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什么是矿物的电学特性

(1)导电性和介电性 矿物的导电性 (electric conductivity)是指矿物对电流的传导能力。它主要取决于化学键类型及内部能带结构特征。

半导体矿物的导电性主要受杂质元素的存在及晶格缺陷的影响,此外,还随温度而变化。当矿物受到温差变化影响时,在冷、热端点会产生热电动势(即温差电动势),称为热电效应(thermoelectric effect),通常以热电系数( α ,μV/℃)(thermoelectric coefficient)表示。半导体这种导电性称为热电性(或称温差电性,thermoelectricity)。对这些矿物热电效应的研究,将有助于了解矿床的成因、评价矿化,并且可指导找矿。

矿物的介电性(dielectricity)是指不导电的(即电介质的,dielectric)或导电性极弱的矿物在外电场中被极化产生感应电荷的性质,常通过测定其介电常数(即电容率,dielectric constant)来研究。

介电常数的大小主要取决于阴、阳离子的类型、半径、极化率及矿物的内部结构。硫化物和氧化物的介电常数较大。

矿物分选时,常可利用其介电性来分离电介质矿物,研究矿物的介电常数也有助于划分成矿阶段、判断矿床成因等。

(2)压电性和热释电性 压电性和热释电性均主要存在于无对称中心、具极轴(即在该轴两端无对称关系)的电介质晶体中。

矿物的压电性(piezoelectricity)是指某些电介质的单晶体,当受到定向压力或张力的作用时,能使晶体垂直于应力的两侧表面上分别带有等量的相反电荷的性质。若应力方向反转时,则两侧表面上的电荷易号。

晶体在机械应力的作用下,两端能产生最强电荷的方向称为电轴(piezoelectric axis)。电轴必须是晶体中的极轴。

晶体在机械压、张应力不断交替作用下,即可产生一个交变电场,这种效应称为压电效应(piezoelectric effect)。若将压电晶体置于一个交变电场中,则会引起晶体发生机械伸缩的效应,称为电致伸缩(electrostriction),或称反压电效应(converse piezoelectric effect)。当交变电场的频率和压电晶体本身机械振动的频率一致时,则将发生特别强烈的共振现象。

压电效应的本质是由于机械作用而引起电介质晶体的极化。晶体因应力作用而导致晶格变形,造成正、负电荷重心不再重合,受晶体对称性的制约,沿极轴的两端是不对称的,从而使总的电偶极矩不为0,引起晶体表面荷电。

由于无论在何种外界作用下,具有对称中心的晶体的总电矩永远为0,即此类晶体中不可能存在极轴,故无压电性。而只有20种无对称中心的晶类可能具有压电性。但是,点群432因对称性高,其所有压电系数皆为0,因此,也没有压电效应。

晶体的压电性具明显的异向性。例如,α-石英属于32点群,当沿晶体的极轴L (即石英晶体的电轴)方向施加应力时,在垂直该方向的两侧表面就会出现数量相等而符号相反的电荷。若沿L (非极轴)方向施加应力,则无电荷产生。

晶体的压电性具有重要的理论意义和经济价值,它不仅可以帮助正确地确定晶体的对称性,同时也广泛应用于无线电、雷达及超声波探测等现代技术和军事工业中,用于谐振片、滤波器和超声波发生器等。

矿物的热释电性(pyroelectricity)是指某些电介质晶体在加热或冷却时,其一定结晶学方向的两端的表面会产生相反电荷的性质。

实验证明,热释电效应源于晶体的自发极化。晶体由于温度变化热胀冷缩,导致晶格中的电荷相对位移,使晶体的总电矩发生变化,而导致晶体表面荷电。热释电晶体属于压电晶体中的一部分。热释电晶体可同时具有压电性,而压电晶体却不一定具有热释电性。机械应力作用于晶体,可以沿着一定的方向进行。

晶体受热时,会沿着各个方向同时膨胀,而且在相互对称的方向上具有相同的膨胀系数,其离子极化所形成的电偶极也是对称分布的,总电矩为0。因此,只有当晶体中存在唯一的极轴时,才有可能由膨胀而引起晶体的总电矩的改变。

可见,热释电性要求晶体具有单向极轴,即晶体中仅有唯一的极轴方向。故只有属于中、低级晶族的10种极性点群(其极轴是单向的,如1、2、m、mm2、3、3m、4、4mm、6和6mm点群)的电介质晶体才有可能具有热释电性。

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