Особенности электрического сопротивления и экранирующее электромагнитное излучение свойство шунгита



Шунгит — это необычная углеродсодержащая ископаемая порода, которая наряду с углеродом С ₆₀ включает в себя силикатные компоненты. Чистый ископаемый шунгит встречается в природе достаточно редко, чаще всего он входит в состав других пород в виде прожилок до 30 см толщиной. Наиболее значимые запасы шунгита, около 1 млрд тонн, находятся в Карелии, на территории заонежского полуострова и вокруг северной части Онежского озера. В ХХ веке были обнаружены залежи шунгита в Казахстане, которые содержат около 49 млн тонн этого минерала. Активное изучение структуры и свойств шунгита в России осуществлялось в 1928–1937 годах. Но в начале XXI века интерес к этому ископаемому веществу вновь вернулся, так как появилась новая информация о его структуре и химическом составе [1, 7].

Углерод, входящий в состав шунгита, имеет специфичную шарообразную пространственную структуру — глобулу размером около 10 нм. В этой углеродной матрице равномерно распределены высокодисперсные силикаты (кремнезём, частицы кварца) с размером частиц около 0,5 мкм. Шунгитовые породы могут содержать различные минеральные вещества, включая карбонаты, алюмосиликаты и другие [2].

В настоящее время разделяют две разновидности шунгита: 1) блестящий шунгит (94 % — С ₆₀ , 1,9 % — O, N, 0,8 % — H, 2,2 % — зольность), 2) матово-серый шунгит (64 % — С ₆₀ , 3,5 % — O, N, 6,7 % — H, 3,3 % — зольность). При изучении шунгита были определены его основные свойства как природного минерала, которые позволили использовать его в различных отраслях жизни человека. Это ископаемое вещество одно из немногих минералов, способных проводить электрический ток. Он имеет твёрдость около 4 по шкале Маоса и плотность, равную 1,9–2,4 г/см ³ . В обычных условиях он не горит [2, 4].

Являясь источником углерода — фуллерена, шунгит интересен для исследователей в области нанотехнологий. Входящие в его состав химические вещества говорят о потенциальной возможности применения этого минерала в электронной промышленности и кибернетике. В тоже время в наши дни шунгит достаточно широко используют в металлургии, как восстановитель и как источник кремния для производства чугуна, его применяют как декоративный и отделочный камень в архитектуре, а также используют при изготовлении лёгкого заменителя бетона — шунгизита или для экранирования электромагнитных излучений [3, 5, 6].

До сих пор среди учёных отсутствует единое мнение о происхождении шунгитовых пород, их образовании в процессе эволюции геологических структур, имеет место разнообразие теорий о природе углеродистых глобул, способах их объединения, а также нет чётких данных о природе исходного углеродного материала. Остаются не до конца изученными физико-химические свойства минерала, что делает шунгит интересным объектом для современных исследований, которые помогут открыть новые возможности для его использования в жизни людей. Наиболее интересным из свойств ископаемого шунгита, состоящего на 96–98 % из углерода является способность данного минерала к проведению электрического тока, в то время как другие виды углеродных минералов, например, графит, наоборот, не проводит электрический ток [2, 7]. Не менее интересным для изучения и мало освещённым в литературе является вопрос об электрическом сопротивлении этого минерала, что может быть полезно при поиске возможностей его практического использования.

Цель исследования — изучить особенности электрического сопротивления природного шунгита в водной среде при изменении её химического состава и экранирующие электромагнитное излучение свойства данного минерала.

Материалы и методы исследования. Для исследования особенностей электрического сопротивления природного шунгита использовали фрагменты данного минерала производства ООО НПК «Карбон — Шунгит» (г. Петрозаводск), находящиеся в свободной продаже в аптечной сети.

Для оценки показателей электрического сопротивления шунгита использовали мультиметр S-Line DT-832. Показатели электрического сопротивления измеряли, используя сухие фрагменты шунгита, и погружая минерал в четыре вида водных растворов: 1) нейтральный (кипячёная вода, рН=7), 2) 2 % раствор поваренной соли — NaCl, 3) 0,5 % раствор лимонной кислоты (рН=5), 4) 2 % раствор пищевой соды — NaHCO ₃ (рН=8). Исследование сопротивления шунгита электротоку проводили на 10 фрагментах минерала с достаточно близкой массой, равной 3,80,4 грамма.

