Ηλεκτρικές ιδιότητες

Τα ορυκτά με βάση την ηλεκτρική αγωγιμότητά τους διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες αγωγούς, ημιαγωγούς και μη αγωγούς.

Οι χημικοί δεσμοί καθορίζουν σε μεγάλο ποσοστό τις ηλεκτρικές ιδιότητες των ορυκτών. Έτσι, ορυκτά με καθαρά μεταλλικό δεσμό, τα οποία έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια στη δομή τους, είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. π.χ. τα φυσικά μέταλλα και μερικά σουλφίδια. Ορυκτά με ιοντικό και ομοιοπολικό δεσμό είναι μη αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος ή ημιαγωγοί.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός ορυκτού εξαρτάται και από τις κρυσταλλογραφικές κατευθύνσεις. Στον αιματίτη (Fe2O3) και το γραφίτη (C) π.χ. η αγωγιμότητα είναι κατά πολύ μεγαλύτερη κάθετα στον κύριο άξονα απ' ότι παράλληλα σ' αυτόν.
  
Πιεζοηλεκτρισμός
Ορυκτά μη αγώγιμα και με κρυστάλλους χωρίς κέντρο συμμετρίας ή με πολικούς άξονες μπορεί να ηλεκτρισθούν με την επίδραση κατευθυνόμενης πιέσεως. Το φαινόμενο καλείται πιεζοηλεκτρισμός.

Υπάρχουν ορυκτά τα οποία εμφανίζουν το φαινόμενο αυτό πολύ έντονα, π.χ. ο χαλαζίας. Επειδή το μέγιστο των ηλεκτρικών φορτίων εμφανίζεται στα άκρα του πολικού άξονα, τα πλακίδια χαλαζία αποκόπτονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να παρουσιάζουν δύο επιφάνειές τους κάθετα προς ένα από τους πολικούς άξονες αυτού (3L2 πολ.). Με πίεση παράλληλα προς τον πολικό άξονα του πλακιδίου εμφανίζονται αντίθετα ηλεκτρικά φορτία στις έδρες που βρίσκονται στα άκρα του. Αν η πίεση μεταβληθεί σε έλξη τότε επέρχεται αλλαγή του σημείου των ηλεκτρικών φορτίων. Με σκοπό να πετύχουμε παρατηρήσεις αλλά και μετρήσεις οι δύο επιφάνειες στις οποίες καταλήγουν τα άκρα του πολικού άξονα καλύπτονται με δύο μεταλλικά ελάσματα που έρχονται σε στενή επαφή με αυτά τα οποία χρησιμεύουν ως ηλεκτρόδια και συνδέονται με ένα ηλεκτρόμετρο (Σχήμα 1).
 
 
 
Σχήμα 1. Θέση τομών πιεζοηλεκτρικών πλακιδίων στο χαλαζία.
  
Έχει βρεθεί ότι για μια ορισμένη χωρητικότητα του ηλεκτρομέτρου και του πλακιδίου και ορισμένη πίεση η διαφορά δυναμικού σε πλακίδια από τουρμαλίνη είναι 1,65 volts, για πλακίδια από χαλαζία 1,9 volts ενώ για πλακίδια από κρυστάλλους τρυγικού καλιονατρίου (άλας του Seignette) NaKC4H4O6·2H2O το φαινόμενο είναι κατά χίλιες περίπου φορές πιο έντονο από εκείνο του χαλαζία.

Το φαινόμενο, που αναφέρθηκε ιδιαίτερα στο χαλαζία, οφείλεται στην ελικοειδή διάταξη των τετραεδρικών ομάδων SiO4 γύρω από τον άξονα Λ3 (Σχήμα 2).
 
 
 
Σχήμα 2. Διάταξη ατόμων πυριτίου και οξυγόνου στο χαλαζία παράλληλα στον κύριο άξονα (Λ3).
  
Σε ομαλές συνθήκες διατηρούν το σύνολο των φορτίων τους σε ισορροπία (Σχήμα 3α). Όταν όμως ασκηθεί πίεση παράλληλα ή κάθετα στον πολικό άξονα, παραμορφώνεται η αμοιβαία διάταξη των ιόντων από τα οποία μερικά θετικά και αρνητικά ιόντα κινούνται προς αντίθετες επιφάνειες οπότε φορτίζουν αυτές με αντίθετα φορτία. Παράλληλα η κίνησή τους παράγει ηλεκτρικό ρεύμα (Σχήμα 3β, 3γ). Όταν η πίεση σταματήσει τα ιόντα επιστρέφουν στις αρχικές τους θέσεις και παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα με αντίθετη διεύθυνση.

Το φαινόμενο αυτό είναι αντιστρεπτό δηλαδή αν φορτίσουμε τα άκρα των πολικών αξόνων με ίσα και αντίθετα ηλεκτρικά φορτία το πλακίδιο υφίσταται ανάλογα συστολή και διαστολή. Εφαρμογή του φαινομένου αυτού αποτελούν τα λεπτά πλακίδια χαλαζία των ψηφιακών και των ηλεκτρονικών ωρολογίων που φέρονται στο εμπόριο με το όνομα ωρολόγια χαλαζία (quartz watches).
 
 
 
Σχήμα 3. Πιεζοηλεκτρικό πλακίδιο χαλαζία
α) με τα φορτία του σε ισορροπία, β) πιεσμένο παράλληλα στον πολικό άξονα και
γ) πιεσμένο κάθετα στον πολικό άξονα.
  
Πυροηλεκτρισμός
Το φαινόμενο του πυροηλεκτρισμού είναι ανάλογο με εκείνο του πιεζοηλεκτρισμού. Κρύσταλλοι με πολικούς άξονες όταν θερμανθούν υφίστανται διαστολή με αποτέλεσμα την εμφάνιση ηλεκτρικών φορτίων στις επιφάνειες που βρίσκονται στα άκρα του πολικού άξονα. Το φαινόμενο χαρακτηρίζεται ως πρωτογενής ή αληθής πυροηλεκτρισμός και εμφανίζεται σε κρυστάλλους με ένα μόνο πολικό άξονα όπως π.χ. ο τουρμαλίνης.

Η ηλέκτριση με θέρμανση των επιφανειών που βρίσκονται στα άκρα του πολικού άξονα διαπιστώνεται με τη μέθοδο του Kund. Μετά τη θέρμανση, ο κρύσταλλος επικαλύπτεται με ηλεκτρισμένο μείγμα σκόνης θείου (S) και μίνιου (Pb3O4), κόκκινο Pb-ούχο ορυκτό. Τα υλικά του μείγματος είναι ηλεκτρικά αντίθετα, αρνητικά το θείο, θετικά το μίνιο και διατάσσονται ανάλογα στις απέναντι από τον πολικό άξονα επιφάνειες, οπότε διαπιστώνεται όχι μόνο η ηλέκτριση αλλά και το είδος του φορτίου τους (Σχήμα 4).
 
 
 
Σχήμα 4. Πυροηλεκτρισμός στο ορυκτό τουρμαλίνης.
  
Με θέρμανση μπορεί ακόμη να προκληθούν πυροηλεκτρικά φαινόμενα και σε κρυστάλλους με τρεις πολικούς άξονες όπως ο χαλαζίας. Η δημιουργία των φορτίων αυτών καλείται δευτερογενής πυροηλεκτρική πόλωση.