Elektrické a magnetické vlastnosti minerálů

Elektrické a magnetické vlastnosti krystalů patří z praktického hlediska (vyhledávání, těžba, úprava a využití nerostných surovin i výroba a využití syntetických materiálů) k nejdůležitějším. Elektrické vlastnosti krystalů jsou dány vzájemnou interakcí elektricky nabitých částic v krystalech a v okolí, magnetické vlastnosti vyplývají ze silových účinků magnetického pole na magnetické momenty stavebních částic krystalu.

Elektrické a magnetické jevy nejsou ve skutečnosti od sebe odděleny – magnetické děje jsou vždy doprovázeny elektrickými a naopak. Elektrické a magnetické pole jsou pouze dílčími složkami jednostného elektromagnetického pole, jehož prostřednictvím se uskutečňuje elektromagnetická interakce mezi částicemi hmoty.

Elektrická vodivost
Krystaly různých látek mají větší či menší schopnost vést elektrický proud. Podstatou elektrického proudu je paralelní pohyb elektricky nabitých částic (nositelů náboje) mezi dvěma póly. Mohou to být elektrony (elektronová vodivost) nebo ionty (iontová neboli elektrolytická vodivost). Pro pevné látky včetně krystalů je charakteristická elektronová vodivost. Iontová vodivost pevných látek je vzácná a je spojena s jejich chemickým rozkladem (pevné elektrolyty). O způsobu, jakým krystaly vedou elektrický proud, rozhoduje především počet volných elektronů v jejich struktuře. Tyto elektrony mají schopnost volně se pohybovat krystalem a vytvářet tak tzv. elektronový plyn. Pokud není krystal ovlivňován vnějším elektrickým polem, pohybují se jednotlivé elektrony chaoticky, takže výsledkem je rovnoměrné rozptýlení náboje v krystalu. Teprve vlivem vnějšího elektrického pole (resp. napětí mezi dvěma elektrickými póly) dojde k usměrnění elektronů a vzniká elektrický proud. Elektrická vodivost látek je obecně silně ovlivněna teplotou (při vyšší teplotě nastává větší tepelný pohyb atomů, jímž jsou volné elektrony brzděny a vodivost klesá) a defekty ve struktuře krystalu.

Krystaly s iontovou a kovalentní vazbou neobsahují prakticky žádné volné elektrony, proto elektrický proud nevedou. Nazýváme je nevodiče nebo izolátory (izolanty). Většina minerálů reprezentuje smíšené vazby mezi vazbou iontovou a kovalentní, proto jsou nevodivé nebo jen málo vodivé. Opačným příkladem jsou krystaly s kovovou vazbou. U kovů se většinou mohou volně pohybovat všechny valenční elektrony, takže atomy jsou jakoby “utopeny” v elektronovém plynu. Kovy proto velmi dobře vedou elektrický proud – jsou to vodiče.

Výjimkou mezi minerály je grafit, hexagonální modifikace uhlíku. Ač je uhlík typický nekov, vede grafit velmi dobře elektrický proud a má i jiné vlastnosti podobné kovům (např. vysoký lesk). Je to dáno strukturou grafitu: atomy uhlíku se váží kovalentními vazbami do vrstev vždy se třemi nejbližšími atomy. Vrstvy jsou spojeny van der Waalsovými vazbami. Atom uhlíku je ale čtyřvazný (má čtyři valenční elektrony). Čtvrtý, “nadbytečný” elektron má schopnost pohybovat se po uhlíkových vrstvách, takže se vytváří jakási obdoba elektronového plynu.

Elektrickou vodivost mezi těmito extrémy mají polovodiče. Počet volných elektronů ve strukturách polovodičů je proti kovům malý. K polovodičům patří prvky IV, V a VI skupiny periodické tabulky (v přírodě hl. arsen a antimon) a mnohé sulfidy a oxidy kovového či polokovového vzhledu.

Polární elektřina (piezoelektřina a pyroelektřina)
U krystalů nevodičů, které náleží do oddělení s polárními osami, lze vyvolat opačné elektrické náboje na opačných koncích polárních os (obr. 5.47). Lze toho dosáhnou mechanickým namáháním (ztlačením či tahem), nebo zahřátím. V prvním případě se jedná o piezoelektřinu, ve druhém o pyroelektřinu. V obou případech jde o důsledek struktury krystalu, přesněji o nepřítomnost středu symetrie ve struktuře. Atomy a ionty v takových krystalech jsou původně uspořádány tak, že celek je elektricky vyrovnaný. Při mechanickém namáhání, resp. zahřátí, se tato rovnováha poruší a vznikne polární elektřina (obr. 5.48). K piezoelektrickým minerálům patří např. nižší křemen, minerály ze skupiny turmalínu, sfalerit a halit. Pyroelektrický efekt lze nejlépe pozorovat na turmalínech.

