title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Электрические свойства минералов

Электрические свойства минералов

Электрические свойства минералов, т. е. их способность проводить электричество определяются электрическими свойствами слагающих минералы атомов и их электрической структурой (электронное строение атомов, их расположение и взаимодействие).
Электрические свойства минералов принято выражать через удельное электрическое сопротивление (Q), выражаемое в омсантиметрах. Его можно определить при помощи двух основных методов.
По первому методу вначале измеряют мостиком Уитсона электрическое сопротивление (R) минерала, помещенного в цепь мостика. Электрическое сопротивление может быть определено также непосредственно при пропускании через образец тока и измерении его силы (I) и прилагаемого напряжения (V) по формуле:

Удельное сопротивление находят по формуле:

где S — площадь поперечного сечения образца (образцу обязательно должна быть придана правильная геометрическая форма);
L — его длина.
По второму методу на образце минерала измеряют разность потенциалов (AU) потенциометром при пропускании через минерал тока. Удельное электрическое сопротивление в этом случае находят по формуле:

где К — коэффициент установки, определяемый расстоянием между электродами А и В, через которые пропускается ток, и электродами M и N, служащими для измерения разности потенциалов. Он устанавливается по формуле:

где AM, AN, MN — расстояния между электродами, выраженные в сантиметрах, п = 3,14.
Для минералов проведено сравнительно мало определений электропроводности, но имеющиеся данные свидетельствуют об изменении ее в очень широких пределах. Так, электропроводность лучших проводников более чем в 10в24 превышает электропроводность лучших изоляторов. Исследования показали зависимость удельного электрического сопротивления многих минералов от кристаллографических направлений, температуры и состава минералов, в частности от наличия в них примесей. Так, у кварца (при температуре 17,2° С) параллельно оси с она равна 2*10в14 ом/см, а перпендикулярно оси с — 2*10в16 ом/см.
При разных температурах для кварца параллельно оси с удельное сопротивление испытывает такие изменения:

Величина удельного электрического сопротивления колеблется даже для одного и того же минерала, причем это наблюдается чаще у минералов — непроводников и в значительной степени связано с примесями. Так, например, светлые разности касситерита (SnO2) являются непроводниками, а темноокрашенные — обнаруживают хорошую проводимость.
Разница между минералами проводниками и непроводниками определяется особенностями их электрической структуры, которую можно объяснить зонной теорией кристаллов.
Согласно зонной теории кристаллов проводниками будут минералы, имеющие зоны проводимости, т. е. зоны, в которых атомы имеют свободные или частично заполненные энергетические уровни, а непроводниками, — имеющие заполненные зоны. В заполненных зонах электрический ток не может переноситься электронами. Однако следует иметь в виду, что в любом минерале существуют заполненные зоны и, по крайней мере, одна зона проводимости. Следовательно, приведенный критерий нуждается в дополнении. Поправку вносит ширина запрещенной зоны, разделяющей заполненную зону и зону проводимости. В проводниковых минералах эти зоны перекрываются, а в непроводниковых расходятся с шириной запрещенной зоны (для сильвина, например, расхождение равно ~10 эв, а для алмаза 7 эв). Это почти исключает при обычных условиях переход электронов с заполненной зоны в зону проводимости.
По величине удельного электрического сопротивления все минералы можно разделить на проводники, диэлектрики и полупроводники. Схема их электрической структуры приведена на рис. 60.

