Сф — массовая доля ферромагнитного минерала в пробе, %; оsпр — удельная намагниченность насыщения пробы, А*м2/кг; оsм — удельная намагниченность насыщения чистой мономинеральной фракции данного ферромагнитного минерала, присутствующего в пробе.

Одна из важнейших характеристик ферромагнитных минералов — точка Кюри — температура, при которой энергия обменного взаимодействия парамагнитных ионов становится равной энергии теплового движения в веществе. В результате при повышении температуры разрушается магнитное упорядочение и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Этот фазовый переход относится к переходам второго рода; его температура является константой ферромагнетика. Он полностью обратим и наблюдается как при нагревании вещества, так и при его охлаждении.

Применяется следующая классификация минералов, которая в значительной степени определяется уровнем развития техники магнитного обогащения:

- сильномагнитные минералы, извлекаемые на магнитном сепараторе с напряженностью магнитного поля до 120 кА/м (к ним относят ферромагнитные минералы с удельной магнитной восприимчивостью 4*10в5 м3/кг);

- слабомагнитные минералы, извлекаемые на магнитном сепараторе с напряженностью магнитного поля 800—1500 кА/м (к ним относят большую часть парамагнитных минералов, характеризующихся магнитной восприимчивостью (750—10)-10в-8 м3/кг; по мере совершенствования конструкций магнитных сепараторов нижний предел удельной магнитной восприимчивости минералов, извлекаемых при высоких полях, понижается);

- немагнитные минералы, не извлекаемые на магнитных сепараторах современных конструкций (к ним относятся диамагнитные и маложелезистые — содержание железа обычно не выше 2—3 % — парамагнитные минералы).

При изучении магнитных свойств применяют различные методы: баллистический, магнетометрический, электродинамический, индукционный, пондеромоторный и др. Наибольшую информацию о составе, структуре и других особенностях минералов дают исследования магнитных параметров в зависимости от изменения температуры или внешнего магнитного поля. Выбор аппаратуры, комплекс магнитных измерений и совокупность изучаемых параметров определяются главным образом магнитной структурой минералов и задачами, стоящими перед исследователями.

Удельную магнитную восприимчивость сильномагнитных минералов определяют с помощью магнитных весов (рис. 3.11), которые состоят из магнитной системы 1 и подставки из немагнитного материала 2. На подставку ставят стеклянную колбу 3, прикрепленную с помощью упругой нити 4 к чашке аналитических весов. В колбу сначала помещают навеску эталона с известной магнитной восприимчивостью. В качестве эталона обычно берут пирофосфат марганца в количестве 0,2—2,0 г. Колбу с эталоном уравновешивают грузом, помещенным на другую чашку весов. В момент равновесия нить должна быть натянута и колба касаться подставки при стрелке весов, показывающей нуль. Малейшее увеличение груза на другой чашке весов отрывает колбу от подставки и отклоняет стрелку. Операция уравновешивания колбы производится при выключенной магнитной системе. Затем включают постоянный ток (клеммы 5 соединяют с генератором постоянного тока), регулируя его величину реостатом. Под действием магнитного поля колба притянется к подставке. Для отрыва ее, то есть приведения весов в равновесие, надо на другую чашу весов добавить груз, величину которого определяют при различном токе, например, 1, 2, 3, 4, 5 А. После этого эталон убирают и в колбу помещают исследуемую навеску крупностью — 0,2 мм. Повторяют операции, проделанные с эталоном. Определения производят два-три раза и берут среднее значение. Магнитную восприимчивость находят из следующих соотношений:

где хпр и хэт — удельная магнитная восприимчивость пробы и эталона; рпр и рэт — масса груза, уравновешивающего действие магнитной силы, соответственно, при исследуемой пробе и эталоне; mпр и mэт — массы пробы и эталона.

В настоящее время наиболее эффективен вибромагнитный метод определения магнитостатических и термомагнитных характеристик сильномагнитных веществ. Сущность метода состоит в том, что при вибрации с постоянными частотой и амплитудой образца, помещенного в однородное магнитное поле перпендикулярно к вектору напряженности, в измерительных катушках, охватывающих образец, индуцируется э. д. с., прямо пропорциональная намагниченности образца. В вибромагнитометре (рис. 3.12) однородное магнитное поле создает электромагнит ФЛ-1, позволяющий получать поля напряженностью 800 кА/м. Питание на электромагнит подают через генератор постоянного тока или выпрямитель, например, BC-ЗБ-З. Напряженность поля определяют, предварительно градуируя по силе тока, протекающего в катушках электромагнита, баллистическим методом или с помощью датчика Холла.

