Лекция 1. Магниторазведка 1.1 Элементы магнетизма (стр. 1 )

Лекция 1. Магниторазведка

1.1 Элементы магнетизма

Магнетизм - одна из форм материальных взаимодействий, возникающих между, движущимися электрически заряженными частицами. Согласно теории Ампера, магнитные свойства физических тел обусловлены движением электрических зарядов и возникающих при этом различных токов.

Любое вещество состоит из атомов отдельных элементов. В свою очередь, атомы состоят из ядер и электронов, вращающихся вокруг атомного ядра по определенным орбитам. Обладая отрицательным электрическим зарядом, электрон в результате вращения по орбите вокруг ядра создает орбитальный магнитный момент. Кроме того, электрон вращается вокруг своей оси и создает так называемый спиновый (от английского слова to spin - вращать) магнитный момент. Также внутреядерное движение нейтронов и протонов создает магнитный момент атомных ядер. Установлено, что намагниченность вещества обусловливается согласной ориентировкой спиновых и орбитальных внутреядерных магнитных моментов атомов. Таким образом, магнетизм присущ практически всем газообразным, жидким и твердым телам. Пространство, в котором действуют силы магнетизма, называется магнитным полем.

Поскольку характер движения микрочастиц стабилен во времени, каждую частицу и в целом атом можно считать элементарным постоянным магнитом. Исходя из природы магнетизма, ниже рассматриваются взаимодействие элементарных магнитов.

Для постоянного магнита основной характеристикой является магнитный момент, который может быть вычислен согласно закону, сформулированному французскими физиками Ж. Био и Ф. Саваром как произведение силы тока I на площадь контура S, охваченного током (круговое движение электрического тока):

                                                                               (1.1)

Магнитный момент рт - векторная величина. При движении тока по часовой стрелке вектор рт направлен от наблюдателя, при движении против часовой стрелки - к наблюдателю.

Под воздействием внешнего магнитного поля (или самопроизвольно) происходит параллельная ориентация элементарных магнитных моментов. В этом случае говорят, что вещество намагничено.

Намагниченностью вещества J называют суммарный магнитный момент единицы объема данного вещества:

                                                                       (1.2)

где V - объем вещества; - векторная сумма магнитных моментов pmi частиц вещества; N - число элементарных магнитов, которые приняли согласованную ориентировку в пространстве.

Связь между магнитным моментом рт и намагниченностью I тела (в скалярной форме) определяется выражением:

                                                                               (1.3)

Единица измерения магнитного момента А·м2, намагниченности А/м:

                               (1.4)

Намагниченность горных пород и руд является одной из основных предпосылок для применения магнитного метода.

В веществе, помещенном в магнитное поле, появляется внутреннее магнитное поле, которое накладывается на внешнее, намагничивающее. Суммарное магнитное поле, обусловленное внешними источниками поля и собственной намагниченностью тела или среды, называется магнитной индукцией В:

                                                               (1.5)

где µ0 - абсолютная проницаемость вакуума, называемая магнитной постоянной; в СИ µ0 = 4р·10-7 Гн/м (генри на метр) в системе СГС µ0 = 1, безразмерная величина; Т - напряженность внешнего магнитного поля.

Напряженность магнитного поля Т представляет собой силу притяжения или отталкивания, действующую на пробный единичный заряд, помещенный в данную точку внешнего магнитного поля.

Напряженность магнитного поля характеризует поле, не искаженное влиянием среды, т. е. определяет тот вклад в магнитную индукцию, который дают внешние источники поля.

В вакууме магнитная индукция В и напряженность Т связаны соотношением В = µ0Т, в реальной среде В = µµ0Т, где µ - относительная магнитная проницаемость, показывающая, во сколько раз поле в данной среде больше, чем в вакууме, безразмерная величина, зависящая от состава и состояния среды.

Произведение µµ0 =µа имеет ту же размерность, что и µ0 характеризует абсолютную магнитную проницаемость среды. Значения µ в системах СИ и в СГС одинаковы, для воздуха и воды они практически равны единице.

