4.3. Особые случаи поляризации минералов и пород

и механических напряжений. Так, нагрузив монокристалл кварца, получают разноименные заряды на его противоположных гранях. Этот эффект обратим: приложение к кварцу электрического поля вызывает деформацию кристалла, которая значительно больше, чем при электрострикции. Пьезоэффект, в отличие от электро­ стрикции, зависит от направления поля. Поэтому, приложив к граням кристалла переменные электрические поля, можно вы­ звать вибрацию кристалла.

Амплитуда колебаний кристалла бывает наиболее значительной в случае, когда частота поля соответствует резонансной частоте кристалла.

Известно более 1200 соединений, которым в той или иной сте­ пени присущи пьезоэлектрические свойства. Пьезоэффект изучен более чем в 400 минералах, в том числе в кварце, турмалине, цин­ ковой обманке, бораците, сфалерите и нефелине.

М. П. Воларович и Э. И. Пархоменко открыли явление пьезо­ эффекта в горных породах, содержащих, минералы-пьезоэлект­ рики^- в гранитах, гнейсах, кварцитах, жильном кварце, нефедейЪвых породах и т. д.

Величина поляризации Р э пьезоэлектрика прямо пропорцио­ нальна механическим напряжениям о:

(4.25)

где £ — коэффициент, характеризующий пьезоэлектрический эф­ фект породы и называемый п ь е з о э л е к т р и ч е с к и м м о ­ д у л е м .

Для характеристики пьезоэффекта пород пользуются отноше­ нием иьезомодуля породы к величине £ монокристалла кварца. Так, наиболее сильным пьезоэффектом обладает жильный кварц (10% от модуля монокристалла): у кварцитов пьезомодуль со­ ставляет 1%, у гнейсов и гранитов 0,2—0,5%.

Десять кристаллографических классов из числа пьезоэлектри­ ков имеют особенныо оси, в положительном и отрицательном направлениях которых свойства кристаллов различны. Эти кри­

один его конец заряжается положительно, другой — отрицательно. Охлаждение кристалла ведет к изменению знака заряда. Появле­ ние зарядов на поверхности пироэлектрика связано с дополни­ тельным смещением диполей вдоль электрической оси под

воздействием температуры. Пироэффект обратим: в электрических

У некоторых пироэлектриков направление самопроизвольной поляризации можно изменить, воздействуя на них внешним элек­

и моноклинной сингоний, например пирохлор, колемапит, бора­ цит, пиролюзит и др.

Так как сегнетоэлектрики спонтанно поляризованы, даже при ничтожно малой напряженности поля поляризация их значитель­ на. Поэтому они обладают исключительно большой диэлектриче­ ской проницаемостью (20 000 и более), которая сильно зависит от температуры и имеет аномальные значения в определенных температурных интервалах. Существует температура, выше кото­

точке происходит перестройка кристаллической решетки, называе­ мая фазовым переходом.

В настоящее время особые электрические явления (например, пьезоэффект) используют для получения информации о горных породах, например в геофизических методах разведки полезных ископаемых.

Практически все минералы-диэлектрики и слабые полупровод­ ники способны поляризоваться при трении. Это явление назы­ вается т р и б о э л е к т р и ч е с т в о м .

Существует общая закономерность, согласно которой при тре­ нии двух диэлектриков друг о друга положительно заряженным становится диэлектрик с большей диэлектрической проницаемо­ стью. Это явление применяется в методах сепарации минералов.

4.4. Электропроводность

Перенос зарядов из одной точки проводника в другую, осуще­ ствляемый электронами и ионами, носит название электропровод­ ности. Векторный показатель, характеризующий количество эле­ ментарных зарядов, проходящих через единицу сечения провод­

где п — число заряженных частиц в единице объема; q — заряд частицы; v — средняя скорость направленного движения зарядов.

Так как v = иЕЭ1 где и — подвижность частиц, то

аэ, называется удельным элeктpocoпpoтивлeниeм^ рэ, измеряемым в омах на метр.

Подобно тому, как диэлектрическая проницаемость характе­ ризует электрические свойства диэлектриков, удельная электро­ проводность является электрическим параметром проводников. Горные породы в большинстве случаев входят в группу полупро­ водников, характеризующуюся свойствами как диэлектриков (ег <С

оо)7 так и проводников (породам присущи некоторые значения удельной электропроводности оэ >> 0).

