Особые электрические явления в породах и минералах

Существуют 32 кристаллографических класса минералов. Из них 11 классов имеют центр симметрии. Эти минералы обладают особыми электрическими свойствами.

Электрострикция. Порода под воздействием электрического поля деформирмируется. Причинами электрострикции являются, с одной стороны, давление на породу заряженных частиц, создающих поле и притягивающихся друг к другу, с другой – смещение ионов и электронов в породе, вызываемое полем.

Механические напряжения, возникающие в результате электрострикции, прямо пропорциональны квадрату напряженности электрического поля. При небольших напряжениях поля величина электрострикции незначительна.

Пьезоэффект. Кристаллы поляризуются приложением к ним механических напряжений. Так, нагрузив монокристалл кварца получают разноименные заряды на противоположных плоскостях. Этот эффект, в отличие от электрострикции, обратим: приложение к кварцу электрического поля вызывает деформацию кристалла (значительно большую, чем при электрострикции. Пьезоэффект, также в отличие от электрострикции, зависит от направления поля. Подача на плоскости кристалла переменных электрических полей приводит к его вибрации.

Известно более 1200 минералов, которым в той или иной степени присущи пьезоэлектрические свойства. Обнаруживают пьезоэффект также горные породы, содержащие минералы-пьезоэлектрики.

Величина поляризации пьезоэлектрика прямо пропорциональна механическим напряжениям. Наиболее сильным пьезоэффектом обладает жильный кварц.

Пироэлектрики. Десять кристаллографических классов из числа пьезоэлектриков имеют особенные оси, в положительном и отрицательном направлениях которых свойства кристаллов различны. Эти кристаллы спонтанно (самопроизвольно) поляризованы. Величина их поляризации зависит от температуры. При нагреве кристалла пироэлектрика один его конец заряжается положительно, другой – отрицательно. Охлаждение кристалла ведет к изменению знака заряда. Пироэффокт обратим: в электрических полях, направленных по электрической оси кристалла, происходит его нагрев, в противоположных полях – охлаждение.

Сегнетоэлектрики. У части пироэлектриков направление самопроизвольной поляризации можно изменить внешним электрическим полем. Эта группа минералов носит название сегнетоэлектриков.

Сегнетоэлектрики спонтанно поляризованы, даже при ничтожно малой напряженности поля величина их поляризации значительна. Они обладают большой диэлектрической проницаемостью (20 000 и более), которая сильно зависит от температуры и имеет аномальные значения в определенных температурных интервалах.

Трибоэлектрики. Практически все минералы – диэлектрики и слабые полупроводники способны поляризоваться при трении. Это явление называется трибоэлектричеством. Существует общая закономерность, согласно которой при трении двух диэлектриков друг о друга положительный заряд приобретает тот диэлектрик, у которого диэлектрическая проницаемость больше.

Диэлектрические потери

Горная порода, находящаяся в переменном электрическом поле, характеризуется – углом диэлектрических потерь θ. Тангенс угла θ равен отношению активной и реактивной составляющих тока.

Параметр θ характеризует ту часть электрической энергии, которая выделяется в горной породе в виде тепла. Выделившаяся при переменном напряжении в породе энергия может во много раз превысить энергию, выделяющуюся при постоянном напряжении. Потери энергии с увеличением частоты электрического поля возрастают.

Полная величина диэлектрических потерь является суммой двух составляющих – потерь, вызванных сквозным током проводимости (не зависящих от частоты), и релаксационных потерь, связанных с переориентацией диполей и другими явлениями.

Электропроводность

Электропроводность горных пород может осуществляться с переносом вещества (ионная и ионно-электронная проводимость) и без переноса вещества (электронная и дырочная проводимость).

По величине электропроводности все вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики (рис.7.1).

Рис. 7.1. Энергетические схемы:

а – проводника; б – полупроводника; в – диэлектрика;

1 – валентная зона; 2 – зона проводимости; 3 – запрещенная зона

Свободным носителем тока может стать лишь электрон, находящийся в зоне проводимости. Для того чтобы электрон мог попасть в зону проводимости, необходимо некоторое энергетическое воздействие на него. Величина этого воздействия зависит от ширины так называемой запрещенной зоны, отделяющей валентную зону обращения электронов от зоны проводимости.

В случае проводника запрещенная зона отсутствует. Электроны легко переходят в зону проводимости и становятся способными переносить заряды. В случае полупроводника запрещенная зонаимеет определенную ширину. Она выражается количеством энергии, которую необходимо затратить электрону для того, чтобы перейти в зону проводимости. В диэлектриках запрещенная зона имеет ширину превышающую работу вырывания иона из узла кристаллической решетки. Поэтому проводимость металлов и полупроводников – электронная, проводимость диэлектриков – ионная.

Примеси атомов в металле всегда снижают его электропроводность. Это явление объясняется искажением кристаллической решетки основного металла и рассеянием электронных волн.

Любые примеси в диэлектриках увеличивают их электропроводность, так как искажения кристаллической решетки облегчают вырывание из нее ионов.

В полупроводниках, содержащих примеси, электропроводность увеличивается. Растет концентрация электронов – носителей тока.

Повышение температуры уменьшает электропроводиость проводников, так как возросшие тепловые колебания ионов решетки тормозят движение электронов. В диэлектриках с повышением температуры подвижность ионов увеличивается, растет их кинетическая энергия и облегчается их вырывание из решетки. Поэтому электропроводность диэлектриков возрастает. В полупроводниках повышение температуры ведет к увеличению концентрации электронов и соответственно росту электропроводности.

Почти все минералы и горные породы относятся к классу полупроводников с различной электропроводностью.