Измерительную немагнитную (плексиглас, латунь) кювету преимущественно цилиндрической формы при соотношении диаметра к высоте, равном 3—5, устанавливают осью перпендикулярно к магнитному полю. Кювету с образцом соосно укрепляют на немагнитном стержне, соединенном с вибрационной системой.

Вибровозбудитель представляет собой электродинамический громкоговоритель, задающая катушка которого, находящаяся в поле постоянного магнита, жестко соединена с немагнитным стержнем. На задающую катушку вибраторовозбудителя от звукового генератора поступает сигнал с постоянными определенной (преимущественно около 20 или 80 Гц) частотой и амплитудой. При этом катушка громкоговорителя, а вместе с ней немагнитный стержень и образец совершают колебания перпендикулярно к магнитному полю с постоянными частотой и амплитудой. Возникает осциллирующее магнитное поле образца, индуцирующее в измерительных катушках э. д. с., прямо пропорциональную намагниченности, амплитуде, частоте колебаний образца и постоянной измерительных катушек.

Преимущественно применяют 4 измерительные катушки, закрепленные попарно у полюсных наконечников электромагнита и соединенные между собой встречно-последовательно. При этом происходит компенсация случайных сигналов, вызванных нестабильностью поля, а полезный сигнал удваивается. Чтобы э. д. с. не была чувствительна к положению образца, его располагают точно по центру между катушками. Положение образца проверяют после намагничивания в поле напряженностью 800 кА/м: вращая катушки вокруг оси Z и перемещая вдоль немагнитного стержня, добиваются максимального значения э. д. с. на выходе, а перемещая вдоль оси X — минимального сигнала.

Сигнал катушек через селективный усилитель поступает на индикаторный прибор. Опорным напряжением индикаторного прибора служит сигнал, поступивший от катушек опорного напряжения электровозбудителя через источник опорного напряжения и фазорегулятор. Фазорегулятор уравнивает фазу измерительного и опорного напряжения. При равенстве фаз на индикаторном приборе фигуры Лиссажу превращаются в линию. Сигнал, пропорциональный намагниченности образца, регистрирует измерительный прибор.

Установка позволяет записывать зависимость измеряемого сигнала от напряженности внешнего магнитного поля на двухкоординатном самописце. Сигнал, соответствующий напряженности поля, поступает от датчика Холла.

Термомагнитные измерения осуществляют с помощью термоблока, в который помещают исследуемый образец. Температуру измеряют термопарой с использованием сосуда Дыюара с тающим льдом для холодного спая и регистратора температуры (милливольтметр). Для автоматической записи зависимости намагниченности от температуры сигнал, соответствующий температуре, подают на самописец.

Блок нагревания включает в себя печь, охладительную систему и регулятор питания печи. Температуру образца при нагревании до 700 °С измеряют платино-платинородиевой термопарой. Для охлаждения образца до -196 °С применяют сосуд Дьюара с жидким азотом, а температуру измеряют медь-константановой термопарой. Каждую термопару помещают в свой немагнитный держатель, который крепится к вибровозбудителю и легко заменяется. Погрешность определения температуры ±2 °С.

Температурные блоки (криостат и съемное нагревательное устройство) позволяют проводить измерения в диапазоне температур от 77 до 1000 К.

Градуировка прибора производится с помощью эталонных образцов с известными удельными намагниченностями насыщения. Масса эталона соизмерима с массой изучаемых образцов. Обычно в качестве эталона при измерении удельной намагниченности используется чистый электролитический никель (оs = 54,4 Ам2/кг). При изучении температурной зависимости магнитных свойств для измерения температуры пользуются стандартными термопарами: хромель — алюмель, хромель — копель, медь — константен и др. В случае необходимости градуировка термопары производится с помощью набора эталонов с известными точками Кюри.

