- •1. Основные понятия предмета физики горных пород
- •2. Минералы
- •3. Горные породы
- •4. Пористость пород
- •5. Плотность пород
- •6. Трещиноватость пород
- •7. Содержание воды в породах
- •8. Методы изучения состава и строения пород
- •9. Физико-технические параметры пород
- •10. Влияние минерального состава и строения пород на их свойства
- •11. Влияние внешних факторов на физические свойства пород
- •12. Напряжения и деформации в горных породах
- •13. Понятие о диаграмме деформирования
- •14. Упругие свойства горных пород
- •15. Распространение упругих колебаний в породах
- •16. Акустические характеристики пород
- •17. Действие упругих колебаний на горные породы
- •18 Теории прочности твердых тел Теоретическая прочность идеального кристалла
- •19. Влияние дефектов и минерального состава на прочность пород
- •20. Пластические свойства пород
- •21. Теплопроводность пород
- •22. Основные понятия электродинамики
- •23. Поляризация пород
- •24. Электропроводность горных пород
- •25. Естественные электрические поля в породах
- •26. Магнитные свойства пород
24. Электропроводность горных пород
Прохождение тока через породы может осуществляться с переносом (ионная и ионно-электронная проводимость) и без переноса вещества (электронная и дырочная проводимость). Ионную проводимость имеют все аморфные минералы, галоидные соединения, нитраты, сульфаты и т. д. Электронная проводимость характерна для окислов и сульфидов большинства тяжелых металлов.
По величине электропроводности все вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Квантовая теория объясняет разную электропроводность веществ различиями в энергетической схеме кристаллов (рис. 67).
Свободным носителем тока может стать лишь электрон, удаленный от ядра атома на большое расстояние и 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 проводниках запрещенная зона отсутствует; электроны легко переходят в зону проводимости и становятся способными переносить заряды.
В полупроводниках запрещенная зона Q имеет определенную ширину, выражаемую количеством энергии, затрачиваемой электроном для того, чтобы перейти в зону проводимости. Для полупроводников Q доходит до 1—3 эв. При этом электроны могут перейти в зону проводимости, лишь приобретя энергию, превышающую величину Q.
В диэлектриках запрещенная зона имеет ширину, характеризующуюся работой, которая чаще всего превышает работу, требуемую на отрыв иона от узла кристаллической решетки (до 8 эв и более). Поэтому проводимость металлов и полупроводников — электронная, а проводимость диэлектриков — ионная.
Любые примеси в диэлектриках увеличивают их электропроводность, так как искажения кристаллической решетки облегчают отрыв от нее ионов. В полупроводниках, содержащих примеси, электропроводность также увеличивается. В этом случае растет концентрация электронов — носителей тока.
Повышение температуры уменьшает электропроводность проводников, так как возросшие тепловые колебания ионов решетки тормозят движение электронов. В диэлектриках происходит обратное явление. С повышением температуры подвижность ионов увеличивается, растет их кинетическая энергия и облегчается отрыв ионов от решетки, поэтому электропроводность диэлектрика возрастает.
В полупроводниках повышение температуры приводит к увеличению концентрации электронов и соответственно к росту электропроводности пород.
Причиной перехода электронов в зону проводимости может быть не только напряжение, но и любое другое энергетическое воздействие, например свет. Световой квант hf, возбудивший электрон в валентной зоне, может заставить его перейти запрещенную зону при условии Q < hf , где h — постоянная Планка.
Таким образом, есть два характерных отличительных признака полупроводников от проводников. Первый признак формальный — электропроводность проводников значительно выше, чем полупроводников, причем граничной считают электропроводность порядка 101/омм. Второй признак — возрастание электропроводности полупроводников с повышением температуры, в то время как электропроводность проводника уменьшается.
По этим признакам следует считать, что почти все минералы и горные породы относятся к классу полупроводников с различной электропроводностью.