Magnetické vlastnosti minerálů
Pohyb elektronů kolem jader atomů představuje v podstatě elektrický proud, který ve svém okolí vzbuzuje magnetické pole (elektromagnetická indukce). Každému elektronu v obalu atomu přísluší orbitální magnetický moment. Sám elektron má ještě spinový magnetický moment. Součtem obou je magnetický moment elektronu. Výsledný magnetický moment atomu je potom součtem magnetických momentů všech elektronů v elektronovém obalu. Magnetická látka obsahuje nesmírné množství těchto “atomových magnetů”. Před zmagnetizováním (mimo vnější magnetické pole) jsou magnetické momenty atomů uspořádány nahodile, a proto se jejich účinek navenek ruší. V magnetickém poli může dojít k uspořádání magnetických momentů atomů, magnetizaci. Výsledný magnetický moment je nenulový. Magnetické vlastnosti látek charakterizuje relativní magnetická permeabilita MI_r. Je to, zhruba řečeno, veličina, která charakterizuje “dokonalost” uspořádání magnetických momentů atomů při působení vnějšího magnetického pole. Podle chování látek v magnetickém poli (velikosti relativní permeability) rozlišujeme tři základní typy látek (obr. 5.49):

1. U diamagnetických látek nenastane ve vnějším magnetickém poli uspořádání magnetických momentů atomů. Diamagnetické látky mírně zeslabují vnější magnetické pole a jsou jím mírně odpuzovány. Relativní permeabilita diamagnetických látek je nepatrně menší než 1 (například u mědi MI_r = 0,999 990). K diamagnetickým minerálům patří např. stříbro, zlato, grafit, kalcit, aragonit, halit.

2. Paramagnetické látky vykazují ve vnějším magnetickém poli částečné uspořádání magnetických momentů atomů. K úplnému uspořádání, tzv. magnetickému nasycení, ovšem nedojde v důsledku tepelného pohybu atomů ani ve velmi silném magnetickém poli. Paramagnetické látky mají relativní permeabilitu MI nepatrně větší než 1 (např. u hliníku MI_r = 1,000 023). Mírně zesilují magnetické pole a jsou jím mírně přitahovány. Patří mezi ně některé prvky (např. Al, Na, K, O), z minerálů např. olivín, siderit, beryl, turmalín atd.

3. U feromagnetických látek jsou magnetické momenty atomů usměrněny již bez působení vnějšího magnetického pole. Toto usměrnění ovšem není v celém krystalu stejné – v krystalu existují mikroskopické oblasti se stejným usměrněním, tzv. magnetické domény, které jsou vzájemně náhodně orientovány. Ve vnějším magnetickém poli nastane růst některých domén na úkor jiných, takže nakonec je krystal tvořen jedinou doménou (magnetické momenty všech atomů jsou uspořádány paralelně). Feromagnetické látky silně zesilují magnetické pole a jejich relativní permeabilita je velmi vysoká (např. u oceli MI_r = 8000). Feromagnetické látky v běžné mluvě označujeme jako “magnetické”. K feromagnetickým minerálům patří železo, magnetit, hematit, ilmenit a pyrhotin, tedy vesměs minerály železa. Magnetizmus je důležitým diagnostickým znakem těchto minerálů. U některých feromagnetických látek zůstává zůstává zmagnetizování i po zániku vnějšího magnetického pole – jsou to tzv. permanentní magnety. V přírodě je známe např. u magnetitu a pyrhotinu.

Využití elektrických a magnetických vlastností krystalů
Elektrické vodivosti pevných látek se velmi široce využívá v oblasti techniky, především elektroniky. Pro technické účely jsou ovšem většinou pěstovány syntetické krystaly, minerály jako takové se prakticky nepoužívají. Vedle triviálních příkladů použití kovů jako vodičů elektrického proudu a nevodičů pro jeho odstínění mají řadu velmi zajímavých vlastností především některé polovodiče (tranzistorový jev, termoelektrický jev, fotoelektrický jev atd.). Každé moderní elektronické zařízení obsahuje obrovské množství součástek na bázi polovodivých materiálů. Rovněž piezoelektřina má široké uplatnění v technice a elektronice. Materiálem budoucnosti jsou tzv. supravodiče. Jsou to kovy a slitiny, u nichž při velmi nízké teplotě (obvykle blízké absolutní nule) nastane prudký pokles elektrického odporu, resp. prudké zvýšení vodivosti. Takové materiály jsou schopny vést nesmírně slabé elektrické proudy téměř beze ztrát.

Elektrické vlastnosti minerálů se uplatňují i v geofyzice, kde je vypracována řada metod pro vyhledávání ložisek rudních i nerudních surovin, inženýrsko-geologický průzkum, geologické mapování atd., založených na elektrické vodivosti hornin (geolektrické metody). Pokusy o využití elektrické vodivosti k diagnostickým účelům v mineralogii nebyly příliš úspěšné. V geofyzice se široce využívá i magnatických vlastností minerálů. Magnetometrické metody se používají např. pro vyhledávání ložisek nerostných surovin, inženýrsko-geologické aplikace, geologické mapování, atd. Magnetických vlastností minerálů se využívá k jejich separaci v průmyslovém i laboratorním měřítku (v různě intenzivním elektromagnetickém poli se ze směsi oddělují minerály s různou relativní permeabilitou) či k čištění surovin (např. kaolinu). Permanentní magnetizace se využívá mimo jiné v historické geologii k úvahám o dřívější pozici a pohybech kontinentů, stáří geologických jednotek (např. mořského dna) apod.

další »»