К проводникам, как отмечалось выше, относятся минералы, имеющие зоны проводимости, обеспечивающие свободное перемещение электронов. Концентрация электронов в проводниках строго постоянна и не зависит от внешних факторов. Проводниковые минералы характеризуются наибольшей электропроводностью, колеблющейся от 10в4 до 10в6 ом/см (для самородной меди она, например, равна 6*10в5 ом/см).
Диэлектрики — минералы с очень малой удельной электропроводностью, лежащей ниже 10в-10 ом/см (для кварца и янтаря, например, при 0° С она близка к 10в-19 ом/см). К диэлектрикам принадлежит большинство минералов. Они характеризуются наличием заполненных зон и очень большой шириной запрещенной зоны, отделяющей заполненную зону от проводниковой .
В хороших изоляторах ширина запрещенной зоны составляет много вольт.
Некоторые минералы-диэлектрики можно наэлектризовать путем трения, облучения или других операций. Так, сера, эвклаз (BeAl(OH)[SiО4], янтарь электризуются при трении о шерстяную материю или кожу.
Для минералов диэлектриков одной из важных физических констант является диэлектрическая проницаемость (е). Она может быть определена измерением емкости пустого конденсатора (с) и конденсатора, наполненного минералом (c1), диэлектрическую проницаемость которого определяют:

