fizika_gp

111

10.3 Оборудование, приборы, инструменты

1.Кварцевые дилатометры.

2.Термопары.

3.Милливольтметры пирометрические (для измерения температуры нагрева образцов).

4.Автотрансформаторы ЛАТР.

5.Индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 или

0,01 мм.

6.Микроскоп МПБ-2.

7.Штангенциркули.

8.Щипцы (для извлечения нагретых образцов из дилатометров).

1 – индикатор перемещений часового типа; 2 – подвижная трубка из плавленого кварца; 3 – образец породы; 4 – электрическая печь; 5 – неподвижная трубка из плавленого кварца; 6 – термопара; 7 – пирометрический вольтметр

Рис. 12.1 – Схема кварцевого дилатометра

10.4 Порядок выполнения работы

9. Описать исследуемый образец горной породы (по лабораторной работе № 1).

112

10.Измерить длину образца L0 с точностью до 0,1 мм.

11.Образец 3 поместить в электрическую печь 4, в задней стенке которой неподвижно закреплена трубка 5 из плавленого кварца. Образец плотно зажать между неподвижной трубкой 5 и подвижной трубкой 2 из плавленого кварца (линейное тепловое расширение плавленого кварца на два порядка ниже, чем у горных пород, поэтому он не оказывает существенного влияния на величину линейного теплового расширения породы). Трубка 2 связана

сизмерителем деформации – индикатором часового типа I, измеряющим удлинение образца с точностью до 0,001 или 0,01 мм.

12.В неподвижную трубку 5 вмонтирована термопара 6, которая соединена с пирометрическим милливольтметром 7. Со шкалы последнего снять показания температуры нагрева образца в электрической печи 4.

13.Установить индикатор часового типа 1, снять по нему начальный отсчет и записать в таблицу. При установке индикатора добиться тщательного контакта его ножки и торца подвижной трубки из плавленого кварца 2.

14.Проверить правильность сборки дилатометра и подключения термопары 6 к пирометрическому милливольтметру 7.

15.Замерить комнатную температуру T0.

16.Включить печь в цепь питания и при температуре

нагрева образца T1 = 40 ºС снять первое показание индикатора, т.е. удлинение образца в интервале нагрева T – T0. Повышение температуры в печи регулируется автотрансформатором ЛАТР.

17.Все последующие значения L снять через 40 ºС до температуры 600 ºС. Контрольную температуру с помощью автотрансформатора выдерживать в течение 2–3 минут и отсчеты с индикатора снимать только по истечении этого времени.

18.После окончания опытов отключить печь от электрической сети.

10.5 Обработка результатов эксперимента, составление отчёта

1. Исходные данные и результаты вычислений записать в таблицу 12.1.

113

2. Рассчитать коэффициент линейного теплового расширения образца по формуле (9.1) в каждом i-м интервале нагрева. В расчетах принять начальную длину образца в каждом i-м интервале нагрева равной конечной длине образца в предыдущем температурном интервале (Li = Li – 1 + Li).

3. По результатам эксперимента построить график зависимости коэффициента линейного теплового расширения породы от температуры α = f (T).

Таблица 12.1 – Результаты измерений и вычислений коэффициента линейного теплового расширения

4. Сделать краткие выводы по результатам лабораторной работы.

10.6 Вопросы для самопроверки

1.Объясните механизм теплового расширения твердых тел.

2.Какими параметрами характеризуется тепловое расширение горной породы?

3.В каких пределах изменяется коэффициент линейного теплового расширения пород?

4.Перечислите основные внешние и внутренние факторы, влияющие на тепловое расширение пород.

5.Объясните причины возникновения в породах термонапряжений.

114

6.Что понимают под коэффициентом линейного и коэффициентом объемного теплового расширения горных пород?

7.Поясните принцип термического бурения пород.

8.Какие приборы использовали в лабораторной работе для определения коэффициента линейного теплового расширения пород?

9.Охарактеризуйте влияние пористости на коэффициент теплового линейного расширения горных пород.

10.Объясните, как влияет повышение температуры на коэффициент линейного теплового расширения горных пород.

11.Проанализируйте влияние минерального состава породы на ее тепловое расширение.

12.Поясните влияние слоистости на термическое разрушение пород.

13.Объясните, как выбирают температуру нагрева при термическом разрушении горных пород.

14.Приведите примеры упрочнения горных пород термическими способами.

115

Лабораторная работа № 13

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

11.1 Цель работы

Определение магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости горных пород.