Изучение магнитных свойств начинается с калибровки магнитометра с помощью эталонных образцов. Для этого на регистрирующем приборе измеряется сигнал, соответствующий намагниченности насыщения эталона (оэт). Удельную намагниченность образца ообр определяют по формуле:

где mэт, mобр — масса соответственно эталона и образца, кг; iэт, iобр — показания измерительного прибора, соответствующие намагниченности эталона и образца.

При неизменном режиме работы магнитометра и постоянном эталоне оэт*mэт/iэт = к и ообр = k*Siобр/mобр. При этих условиях процесс определения удельной намагниченности сводится к измерению сигнала, возбуждаемого в измерительных катушках, и взвешиванию образца.

Температурную зависимость магнитных свойств изучают при фиксированной напряженности магнитного поля. Предварительно взвешенный образец упаковывают в контейнер из титана или другого немагнитного термостойкого материала и помещают в температурный блок, который укреплен в межполюсном пространстве магнита или соленоида. На измерительном приборе регистрируют изменение намагниченности при нагревании или охлаждении образца. Запись термомагнитной кривой (TMK) производится по точкам (определяется намагниченность при каждом фиксированном значении температуры) или в автоматическом режиме с выводом на двухкоординатный самописец или графопостроитель (на один вход подается сигнал с регистрирующего прибора, соответствующий намагниченности изучаемого образца; на другой — э. д. с. термопары, контролирующей его температуру).

При определении зависимости намагниченности сильномагнитных минералов от напряженности магнитного поля предварительно взвешенный образец помещают в межполюсное пространство электромагнита или соленоида, в котором напряженность магнитного поля регулируется изменением протекающего в них тока. На измерительном приборе регистрируют изменение намагниченности при повышении или понижении напряженности магнитного поля. Запись кривых намагничивания производится по точкам или в автоматическом режиме с выводом на графопостроитель, на один вход которого подается сигнал с измерительного прибора, соответствующий намагниченности образца, а на другой — с датчика Холла, контролирующего напряженность магнитного поля.

В качестве исследуемого материала могут быть использованы изометричные образцы с линейными размерами 1—4 мм, а также порошковые пробы или мономинеральные фракции массой от 50 до 200 мг.

Подготовка проб зависит от задач, стоящих перед исследователями. Структурно-чувствительные параметры сильномагнитных минералов определяют на образцах или монокристаллах, так как дробление материала приводит к изменению величин or, Hc, x, N. При оценке фазового состава и технологических свойств железных руд, а также при определении содержания сильномагнитных минералов обычно используют порошковые пробы; в принципе эти исследования можно проводить на образцах, но при этом необходимо выполнять условия представительности пробы, что труднодостижимо.

При каждой напряженности магнитного поля следует дважды измерять ее величину и при вычислении брать среднее значение.

При изучении температурной зависимости магнитной восприимчивости в качестве исследуемого материала могут быть кристаллы минералов или мономинеральные порошковые пробы массой 5—100 мг, при обнаружении сильномагнитной фазы — 5 мг.

Время анализа при экспрессной оценке сильномагнитной минеральной фазы — 10 мин; при количественном определении парамагнитных ионов и формы вхождения их в кристаллическую решетку минералов — 30 мин; при магнетохимическом определении разновалентных парамагнитных ионов и их соотношений, а также при уточнении характера магнитного упорядочения парамагнитных ионов в решетке минерала — 4 ч.

В качестве эталонов используют вещества, у которых магнитная восприимчивость при комнатной температуре близка к восприимчивости исследуемых минералов, в том числе: FeSO4-(NH4)2SO4*6Н2О — соль Мора (х = 40,7*10в-8 м3/кг); NiSО4*7H2О (х = 20,7*10в- м3/кг); CuSО4*5H2О (х = 7,6*10в-3 м3/кг) и дистиллированную воду (х = -0,9110-8 м3/кг).

Эталонами точки Кюри могут служить как чистый никель (Tс = 358 °С), так и некоторые чистые минералы с известными точками Кюри, например, магнетит Fe3O4 (Tс = 575 °С), магнезиоферрит MgFe2O4 (Tс = 440 °С), гематит a-Fe2O3 (Tс = 675 °С) и др.

Macca эталонов должна быть соизмерима с массой измеряемых образцов и определена с точностью до 10в-4 г.

