7.2. 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.