Прохождение тока через горные породы может осуществляться с переносом вещества (ионная и ионно-электронная проводимость) и без переноса вещества (электронная и дырочная проводимость).

Ионный характер электропроводности имеют все аморфные минералы, галоидные соединения, нитраты,- сульфаты и т. д. Электронная проводимость характерна для окислов и сульфидов

вой теории объясняется различиями в энергетической схеме их кристаллов.

Свободным носителем тока может быть лишь электрон, удален­ ный от ядра атома на достаточно большое расстояние и находя­ щийся в зоне проводимости. Для того чтобы электрон мог попасть в зону проводимости, необходимо некоторое энергетическое воздей­ ствие на него. Величина такого воздействия зависит от ширины

У проводников (металлов) запрещенная зона отсутствует. При­ обретая под влиянием внешних факторов дополнительную кине­ тическую энергию, электроны легко переходят в зону проводи­ мости и становятся способными переносить заряды.

У полупроводников запрещенная зона Q3 имеет определенную ширину. Она выражается количеством энергии, которую необ­ ходимо затратить электрону для того, чтобы перейти в зону про­ водимости. Для полупроводников величина Q9 составляет 1,6 X X Ю"20 — 2*10“19 Дж. В этом случае электроны могут перейти в зону проводимости лишь под воздействием, превышающим величину Qэ (см. приложение 22).

В диэлектриках запрещенная зона имеет ширину, чаще всего превышающую работу, требуемую для отрыва иона от кристал­ лической решетки (до 13-10"10 Дж и более). Поэтому проводимость металлов и полупроводников — электронная, а проводимость диэлектриков — ионная.

Есть два основных различия полупроводников от проводни­ ков. Первое отличие состоит в том, что электропроводность про-

водников значительно выше, чем полупроводников, причем гра­ ничной считают электропроводность порядка 10 См/м. Второе от­ личие — возрастание электропроводности полупроводников с по­ вышением температуры (температурный коэффициент положите­ лен), в то время как электропроводность проводников при этом уменьшается (температурный коэффициент отрицателен).

Кроме того, наличие примесей в проводниках всегда снижает их электропроводность, а наличие примесей в диэлектриках по­ вышает их электропроводность. Эти различия указывают, что почти все минералы и горные породы относятся к классу провод­ ников с разной электропроводностью (см. приложение 21).

Главнейшие породообразующие минералы (слюда, галит, силь­ вин, кальцит, полевые шпаты, кварц) обладают низкой проводи­

обусловлен примесными ионами и атомами и лишь незначитель­ ная его часть — небольшим числом свободных электронов самого минерала. Примесная проводимость существенна также и для других минералов, так как ионы и электроны примесей оказы­ ваются наименее связанными в кристаллической решетке. По­ этому удельная электропроводность минералов не является строго постоянной величиной и изменяется в больших пределах.

Удельная электропроводность плотных мало пористых пород зависит от проводимости слагающих их минералов. Так, при прочих равных условиях, удельпая электропроводность породы находится в прямой зависимости о.т объемного содержания хо­ рошо проводящих минералов (рис. 4.7).

Если в породе Имеются рудные минералы, расположенные в виде прожилков или соединяющихся между собой в токопрово­ дящий канал зерен, то присутствие даже незначительного коли­ чества этих минералов резко повышает величину оэ пород. Это характерно для пород, содержащих пирит, халькопирит, пирро­ тин, которые имеют полосчатое расположение, в отличие, напри­ мер, от галенита, располагающегося изолированными включе­ ниями.

Исследования пород, содержащих включения другой формы (сферической, эллипсоидальной, игольчатой, дисковой, кубиче­ ской и т. д.), выявили сильное влияние формы включений на электропроводность пЪрод.

Пределы изменения величины оэ при изменении формы хорошо проводящих включений могут быть описаны уравнениями, вы­ веденными для удельной электропроводности слоистой породы

Первое из этих уравнений показывает влияние на электро­ проводность хорошо проводящих включений (или хорошо проводя­ щей матрицы), соединенных в цепочку, второе — влияние изо­ лированных хорошо проводящих включений.

Слоистость пород вызывает анизотропию электропроводности (см. приложение 23).

Коэффициент анизотропии электропроводности пород равен