Единицей измерения магнитной индукции в СИ является тесла (Тл), в системе СГС - гаусс (Гс); 1 Гс=10-4Тл. В практике магниторазведки используется более мелкая единица магнитной индукции - нанотесла (нТл,), 1нТл=10-9Тл.

Единица измерения напряженности магнитного поля в СИ - ампер на метр (А/м); в системе СГС - эрстед (Э); 1Э = 103/4рА/м; 1Э=10-5 гамм, следовательно, 1А/м = 4р·102гамм.

Устанавливается следующая связь между единицами измерения магнитной индукции и напряженности: при Т = 1А/м, В =µ0 Т = 4р·10-7Гн/м = 4р·10-7 Н·А-2·1А/м =4р·10-7 Н·А-1·м-1=4р·10-7Тл =4р·102нТл, т. е. 1А/м =4р-102нТл. Сравнивая 1А/м =4р·102 гамм и 1А/м =4р·102 нТл, имеем 1 гамма = 1нТл. Указанные соотношения между единицами измерения позволяют сопоставлять отчетные материалы магнитных съемок, выполненных в разное время.

Ниже показана связь между намагниченностью, магнитной индукцией и напряженностью поля. При согласованной ориентировке магнитных моментов частиц атомов происходит намагничивание вещества. Намагниченность вещества пропорциональна напряженности внешнего намагничивающего поля Т. Способность различных веществ к намагничиванию под действием внешнего магнитного поля называется магнитной восприимчивостью:

                                                                               (1.6)

где ч - безразмерная величина, 1 ед. СГС = 4р ед. СИ. Выражение для магнитной индукции запишется в виде:

                                                       (1.7)

По данной формуле можно рассчитать значение магнитной индукции для различных магнитных сред. При ч=0 (воздух, вода) Во = µ0Т. Относительная магнитная проницаемость µ и магнитная восприимчивость ч связаны между собой соотношениями µ=1+µ (в СИ) и µ=1+4рч (в СГС).

В реальных условиях среды измеряемой величиной всегда является магнитная индукция В. Современные измерительные приборы регистрируют полное значение и приращения магнитной индукции. При измерениях магнитного поля прибор в большинстве случаев находится в немагнитной среде - воздухе, воде. Следовательно, ч = 0, µ = 1, В = µ0Т. Отсюда видно, что силовую характеристику магнитного поля можно выражать как в единицах магнитной индукции, так и в единицах напряженности.

1.2 Магнитное поле Земли

Согласно теории Ампера, основное магнитное поле (главное поле) создается электрическими токами, протекающими в жидкой оболочке внутреннего ядра Земли. Современные теории геомагнетизма исходят из предположения, что геомагнитное поле создается и поддерживается за счет так называемого динамо-механизма.

Считается, что создание магнитного поля в ядре Земли происходит так же, как и в динамо-машине с самовозбуждением. Принцип работы машины следующий.

Пусть катушка проводов вращается во внешнем магнитном поле. За счет электромагнитной индукции в катушке возникает электрический ток, который создаст магнитное поле. Это магнитное поле может усилить внешнее магнитное поле, что, в свою очередь, усилит ток в катушке и т. д. На этом принципе , (СССР) и В. Эльзассером (США) в середине 40-х гг. была предложена гипотеза «гидромагнитного динамо». Согласно этой гипотезе, реальное магнитное поле Земли создается при магнитогидродинамических течениях в земном ядре.

Жидкая оболочка ядра Земли совсем не похоже на реальную динамо-машину. Однако если в жидком проводящем ядре по каким-либо причинам возникает тепловая или гравитационная конвекция, то образуется некоторая система гидродинамических течений. В принципе конвекция может быть обусловлена различной угловой скоростью твердой и жидкой частей земного ядра. При высокой проводимости вещества и его сложных перемещениях появляются токи индукционной природы.

Эти электрические токи создают вторичные магнитные поля. При вращении Земли и наличии слабого межпланетного магнитного поля происходит усиление электрических токов за счет наложения магнитных полей. Это, в свою очередь, приведет к усилению результирующего магнитного поля и т. д. Процесс будет повторяться до тех пор, пока не возникнет стационарное магнитное поле, и различные динамические процессы не уравновесят друг друга. Таков в общих чертах механизм образования главного магнитного поля Земли.