elettrizzazione dei minerali

Che i minerali si possano elettrizzare, cioè acquisire cariche elettriche, è ben noto sin dai tempi passati:

lo stesso termine 'elettricità' proviene dal greco elektron, 'ambra', poichè già gli antichi Greci avevano notato che questo minerali, dopo essere stato sfregato oppurtunamente, possedeva la singolare proprietà di attrarre altri corpi leggeri.

Ambra (Adrian Pingstone)

Tuttavia i minerali, se sotto forma di cristalli, possono assumere cariche elettriche anche in modo diverso, per esempio dopo essere stati sottoposti a riscaldamento o a tensioni meccaniche;

tali proprietà vengono dette, rispettivamente, piroelettricità e piezoelettricità - fenomeno, quest'ultimo, dalle importanti applicazioni industriali, specialmente nel settore elettronico - e sono riscontrabili con quei particolari tipi (classi) di simmetria in cui si rileva sempre la mancanza di un centro.

Un esempio di piroelettricità è dato dalla tormalina, una celebre gemma il cui nome deriverebbe, secondo alcuni, da un termine indiano che vuol dire 'attrarre cenere':

infatti la tormalina quando viene riscaldata si elettrizza, attirando cosi la cenere, la polvere o altri corpi piccoli e leggeri.

Tormalina (Marco Del Torchio)

Ce lo dimostra anche un semplice esperimento.

Basterà riscaldare un cristallo di tormalina e quindi spruzzarlo con una polvere costituita da una miscela di zolfo e di minio in parti uguali:

Minio (Rob Lavinsky)

lo zolfo, di colore giallo tenue, verrà così attratto soprattutto da quelle zone di cristallo dotate di carica positiva, mentre il minio, di colore rosso vivo, da quelle cariche di elettricità negativa.

Inoltre, a zone con carica elettrica positiva ne corrisponderanno, sullo stesso cristallo, altre equivalenti con carica negativa;

la carica complessiva, perciò, risulterà nulla.

Il fenomeno della piroelettricità si manifesta anche quando si asservano alcuni esemplari conservati in una collezione da lungo tempo:

la polvere, che non si riesce mai ad allontanare completamente, viene infatti attratta dai cristalli, soprattutto in zone come gli spigoli (maggiore densità di carica), creando in tal modo curiosi effetti visivi.

Per dare origine a questo fenomeno sono sufficienti le piccole variazioni di temperatura dell'ambiente.

Esempi tipici sono quelli dell'emimorfite, che è appunto piroelettrica, e della ra scawtite, un silicato a carbonato idrato di calcio.

Emimorfite Scawtite (David Hospital)

La piezoelettricità, come già ricordato, consiste invece nella formazione di cariche elettriche quando il cristallo è sottoposto a sollecitazioni meccaniche.

Il caso più comune è quello in cui la sollecitazione corrisponde a una compressione lungo una certa direzione e un esempio tipico è quello del quarzo:

infatti, per compressione i cristalli di questo minerale si elettrizzano.

il fenomeno avviene anche in senso 'inverso':

se si sottopone a un campo elettrico un cristallo di quarzo, esso si comprime o si dilata;

se il campo elettrico è oscillante, come in molti dei circuiti elettrici, allora il frammento tenderà a vibrare con la stessa frequenza di vibrazione, il cristallo contribuirà a stabilizzare alcune caratteristiche del circuito.

Per queste ragioni, il quarzo si rivela prezioso per costruire apparecchi quali, per esempio, i generatori di ultrasuoni;

inoltre, frammenti opportunamente calibrati e tagliati di questo minerale sono largamente impiegati nella costruzione di circuiti elettronici oscillanti particolarmente stabili.

È ben noto, appunto, l'uso del 'quarzo piezoelettrico' in elettronica, il cui rifornimento, durante la seconda guerra mondiale, era diventato addirittura un problema strategico:

fino a non molti anni fa si potevano trovare in commercio i residui di ingenti quantitativi di cristalli brasiliani, che erano stati acquistati per garantirsi adeguate riserve di questo prezioso minerale.

Vari studi dimostrano che il fenomeno della piezoelettricità è limitato soltanto ai cristalli privi di centro di simmetria;

tuttavia, affinchè si rilevi anche la piroelettricità, non sempre è sufficiente la presenza di classi di simmetria prive di centro;

infatti devono essere presenti i cosidetti 'assi di simmetria polari', lungo i quali le proprietà del cristallo differiscono nei due versi;

inoltre, la direzione degli assi deve essere unica;

in altre parole non si debbono avere nel cristallo altre direzioni equivalenti per simmetria.

Dall'aspetto esterno dei cristalli migliori è facile rilevare differenze di simmetria fra tormalina e quarzo, riferendoci alla sola direzione 'unica', non equivalente ad altre per simmetria, che è quella dell'asse ternario.

Infatti, ambedue le sostanze sono prive del centro di simmetria, ma mentre nel quarzo l'asse ternario verticale esce dal cristallo in due punti simili (equivalenti) tra loro, nella tormalina ciò non avviene, perchè le due estremità risultano nettamente diverse.

Soprattutto in quest'ultima, quindi, i cristalli biterminati sono interessanti, perchè manifestano anche nell'aspetto la polarità degli assi;

per queste ragioni la tormalina è piroelettrica, oltre che piezoelettrica.

A rigore di termini, invece, il quarzo è soltanto piezoelettrico, pur mostrando fenomeni secondari di piroelettricità, dovuti a tensioni interne che si possono sviluppare con un riscaldamento non uniforme, che poi innesca il fenomeno piezoelettrico, sviluppando cariche.

Purtroppo, non tutti i cristalli naturali di quarzo sono adatti per essere impiegati nell'elettronica, sia per i difetti spesso presenti nel materiale naturale (inclusioni, malformazioni, ecc.), sia perchè quello che sembra un unico cristallo è invece un geminato, inutile per queste applicazioni.

Il riconoscimento dei geminati, nonchè delle direzioni utili per il taglio dei cristalli partendo dal materiale naturale, è un'operazione difficile:

anche per questa ragione l'uso di quarzo sintetico, 'cresciuto' lungo direzioni già stabilite, ha ampliamente soppiantato le fonti naturali.

Per strumenti di minore precisione, nei circuiti si usano largamente altri cristalli al posto del quarzo:

fra questi, il cosidetto 'sale della Rochelle' o 'sale di Seignette', costituito da tartrato di sodio e potassio, facilmente ottenibili, anche in cristalli enormi, da soluzioni acquose a temperatura ambiente.

Tuttavia, le proprietà meccaniche del sale di Seignette sono piuttosto scadenti e, inoltre, i suoi cristalli tendono ad assorbire l'umidità, rendendo cosi gli strumenti facilmente deteriorabili.