Для изучения магнитных свойств слабомагнитных минералов с успехом могут быть применены статические методы (Фарадея, Гуи), как наиболее стабильные. Определение статической магнитной восприимчивости слабомагнитных минералов основано на измерении силы, которая действует на образец, помещенный в магнитное поле. Определение по методу Фарадея ведут в неоднородном магнитном поле, а по методу Гуи — в однородном.

Магнитную восприимчивость слабомагнитных минералов можно определить с помощью электромагнитного гидродинамического анализатора СИМ-1 (рис. 3.13). Он состоит из сильного электромагнита с двумя длинными полюсными наконечниками 3, имеющими такую конфигурацию, при которой магнитная сила F одинакова в любой точке по оси зазора между полюсами. В воздушном зазоре помещен вибрирующий се-парационный желобок 4 из немагнитного материала. Наклон лотка с помощью регуляторов меняется в поперечном 2 и продольном б направлениях с точным указанием значений углов наклона. Материал крупностью -0,5 +0,02 мм поступает через загрузочный бункер 1 на вибрирующий лоток. Так как магнитная сила, действующая в магнитном поле изо-динамического сепаратора на частицу с данной магнитной восприимчивостью, не зависит от ее положения в процессе движения по оси воздушного зазора и остается постоянной, действуя против силы тяжести, более магнитные частицы становятся как бы более легкими. При вибрирующем движении материала происходит расслоение, более магнитные частицы движутся в верхнем слое. На разгрузочном конце лоток раздваивается и более магнитные частицы движутся по ответвлению, расположенному выше, а немагнитные — по нижнему, разгружаясь в приемнике 5. Изменяя с помощью регулятора 7 силу тока в магнитной системе, выделяют различные фракции минеральных порошков по их магнитной восприимчивости. Сильномагнитные минералы предварительно выделяют из исследуемой пробы.

На рис. 3.14 представлен схематический зазор изодинамического анализатора, по оси которого действует магнитная сила, определяемая по формуле:

где С — постоянная магнита; ае — магнитная восприимчивость; V — объем частиц; I — сила тока.

Сила тяжести частицы:

где р — плотность минерала; g — ускорение силы тяжести; a — угол наклона оси зазора.

В условиях равновесия, когда минеральная частица прекратит движение под влиянием силы тяжести,

Подставив значение удельной магнитной восприимчивости

Из уравнения (3.6) видно, что между X и sina/Р существует линейная зависимость. Если взять вещество с известной удельной магнитной восприимчив остьюи, пропуская его через анализатор СИМ-1 при различных величинах тока, добиться прекращения движения материала по лотку, фиксируя при этом значения углов а, можно найти величину f а значит, и рассчитать С.

В качестве эталонов для нахождения постоянной магнита используются соли железа, никеля, кобальта, марганца.

Удельную магнитную восприимчивость можно определить и с помощью установки конструкции ОАО «Механобр» (рис. 3.15). Принцип ее работы основан на использовании магнитной силы, действующей на образец вещества, помещенный в неоднородное магнитное поле (метод Фарадея). Удельную магнитную восприимчивость % (см3/г) определяют по формуле:

где С — постоянная положения образца и тока возбуждения магнита, определяемая экспериментально для данного комплекта полюсных наконечников, см3/г; Aр — изменение массы образца минерала в магнитном поле, г; р — масса образца минерала, г.

Установка предназначена для измерения магнитной восприимчивости кускового минерала, порошка или раствора в пределах (0,5-500)*10в-6 см3/г.

Время одного определения 5—10 мин. Навески образцов составляют от 100 мг до 1 г.

В ВИМСе для измерения удельной магнитной восприимчивости слабомагнитных минералов был применен классический вариант метода Фарадея, не требующий навесок значительных размеров и более чувствительный.

Нестандартная высокочувствительная установка дает возможность измерять магнитную восприимчивость слабомагнитных минералов в интервале полей от 4,4*105 до 11,8*10в5 А/м и в области температур от 80 до 1000 К. Чувствительность метода по измерению х - 10в-12 м3/кг.

