礦物電學性質(zhì)(electricpropertiesofmineral)

礦物傳導(dǎo)電流的能力和在外界能量作用下表面荷電的各種現(xiàn)象。礦物的電學性質(zhì)有導(dǎo)電性、介電性、整流性、壓電性和熱電性(焦電性)等。礦物的各種電學性質(zhì)，直接關(guān)系到它們在冶金礦山、現(xiàn)代軍事工業(yè)及空間技術(shù)、日用產(chǎn)品等各個領(lǐng)域的應(yīng)用。

導(dǎo)電性礦物傳導(dǎo)電流的能力。礦物的導(dǎo)電性以電導(dǎo)率或電阻表示，在國際單位制(SI)中電導(dǎo)率的單位為s／m(西門子每米)，實際應(yīng)用中常以電導(dǎo)的倒數(shù)電阻Ω表示。物理學中將電導(dǎo)率大于10⁵S／m的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，小于10^-8的為非導(dǎo)體，介于二者之間的為半導(dǎo)體。在電選中與在物理學中有關(guān)導(dǎo)體礦物和非導(dǎo)體礦物的概念有很大的差別。在電選中規(guī)定，礦物的電阻是指礦物粒度d=1mm時所測定的歐姆值，電阻小于10⁶Ω者稱為導(dǎo)體礦物，電阻大于10⁷Ω者稱為非導(dǎo)體礦物，電阻為10⁶～10⁷Ω者為半導(dǎo)體礦物。礦物的導(dǎo)電性在很大程度上取決于其晶體結(jié)構(gòu)中化學鍵的類型，還與其原子或離子及化學鍵的空間分布有關(guān)。具有金屬鍵的金屬礦物，如自然金、自然銅等，它們的晶體結(jié)構(gòu)中有自由電子，導(dǎo)電性強。具有離子鍵和共價鍵的礦物，如自然硫、β閃鋅礦等，導(dǎo)電性弱或者不導(dǎo)電。礦物的導(dǎo)電性還受其雜質(zhì)含量、表面性質(zhì)及外界溫度等因素的影響，每種礦物的電阻數(shù)值在一個比較大的范圍內(nèi)變化。有的礦物的導(dǎo)電性還表現(xiàn)出各向異性，如赤鐵礦的導(dǎo)電性在垂直于晶體三次軸方向比平行三次軸方向的要大得多。礦物的導(dǎo)電性是礦物電選的重要參數(shù)。

整流性在靜電場中，當高壓電極帶正負不同電荷，且具有一定電位差時，一些帶有與高壓電極相反電荷的礦物顯示為導(dǎo)體的現(xiàn)象。當高壓電極帶負電時，能獲得正電荷的礦物稱為正整流性礦物，如方解石、鋯石等；高壓電極帶正電時，獲得負電荷的礦物稱負整流性礦物，如電氣石、石英等。在高壓靜電場中，無論電極所帶為正電還是負電，都能獲得電荷而顯示出導(dǎo)電性能的礦物稱為全整流性礦物，如磁鐵礦、鈦鐵礦等。礦物的整流性可以在靜電選礦設(shè)備上測定。在電選作業(yè)中，礦物整流性可作為選擇電選機正負高壓電極的依據(jù)。

介電常數(shù)又稱介電滲透率或電容率，用以表征不導(dǎo)電礦物(介電質(zhì))或?qū)щ娦詷O弱的礦物在外加電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷(被極化)的程度。礦粒中的電荷在電場作用下發(fā)生位移而產(chǎn)生偶極矩，稱為極化。礦物極化程度愈大，其介電常數(shù)也愈大。偶極矩P與電場強度E成正比，該比值α=P／E稱為極化率。從微觀上看，礦物極化率由電子極化率、離子極化率、轉(zhuǎn)向極化率、空間電荷極化率所組成。其中電子極化率是最重要的一種類型，在一般情況下，測定時所用交流電源頻率由小變大，礦物介電常數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)由大變小。礦物的介電常數(shù)愈大，表示其導(dǎo)電性愈好。礦物介電常數(shù)是衡量和判斷礦物能否采用電選法分選的重要參數(shù)。在選礦工藝中，通常把介電常數(shù)ε>12者視為導(dǎo)體。礦物介電常數(shù)(F／m)常用其電容C_m與真空電容C_o之比表示：

