27. 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. 27.1).

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.

Рис. 27.1. Энергетические схемы:

а – проводника; б – полупроводника; в – диэлектрика;

1 – валентная зона; 2 – зона проводимости; 3 – запрещенная зона

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 омм. 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.