Диэлектрическая проницаемость воздуха принимается за единицу. Для большинства минералов она лежит в пределах от 4 до 10; ниже 4 и выше 10 встречается редко.
Наблюдения показали, что различные минералы имеют близкие диэлектрические константы, но они могут быть разными для одного и того же минерала из разных месторождений (например, для циркона — Zr[SiO4] е колеблется от 3,6 до 5,2; для берилла — Be3Al2[Si6O18] от 3,9 до 7,7).
В настоящее время для определения диэлектрической проницаемости обычно пользуются методом Больцмана—Биллитцера. Измельченный минерал помещается в жидкий диэлектрик с определенной диэлектрической проницаемостью и с помощью игл-электродов следят за его поведением в переменном электрическом поде. Зная е среды, в которой минерал от электродов отталкивается, и е среды, в которой он притягивается, е минерала определяется как среднее арифметическое.
Полупроводники — минералы, занимающие по удельной электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их удельная электропроводность лежит в пределах от 10в4 до 10в-10 ом/см (для куприта — Cu2O она колеблется от 10в-2 до 10в-8, а для тиманита HgSe равна 3*10в3).
Для полупроводниковых минералов характерна узкая запрещенная зона, позволяющая электронам легко переходить с заполненной зоны в зону проводимости под влиянием энергетических воздействий: тепловых, световых, ядерных и др.
Из сказанного выше видно, что разница между минералами-диэлектриками и минералами-полупроводниками условная, так как при энергетических воздействиях, главным образом при нагревании, диэлектрики могут стать полупроводниками. В свою очередь полупроводники при значительном охлаждении могут стать диэлектриками. Возбужденным в зоне проводимости электронам отвечают дырки в зоне заполнения, представляющие вакантное электронное состояние и наряду с электронами осуществляющие проводимость.
Среди полупроводников различают собственные и примесные. Проводимость собственных полупроводников обусловлена их химически чистым составом, а примесных — наличием примесей.
К главным минералам, обладающим полупроводниковыми свойствами, относятся некоторые сульфиды, селениды, теллур иды и окислы. Среди них мы почти не встречаем собственной проводимости в чистом виде.
В некоторых полупроводниковых минералах наблюдаются домены, имеющие определенные электрические моменты, ориентированные в разные стороны. Во внешнем элетрическом поле все электрические моменты доменов приобретают его ориентировку. Поле, созданное доменами, складываясь с внешним полем, дает результирующее поле, напряженность которого может в десятки тысяч раз превышать напряженность внешнего поля. Такое соотношение является результатом спонтанной (самопроизвольной) поляризации доменов. Впервые подобные явления наблюдались на кристаллах сегнетовой соли (NaKC4H4O6*4Н2О), поэтому они получили название сегнетоэлектрических. Ниже температуры Кюри сегнетоэлектрики являются также пьезоэлектриками (от греч. пьезо — давлю) — кристаллами, электролизующимися при сжатии или растяжении и, наоборот, растягивающимися и сжимающимися при электризации. Следовательно, при помощи пьезоэлектриков механическая энергия превращается в электрическую и наоборот.
Пьезоэлектризация различна для разных минералов и наиболее изучена для турмалина — Na(Mg, Fe, Mn, Li, Аl)3Аl6(ВО3)3(ОН, F)4[Si6О18] и кварца. Если из кристалла кварца (кварц кристаллизуется в тригональной сингонии с элементами симметрии L33L2) вырезать прямоугольный параллелепипед так, чтобы одна пара граней была перпендикулярна к L3, а другая пара — к одной из L2, то при сжатии и растяжении пластинки в направлении, параллельном L2 или перпендикулярном L2 и L3 на гранях, нормальных к L3, появляется электрический заряд. При сообщении граням, нормальным к L2, противоположных электрических зарядов пластинка получит способность сжиматься или расширяться в зависимости от знака потенциалов. Такие пластинки получили название пьезокварцевых. Они широко применяются в радиотехнике в качестве стабилизаторов радиоволн, резонаторов и т. д. Пьезокварцевая пластинка, включенная в колебательный контур радиоустановки, приводит период колебаний этого контура в соответствие со своим собственным периодом колебаний. Это позволяет радиоаппаратуру принимать и посылать волны строго определенной длины.
Пьезоэлектрические свойства проявляются в кристаллах минералов, лишенных центра симметрии, т. е. в 20 из 32, так как только в них механические воздействия могут привести к взаимному смещению центров тяжести положительных и отрицательных зарядов и возникновению дипольных моментов (к дополнительной поляризации). Эти свойства проявляются и у некоторых кристаллов минералов, обладающих смешанными ионноковалентными связями (например, у сфалерита — ZnS).
С пьезоэлектризацией связаны пироэлектрические (от греч. пирос — огонь) свойства. Сущность этих свойств состоит в появлении электрических зарядов в результате увеличения объема кристаллов при нагревании.
Теоретически пироэлектрическими свойствами могут обладать все кристаллы, содержащие одну главную полярную ось симметрии, т. е. кристаллы, относящиеся к гемиморфным классам, но иногда они наблюдаются и у других классов с несколькими полярными осями, например у борацита — (Mg, Fe)3О, Cl[B3B4O]2), кристаллизующегося в классе L22P ромбической сингонии.
Пироэлектричество раньше всего было обнаружено и изучено у турмалина. Этот минерал кристаллизуется в тригональной сингонии с симметрией L33P. Благодаря отсутствию у турмалина центра симметрии и горизонтальных осей симметрии свойства его на разных концах вертикальной оси разные. В частности, при нагревании и охлаждении на них появляются электрические заряды разных знаков. Так, при нагревании один конец кристалла заряжается положительно, а другой отрицательно. Если эти заряды снять и держать температуру постоянной (хотя и повышенной), то новой электризации не наступит. При охлаждении кристалл снова электризуется, причем знаки зарядов оказываются обратными.
Характеристика минералов по их электрическим свойствам показывает, что наибольшей электропроводностью обладают минералы с металлической связью. Минералы с ковалентной связью являются часто полупроводниками, а с ионной — по преимуществу диэлектриками.
Важная роль в возникновении электропроводности принадлежит дефектным структурам, что отмечалось выше, в которых создаются благоприятные условия для свободного передвижения электронов. В минералах с дефектными структурами возникает аномально высокая электропроводность.
На электрических свойствах минералов основано разделение их при помощи электростатических сепараторов, а также электроразведка минеральных тел.
На различии диэлектрической проницаемости минералов основана диэлектрическая сепарация, позволяющая разделять минералы близкой плотности (например, кальцит — Са[СO3] с плотностью 2,6—2,8 и доломит — CaMglCO3]2 с плотностью 2,8—2,9, кварц с плотностью 2,6—2,8 и каолинит — Al4(OH)8[Si4O10] с плотностью 2,58—2,60 и т.д.).
Для некоторых минералов, например пирита — Fe[S2] и галенита — PbS, установлена зависимость между электропроводностью (и термоэлектрическим потенциалом) и температурой их образования, что позволяет использовать эти минералы в качестве минералогических термометров.

title-icon Подобные новости