11.2 Теоретические основы работы

Магнитные свойства горных пород широко используют при разведке железорудных месторождений, обогащении магнитных руд, разрушении ферромагнитных горных пород, оценке напряженного состояния массивов и целиков на железорудных горных предприятиях. Их применяют также для контроля вещественного состава и влажности магнитных руд.

Магнитные свойства горных пород оказывают большое влияние на распространение в них электромагнитных волн.

Магнитное поле характеризуется напряженностью и индукцией, которые связаны между собой соотношением

где В – магнитная индукция (величина векторная, характеризующая интенсивность магнитного поля в веществе), Тл;

μ0 – магнитная постоянная, равная 4π · 10–7, Гн/м (для ваку-

ума);

μ – относительная магнитная проницаемость вещества;

H – напряженность магнитного поля (величина векторная, характеризующая интенсивность магнитного поля в вакууме),

А/м.

Основными параметрами (характеристиками) магнитных свойств горных пород (веществ) являются магнитная проницаемость μ и магнитная восприимчивость Н пород.

Магнитная проницаемость μ вещества равна

116

где В – магнитная индукция поля в веществе; В0 – магнитная индукция поля в вакууме.

Следовательно, относительная магнитная проницаемость μ показывает, во сколько раз магнитная индукция В поля в веществе больше, чем магнитная индукция В0 этого же поля в вакууме (для вакуума μ = 1).

Все горные породы и минералы обладают в той или иной степени магнитными свойствами, т.е. они являются магнетиками. При внесении во внешнее магнитное поле они намагничиваются и приобретают магнитный момент М, последний, в свою очередь, обусловлен наличием в породе элементарных магнитных моментов mi.

Мерой намагничивания породы (вещества) служит намагниченность J, которая представляет собой сумму магнитных моментов mi в единице объема V:

n

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

Следовательно, магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость связаны соотношением

117

По магнитным свойствам минералы и горные породы делят на диамагнитные (диамагнетики), парамагнитные (парамагнетики) и ферромагнитные (ферромагнетики).

Диамагнитными называют горные породы, у которых при отсутствии внешнего магнитного поля (Н = 0) магнитный момент атомов и молекул равен нулю. Магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы, т.е. μ < 1.

Парамагнитными называют горные породы, атомы которых обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего магнитного поля. Магнитная проницаемость парамагнитных горных пород (веществ) μ ≥ 1, Н > 0.

Ферромагнитными называют горные породы, у которых целые объемы (домены) обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, у них μ >> 1,0; Н > 0.

Магнитная проницаемость диамагнитных минералов и пород находится в пределах μ = 0,999836÷1,0; парамагнитных

μ = 1,0÷1,0064; ферромагнитных μ = 1,0064÷6,5 (см. Прил. З).

Магнитные свойства горных пород зависят от их минерального состава (содержания ферромагнитных минералов), формы, размеров и взаимного расположения зерен, температуры, напряженности и частоты магнитного поля и других факторов.

При измерении магнитной восприимчивости ее истинные значения можно получить только на образцах кольцевой формы. Однако изготовление их из горных пород связано с техническими трудностями, поэтому на практике исследуют образцы цилиндрической или призматической формы. У таких образцов проявляется анизотропия магнитных свойств, определяемая их формой. Анизотропию объясняют действием размагничивающего поля, наведенного в образце.

С учетом влияния размагничивающего поля интенсивность намагничивания J образца определяют по формуле

где Н – магнитная восприимчивость; n – коэффициент размагничивания;

119

Прибор ИМВ-2 имеет пять пределов измерений. Шкала прибора имеет 100 делений и градуирована в значениях Н'. Прибор состоит из основного корпуса с измерительной панелью и датчика, которые соединены между собой экранированным кабелем. На лицевой панели корпуса имеются ручки управления и микроамперметр на 100 мА.

Датчик (мост и приемная катушка) помещен в пластмассовом разъемном корпусе, куда вмонтированы два построечных винта для точной балансировки магнитометра специальным торцевым ключом. Датчик находится в корпусе прибора. Прибор питается от трех круглых элементов типа «Сатурн» или «Марс».

Измерение магнитной восприимчивости прибором ИМВ-2 производят по принципу замыкания кольцевого сердечника магнитной катушки 1 образцом 2 горной породы (см. рис. 13.2). Однако при этом измеряется не истинная магнитная восприимчивость образца Н, а кажущаяся Н .

При работе с прибором ИМВ-2 не следует иметь при себе металлические предметы, вносящие погрешность в показания прибора при измерении (часы, ключи, монеты и др.).

1 – кольцевой сердечник магнитной катушки;

2 – образец горной породы

Рис. 13.2 – Схема действия прибора ИМВ-2