地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(9)
七、交换能
由于量子机制,一些晶体具有铁磁性。在一些晶体中,相邻的电子轨道“互知”彼此的状态。为了避免两个相同的旋转状态共享一个轨道(泡利不相容原理),这些电子自旋按照一定方式排列。根据它们的相互作用状态,它们或者平行或者反向平行。磁交换能密度是自发磁化强度的源。
八、磁应力各向异性能
因为磁交换能强烈依赖于相邻原子间电子轨道的物理相互作用,改变这些原子的相互位置必然会影响到它们之间的相互作用关系。同样,改变晶体的携带的磁化强度也能够通过原子轨道的形状从而改变其晶体形状。这一现象叫做磁致伸缩(magnetostriction)。
还有一种重要的磁各向异性能的来源:形状。在理解为什么晶体形状能够控制磁能之前,我们需要了解被磁化了的晶体内部的退磁场。在晶体外部,产生了一个与磁矩正相关的外磁场。这个外磁场等效于由一系列分布在晶体表面上自由极子产生的磁场。这些面极子不但产生外磁场,而且在晶体内部也一样产生磁场这种内部的磁场叫做退磁场。
九、磁畴的基本理论
到此为止我们讨论了均匀磁化的磁性颗粒。我们注意到有一个与磁性颗粒产生的外场相关的能量。这个自发能(self energy)密度。具有强磁化强度的颗粒(如磁铁矿)其自发能随着体积增大能够迅速增大。事实上,在某些非常小的颗粒中,这些电子自旋最终定向排列。这种颗粒被均匀磁化,并被称为单磁畴(single domain, SD)。在更大的颗粒中,自发能能够超越磁交换能和磁畴的晶体各向异性能,因此不存在单一磁化。
有很多机制都能够有效地减小自发能。数值方法(微磁方法)能够算出颗粒能量处于最小状态时内部磁化的分布形态。因此这种方法能够使我们深入了解颗粒内部的磁化强度状态。
十、动态平衡的概念
假设我们处在高于绝对零度的环境里,在原子尺度上一切事物都在运动,事物的状态因此而不停地改变。但是,在更大的尺度上一切似乎又固定不变。假想某一时刻,在一个场地上有好多羊,场地中间被栅栏分开,这些羊可以随意地越过栅栏到另一边去取食。如果栅栏两边的环境条件相同,随着时间的推移,栅栏两边羊的数目将趋向相同。如果栅栏的一边在下雨,那么更多的羊将会跳向阳光充足的另一边。渐渐地,有阳光一边的羊会更多些,这就是动态平衡的基本概念。
在零场条件下,一块具有单轴各向异性的磁铁将趋向于在两个“易”磁化方向被磁化。为了克服磁各向异性能,从一个易磁化方向转到另外一个,这块磁铁的内部热能必须大于各向异性能。所以,在一个特定的时间里,磁矩能够获得足够的热能来驱使电子克服能垒,从而磁化强度从一个易磁化方向而转到另一个。
十一、热剩磁
对应值为102~103秒的温度定义为阻挡温度(blocking temperature, Tb)。当温度等于或高于Tb,但是低于Tc时,颗粒具有超顺磁性质。当温度继续降低,驰豫时间增大,磁化强度便被有效地阻挡住,岩石也因此而获得了热剩磁(TRM)。
在火山熔岩流中,磁矩可以在不同的易磁化方向之间跳转,在统计意义上和外界磁场保持最小的一个角度。所以,超顺磁颗粒的均衡磁化强度并不完全和外界磁场趋于一致,而是有一个很小的偏差。当磁场很低的时候,比如地球磁场,这个一致的程度是外界磁场的线性函数。当磁场很高的时候,磁化强度趋于饱和。
当在外磁场中通过Tb冷却的时候,随机分布的磁性颗粒集合所获得的剩磁和外界磁场平行。热剩磁的强度和冷却时的外加磁场的强度线性相关(对地球磁场而言)。
十二、化学剩磁
岩石和沉积物中的磁性矿物在形成以后经常会因为环境的变化而发生变化。红层是一种常见的沉积相,因其含有在沉积后生成染色能力强的赤铁矿而呈现红色。赤铁矿是一种磁性矿物,它在低温生长时所携带的剩磁被称为颗粒生长型化学剩磁(grain growth chemical remanent magnetization, g-CRM)。
新生成的CRM和外界磁场的关系很复杂。它与先前的磁性矿物相关,又可能会强烈地受到外界磁场的影响,或者是受这些因素共同影响。下面首先是最简单的CRM,即g-CRM。
十三、碎屑剩磁
在沉积环境中,岩石被磁化的过程和火山岩中的热剩磁行为完全不同。实际上,在被沉积前,碎屑颗粒已经被磁化(主要为热剩磁),这和火山岩中晶体处于它们的居里温度点之上不同。磁性碎屑颗粒在水中沉积的时候会和外界磁场保持一致,于是能够保持一个碎屑剩磁(DRM)。但是,磁性颗粒在沉积后会由于生物扰动或其他扰动重新排列,称为沉积后剩磁(pDRM)。
文章来源:《地球与环境》 网址: http://www.dqyhjzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/340.html