Установка состоит из следующих основных блоков:

- электромагнит ФЛ-1, напряженность поля которого достигает 11,8*10в5 А/м при зазоре между полюсами 40 мм и максимальном токе 10 А; электромагнит питается от генератора постоянного тока с системой измерений и регистрации тока;

- специальные магнитные микровесы с чувствительностью 2*10в-4 г;

- измерительные узлы: электромагнитная компенсирующая система, от-счетное устройство ПС-35, электронный автоматический потенциометр ЭПД-12;

- съемное нагревательное устройство для работы в вакууме от комнатной температуры до 800 С и криостат, позволяющий проводить измерения х образца в диапазоне от температуры жидкого азота до комнатной температуры.

В зависимости от условий работы можно измерять силу, действующую на образец в горизонтальном или вертикальном направлениях.

Исследуемый образец помещается в неоднородное поле электромагнита, создаваемое при помощи специальных полюсных наконечников, имеющих форму усеченного конуса диаметром 30 мм. Такая форма наконечников обеспечивает получение на достаточно большом интервале (6 мм) постоянного значения H (dН/dx). Сила, действующая на помещенный в неоднородное магнитное поле образец, измеряется нулевым компенсационным методом. Для этого используется взаимодействие постоянного магнетика с полем специального соленоида, через который пропускается стабилизированный постоянный ток от выпрямителя ВС-26. Величина силы, при которой весы возвращаются в нулевое положение, детектируется как мера силы, действующей на образец со стороны неоднородного магнитного поля. На установке возможно измерение наименьшей величины напряженного магнитного поля — порядка n*10в-5 Н.

Таким образом, зная напряженность магнитного поля Н, его градиент dН/dx, определенный при измерении эталонных веществ, и измерив силу/ и массу образца mобр, можно рассчитать удельную магнитную восприимчивость х по формуле:

Диамагнитную восприимчивость обычно рассчитывают относительным методом по формуле:

Магнитную восприимчивость при комнатной температуре измеряют в полях различной напряженности (обычно 4,4; 7; 10,4 и 11,8 А/м).

В настоящее время для определения магнитостатических и термомагнитных характеристик слабомагнитных веществ наиболее эффективен вибромагнитный метод.

Определение анизотропии магнитной восприимчивости монокристаллов методом Гюи возможно, если удается изготовить цилиндрические образцы по необходимым кристаллографическим направлениям, однако такая возможность редко осуществляется.

Для измерения главных магнитных восприимчивостей кристаллов был предложен «иммерсионный метод» (Rabi, 1927). Метод заключается в том, что ориентированный на легкой подвеске в заданном кристаллографическом направлении образец любой формы помещается в неоднородное магнитнoe поле и с помощью набора жидкостей, имеющих различные восприимчивости, добиваются неподвижности кристалла. Последнее означает, что X кристалла в заданном направлении и х жидкости равны. Затем, пользуясь обычно методом Гюи, определяют восприимчивость иммерсионной жидкости. Этот метод удобен для поиска главных магнитных восприимчивостей у низкосимметричных кристаллов.

Рядом авторов предложен радиочастотный метод измерения магнитной восприимчивости жидкостей, порошков и кристаллов. Рекомендованная для этих целей установка состоит из двух звуковых генераторов. Частота генерации одного из них (опорного) стабилизирована пьезокварцем, а другой генератор (измерительный) может настраиваться на частоту опорного. При внесении объекта исследования в катушку контура измерительного генератора его самоиндукция меняется. Это вызывает изменение частоты измерительного генератора. Разница частот генераторов при внесенном объекте измеряется и является мерою восприимчивости. Радиочастотные методы по сравнению с классическими имеют преимущества, заключающиеся в быстроте и простоте измерений. Точность измерений восприимчивостей обоих методов примерно одинакова (2 %). Однако если восприимчивость образца определяется радиочастотными методами, то она является величиной комплексной:

где xI — высокочастотная составляющая, хII — величина, пропорциональная энергии поглощения парамагнетиком радиочастотного поля. Величины xI и хII связаны со статической восприимчивостью 00 следующим образом:

где V — рабочая частота; т — время спин-решеточной релаксации.

