自然电场勘探中,离子导体产生的常见电场包括 - 爱问答

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自然电场勘探中,离子导体产生的常见电场包括

自然电场(spontaneous electric field)是地电场的重要组成部分。它由各种岩石的接触电位差、金属矿物的氧化还原电势、地下水与河水流动产生的过滤电势以及矿化溶液离子在岩石交界面上的扩散和岩石骨架对离子的吸附作用等所产生。这类电场的分布范围较小,强度在几十毫伏/千米到1伏/千米之间,矿区及山坡丘陵地带表现得较为强烈。


离子导体是指电流由可动离子荷载产生的离子导体。在离子导体中可动离子溶度较低,其电导率很小。

金属的电导由电子运动引起,半导体的电导与电子或空穴的运动有关。离子导体则有别于导体和半导体,它的电荷载流子既不是电子,也不是空穴,而是可运动的离子。离子有带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子之分,相应地也就有阳离子导体和阴离子导体之别。


简介

导体依靠导体中离子的定向运动(也称定向迁移)而导电,电流通过导体时,导体本身发生化学变化,导电能力随温度升高而增大。顾名思义,这类导体称为离子导体(或称为第二类导体)。电解质溶液、熔融电解质等属于此类。

电子导体能够独立地完成导电任务,而离子导体则不能。要想让离子导体导电,必须有电子导体与之相连接。因此,在使离子导体导电时,不可避免地会出现两类导体相串联的界面。即为了使电流能通过这类导体,往往将电子导体作为电极浸入离子导体中。当电流通过这类导体时,在电极与溶液的界面上发生化学反应,与此同时,在电解质溶液中正、负离子分别向两极移动。


理论诠释

在离子导体中,离子参与导电与固体中的点缺陷密切相关。纯净固体中的点缺陷是本征缺陷,有弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷两类(见点缺陷),前者是空位和填隙原子,后者为单纯的空位。它们的浓度决定于固体的平衡温度以及缺陷的生成能。含有杂质的固体还多出非本征点缺陷,如KCl晶体含有少量CaCl2时,Ca是二价离子,为了保持固体电中性,必须存在一个正离子空位(它带一个负电荷),这种空位便是非本征点缺陷。

在外加电场作用下,离子固体中本征的和非本征的点缺陷都会对离子电导作贡献。离子电导率σ与温度T的关系,遵从阿伦尼乌斯定律:

 

式中σ0为常数,Ea为电导微活能,k为玻耳兹曼常数。

固体中可动离子是阳离子的称为阳离子导体,若是阴离子的则称为阴离子导体。


概念说明

多数离子导体中可运动的离子是很少的,因而离子电导率都不高。例如,食盐(NaCl),室温下离子电导率仅有10Ω·cm。

固体中除了本征缺陷外,还有由于异价杂质的存在而产生的非本征缺陷。例如,在氟化钙(CaF2)中,如果有三价金属杂质离子存在,就必定会形成相等数量的间隙氟离子,以实现电中性。这些本征的和非本征的点阵缺陷在外电场作用下都会进行长程运动,从而对离子电导率作出贡献。

快离子导体也是一种离子导体,但具有不同于一般离子导体的特征。


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