Эффект Степанова

Цель работы.

Изучить эффект Степанова для различных пород, определить их параметры.

Общие сведения.

При разрушении кусков породы происходит образование и рост трещин. Трещина разделяет заряды, имевшиеся и освобожденные так, что в одном куске остается больше зарядов одного знака, а в дру­гом – больше зарядов противоположного знака, следовательно, куски-осколки, образованные в результате разрушения первого кус­ка, заряжаются; на противоположных поверхностях осколков концентрируются заряды и возникает разность потенциалов. Плотность зарядов на образовавшейся поверхности (Кл/м²)

(1)

где. q - заряд на поверхности кусков порода; ε – относительная диэлект­рическая проницаемость породы или материала, разделяющего заряды; ε₀ - элект­рическая постоянная (e₀ = 8.85 10^-12 Ф/м); d – расстояние между точками измерения, м.

Соответствующая плотность «избыточных» (или «недостаточных») электронов (шт/м²):

(2)

где е – заряд электрона (e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.).

Избыточные заряды быстро нейтрализуются вследствие ненулевой электропроводности породы и наличия в воздухе аэроионов противоположного знака. Поэтому необходимо построить экспериментальную кривую n = f(τ), аппроксимировать ее аналитической зависимостью и найти значение n при τ = 0. Аппроксимацию можно сделать в среде любой статистической программы, например, CurvExpert.

Методика выполнения работы.

Исходные куски порода могут иметь размер 2-3 см.

Разрушение кусков производят на массивной опоре. Для опре­деления размера осколка применяют линейку.

Исходный кусок породы размером 5- 10 см на опору и ударом разрушают его так, чтобы образовалось 2-3 осколка (рис.1).

Измеряют разность потенциалов, прикладывая электроды к противоположным поверхностям осколков или прикладывая два соседних осколка к электроизолирующей пластине с укрепленным на ней электродами. После измерения разности потенциалов U, измеряют размер осколков d.. Результаты из­мерений заносят в таблицу 1. Для получения зависимости U (d). разрушение кусков производят несколько раз.

Измерение разности потенциалов производит милливольтметром, имеющим пределы измерения от I до 1000 мВ.

Измерение разности потенциалов производит милливольтметром, имеющим пределы измерения от I до 1000 мВ.

Табл.1

τ, с	Разность потенциалов U, В	Размер осколка d, м	n (Кл|м2)

Строят зависимость n = f(τ), аппроксимируют ее аналитической функцией и определяю начальную разность потенциалов и соответствующую плотность зарядов.

По результатам измерений строят также зависимость U (d).

Контрольные вопросы

1. Можно ли разбивать породу металлическим молотком и измерять их величину металлическим штангенциркулем?

2. Какие типы пород при разрушении образуют наибольшае некомпенсированные заряды?

3. Предложите практическое применение эффекта Степанова.

Работа № 9
Термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) минералов

Цель работы.

Для многих пар минералов величина термоЭДС неизвестна. В
дачной работе измеряется величина термоЭДС для различных пар минералов как функция температуры.

Общие сведения.

Явление термоЭДС относится к контактным явлениям и широко
применяется на практике для измерения температуры.

Включение двух контактирующих минералов в электрическую
цепь не дает в цепи тока, поскольку контактная разность потенциалов
взаимно компенсируется. Если изменить температуру одного из минералов, то энергия носителей зарядов (электронов и ионов) становится различной, поэтому более энергичные носители заряда переходят в минерал с менее энергичными носителями. В результате перехода зарядов возникает разность потенциалов - термоэлектродвижущая сила (ЭДС). (Понятно, что ТЭДС зависит от температуры минералов, тем более, что при увеличении температуры число свободных зарядов увеличивается экспоненциально.

Величина термоЭДС для минералов о определяется формулой

(1)

(2)

где α - коэффициент. ТЭДС,

Методика работы.

Образцы минералов (рис.1) должны быть в форме удлиненных параллелепипедов 10x10x30 мм. Образцы зажимают между двумя изолирован-
ными электродами. Измерительный прибор – милливольтметр - подключают к упомянутым электродам. Для регулирования нагревания образца применяют лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), позволяющий изменять напряжение на нагревательной спирали. Температуру нагреваемого образца измеряют термопарой и милливольтметром.

Устанавливают образцы между электродами и плотно прижимают
один к другому струбциной. На образцы укрепляют термопары, соединенные последовательно или используют электронные измерители температуры (рис.2). Концы термопар подключают к милливольтметру. При таком соединении термопар, милливольтметр показывает разность температур образцов, т.е. ΔТ.

Нагревательную спираль подключают к автотрансформатору.
Автотрансформатор подключают к сети и подают напряжение на спираль - 50 Вольт.

Записывают значение температуры ΔТ как разницу температур в отмеченных точках и соответствующее значение термоЭДС.

Обработка результатов измерений.

Результаты измерений заносят в таблицу.

Название пары минералов	U,В	Т3, К	Т4, К	Т5, К	ΔТ, К	α В/К,

Вычисляют значение коэффициента ТЭДС α. По результатам
измерений строят графики зависимости α (ΔТ) и U (ΔТ)

Техника безопасности.

Вся подготовка эксперимента проводится без подключения ЛАТРа к сети. Включает ЛАТР в сеть и устанавливает рабочее напряжение на спирали преподаватель.

Во время работы ЛАТРа прикасаться к экспериментальной установке запрещается.

Экспериментальная установка должна быть заземлена.

Рис.2. Цифровые лабораторные термометры и инфракрасный лазерный пирометр.

Контрольные вопросы

1. Как можно использовать явление ТЭДС минералов?

2. Какие пары минералов могут дать наибольшую ТЭДС?

3. Объясните физическую сущность явления ТЭДС.