Если измерения x0 производят в отсутствие радиочастотного поля (v = 0), то есть методами Гюи и т.п., x0=xI и хII = 0. Если применяют радиочастотные методы (v =/= 0), то зависимость xI и xI от v может быть различной. Например, если v = 5 мГц, при измерении кристаллов, содержащих ионы с т = 10в-13—10в-14 с (такие, как Fe2+, Co2+, Ti3+ и др.), с большей уверенностью можно сказать, что x0 = xI, a xII = 0. При измерении веществ, содержащих ионы с т = 10в6—10в-8 с (Mn2+, Fe3+, Gd3+ и др.), также еще можно считать, что x0 = xI и xII = 0. Ho при более длинных т измерения магнитной восприимчивости радиочастотными методами (особенно при низких температурах) могут содержать существенные ошибки. Поэтому иногда уместно сравнивать данные классических методов с радиочастотными.

Наконец, величину магнитной восприимчивости для парамагнитных веществ можно определить, пользуясь константами электродного парамагнитного резонанса. Если известны фактор спектроскопического расщепления g, константа тонкой структуры D(b20) и число парамагнитных ионов N, то восприимчивость легко определяется из формул

Эти формулы полезны также и для оценки магнитного поведения веществ при различных температурах. Наконец, если известны константы спектров ЭПР и восприимчивость образца, то, пользуясь этими формулами, можно с высокой степенью точности определить число магнитных центров в кристалле.

Измерения магнитных характеристик руды и продуктов ее переработки выполняются на установке, состоящей из весов (тип BЛTK-500) и стеклянной трубки для пробы, подвешенной к ним. Свободный конец трубки располагается внутри соленоида или между полюсами электромагнита, питаемыми от источника постоянного тока ВС-3Б-3.

Для определения точек Кюри используется установка, состоящая из «маятниковых весов», электромагнита ФЛ-1, платиновой электропечи, источника постоянного стабилизированного напряжения типа УИП-2, вакуумной системы, регистрирующего прибора типа ПДС-021. Пробы для магнитных анализов должны быть хорошо усреднены, крупность -0,1+0 мм, масса навески — не менее 0,015 кг. Перед измерениями производится контроль установки весов по уровню положения трубки относительно соленоида или полюсов электромагнита. Определяется масса пустой трубки. Порядок выполнения измерений магнитных свойств следующий:

- снять пробку с подвеска, заполнить ее пробой;

- определить массу трубки с пробой без поля H1(P1) и при заданном магнитном поле H2(P2);

- уменьшить поле до величины, при которой еще возможно взять отсчет массы по весам и определить изменение массы пробы в этом поле;

- изменить полярность тока питания катушки соленоида или электромагнита и постепенно увеличивать поле до величины, при которой будет отсутствовать приращение массы (АР = 0). Установленная величина поля численно равна коэрцитивной силе исследуемого материала после его намагничивания в заданном поле H2.

Вычисления удельной намагниченности и удельной магнитной восприимчивости производят по формулам

где о — удельная намагниченность, А*м2/кг; x — удельная магнитная восприимчивость, м3/кг; g — ускорение свободного падения, 9,8 м/с2; l — длина образца, м; H1 — максимальная напряженность магнитного поля, А/м; H2 — минимальная напряженность магнитного поля, А/м; P — масса образца, кг; AP — сила, действующая на образец в магнитном поле, Н.

Остаточная намагниченность находится следующим образом:

- определяем по формуле удельную намагниченность при минимальном значении поля;

- наносим на график значение коэрцитивной силы и величину удельной намагниченности при минимальном значении поля и соединяем их прямой линией;

- точка пересечения ее с осью значений удельной намагниченности дает величину оост.

Относительная погрешность определения указанных величин составляет 2 %.

Определение точки Кюри производится в следующей последовательности:

- включить источник стабилизированного напряжения и самописец и прогреть их в течение 0,5 ч; поместить пробу в ампулу и закрепить ее в электропечи;

- установить электропечь в рабочее положение;

- создать вакуум в рабочем пространстве печи;

- установить полюса электромагнита в рабочее положение;

- установить необходимое магнитное поле;

- включить печь на медленный нагрев;

- включить перо самописца. Самописец запишет изменение намагниченности вещества в зависимости от повышения температуры. После отключения печи самописец запишет кривую изменения намагниченности при охлаждении;

- на записанном графике отмечается участок резкого понижения намагниченности;

- проводим касательную прямую к данному участку до пересечения этой прямой с осью х,

- на оси х отмечаем величину термо-э. д. с.;

- по значению э. д. с. по таблице для соответствующей термопары определяем температуру эффекта, то есть точку Кюри. Относительная погрешность определения составляет 2 %.