ε=C_m/C_o

真空電容為8．85×10^-12F／m。礦物介電常數(shù)常用的測定方法有平板電容法和介電液體法。前者為干法，只適合于大塊結(jié)晶的純礦物；后者為濕法，多用于碎屑顆粒狀的礦物。

平板電容法兩塊大小完全相等的平行金屬板(面積為A)之間(金屬板的尺寸要遠遠大于兩板間的距離d)的真空電容為

C_o=A/4πd

再于兩塊金屬板之間放入與金屬板尺寸相等的經(jīng)過磨光的待測礦物切片，在相同條件下測定該礦物的電容C_m，則礦物的介電常數(shù)ε_m為

ε_m=C_m/C_o

測定時可采用測電容的儀表或用差頻電容儀。電容的單位法[拉]太大，常采用皮[可]法(pF)表示，1pF=10^-12F。

介電液體法是一種比較法，原理是利用電極在介電液體中對待測礦物顆粒的吸引或排斥，以測定礦物的介電常數(shù)。此法手續(xù)雖然繁雜，但因比較準確而常用。測定前選擇一套已知介電常數(shù)的介電液體，如甘油、四氯化碳、甲醇等有機物。測定時，在容器中加入適量的介電液體，從容器上部的絕緣的蓋板孔洞中插入相距1mm的兩根細鋼針，并通以50或60Hz的單相交流電，將待測礦物顆粒放入容器的介電液體中，礦物介電常數(shù)高于介電液體者被帶電的細針吸引，低者則為帶電細針所排斥。不斷調(diào)整介電液體的介電常數(shù)，直到礦物顆粒既不為細針吸引又不被排斥為止，此時介電液體的介電常數(shù)即為礦物的介電常數(shù)。

壓電性某些電介質(zhì)晶體受定向壓力作用時，能激發(fā)出表面荷電的性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)是由于晶體受到應(yīng)力作用，引起晶格變形，其總的電偶極發(fā)生改變而引起的。一些礦物的定向壓電晶片受到壓力時，晶片的兩個側(cè)面出現(xiàn)數(shù)量相等、符號相反的電荷；若以張力代替壓力，則電荷符號相反。晶體中這種由于應(yīng)力作用而激發(fā)起表面荷電的效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)，單位面積內(nèi)所產(chǎn)生的電荷p由下式獲得：

p=dσ

式中σ為應(yīng)力；d為壓力系數(shù)，隨晶體的種類和應(yīng)力作用的方向而定。

定向晶片置于外電場中時，受電場作用晶體內(nèi)部的離子發(fā)生極化，電荷相對位移，導(dǎo)致晶體產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因而產(chǎn)生機械伸張或收縮，這種效應(yīng)稱為反壓電效應(yīng)，或叫電致伸縮。外電場為交變電場時，晶片隨電場方向的改變而產(chǎn)生同步交替伸縮，形成機械振蕩，其振蕩頻率與交變電場相同。具有壓電性的晶體不存在對稱中心，這一點可用以正確地確定晶體的對稱性。壓電效應(yīng)和壓電晶體在超聲波探測、無線電和雷達等技術(shù)中被廣泛利用。

熱電性某些電介質(zhì)礦物晶體受熱或冷卻時，能激發(fā)出表面荷電的性質(zhì)，又稱焦電性。如加熱電氣石，在晶體的三次軸(L³)的兩端出現(xiàn)數(shù)量相等符號相反的電荷。熱晶體冷卻時，晶體兩端產(chǎn)生的電荷與加熱時相反。這是因為礦物晶體受熱膨脹或冷卻收縮時，引起晶格中電荷的相對位移，這種位移如果導(dǎo)致晶體中總電矩的改變，即可激發(fā)起晶體表面荷電。礦物晶體的熱電性和礦物壓電性緊密相關(guān)，只有屬于異極對稱型的電介質(zhì)晶體才可能具有熱電性。因為只有當晶體中存在與單向(晶體中與任何其他方向均不對稱重復(fù)，亦即性質(zhì)均不相同的唯一方向)一致的極軸時，才有可能由熱膨脹引起晶體中離子極化所形成的電偶極的不對稱分布，使晶體中總電矩改變而產(chǎn)生熱電效應(yīng)。在其他互相對稱的方向上，由于具有相同的膨脹系數(shù)，離子極化所形成的電偶極也呈對稱分布，它們合成的總電矩等于零，而不顯示熱電性。礦物晶體的熱電效應(yīng)在紅外探測中得到廣泛應(yīng)用，也可用來幫助確定晶體的真實對稱性。