Для изучения экранирующих свойств шунгита в отношении источников электромагнитного излучения были использованы 3 вида телефонов: сотовые телефоны марки Nokia, iPhone и радиотелефонная трубка городской телефонной сети. Измерение пространственных составляющих напряжённости электромагнитного поля телефонных аппаратов регистрировали с помощью магнитометра геофизического трёхкомпонентного (ООО «НТЦ Спектр»). При изучении экранирующих свойств шунгита использовали 11 фрагментов породы, которые помещали в чашку Петри, при этом для исключения экранирующего эффекта стекла и расстояния исследования проводили в несколько этапов: 1) экранирование одним слоем стекла; 2) экранирование стеклом и шунгитом; 3) экранирование двумя стёклами чашки Петри и прослойкой шунгита. Результаты исследования фиксировали с помощью цифрового фотоаппарата. При статистическом анализе полученных данных использовали методы описательной статистики и критерий Стьюдента с уровнем значимости менее 5 %.

Результаты исследований

1. Изменение электрического сопротивления шунгита. Первоначально с помощью мультиметра были получены исходные данные сопротивления кипячёной воды, раствора кислоты и щёлочи, которые были равны 0Ом. При прикосновении двух металлических концов щупов мультиметра показатель сопротивления данного отрезка проводника был равен 2,3 Ом. В первой серии опытов были получены показатели электрического сопротивления фрагментов сухого, увлажнённого кипячёной водой шунгита и минерала, погружённого в нейтральную водную среду (p<0,05).

Рис. 1. Показатели электрического сопротивления сухого и увлажнённого водой шунгита

Результаты показали, что наибольшее электрическое сопротивление отмечалось у сухого шунгита (76,38 Ом), в водной среде сопротивление составило 34,63,8 Ом, а увлажнённый водой шунгит, находящийся в воздушной среде оказывал сопротивление электрическому току, равное 12,61,3 Ом. При погружении фрагментов шунгита в 2 % раствор натрия хлорида (поваренная соль) показатель электрического сопротивления в среднем составил 45,21,2 Ом, что достоверно отличалось от показателя сопротивления шунгита погружённого в кипячёную воду.

При изменении кислотности водных растворов измерение показателя сопротивления производили при погружении фрагмента минерала в тот или иной раствор и сразу после извлечения фрагмента шунгита, с остатками кислого или щелочного раствора, увлажняющего его поверхность. При исследовании были получены следующие результаты. Показатель сопротивления шунгита электрическому току в кислой среде (рН=5) в среднем составил 17,12* Ом, а после извлечения из данного раствора 0,5 % лимонной кислоты показатель сопротивления снизился до 9,40,9 Ом (р<0,05) (рис. 2).

Рис. 2. Показатели электрического сопротивления шунгита в зависимости от уровня кислотности окружающей водной среды

При измерении электрического сопротивления после погружения фрагментов шунгита в щелочной раствор его уровень составил 85,85,9 Ом, а после извлечения из 2 % раствора соды показатель сопротивления снизился до 56,94,8 Ом (р<0,05).

В ходе исследований мы обратили внимание на тот факт, что различные по массе и форме фрагменты шунгита обладают различным сопротивлением электрическому току, показатели которого могут отличаться в несколько раз. (рис. 3).

Рис. 3. Соотношение и разница уровня показателей электрического сопротивления трёх фрагментов шунгита в кислой и щелочной среде

При этом погружение этих фрагментов в раствор кислоты или щёлочи сопровождалось схожим разнообразием показателей и их соотношением между значениями для этих фрагментов. Разница показателей в кислой среде составляла 1,7–2,3 раза, а в щелочной среде 1,6–1,9 раз. На приведённом рисунке 3 показаны результаты исследования электрического сопротивления одних и тех же трёх фрагментов шунгита, которые помещали в кислую и щелочную среду. В кислой среде соотношение уровня сопротивления составило 1:1,5:2,1 при уровне показателей 6,9 Ом (шунгит 1), 10,2 Ом (шунгит 2) и 14,5 Ом (шунгит 3). В щелочной среде уровень сопротивления этих трёх фрагментов шунгита имел соотношение 1:1,6:1,9 при уровне показателей 50,8 Ом (шунгит 1), 81,7 Ом (шунгит 2) и 95,3 Ом (шунгит 3). При этом масса этих трёх фрагментов шунгита составляла 2,7 грамма (шунгит 1), 3,1 грамма (шунгит 2) и 3,4 грамма (шунгит 3) и соотношение их масс было равно 1:1,1:1,3. Разница в соотношении массы фрагментов шунгита и соотношения показателей сопротивления в кислой и щелочной среде говорит о том, что на уровень сопротивления данного минерала в меньшей мере влияет масса фрагмента и, вероятнее всего, большее значение имеет его химический состав и наличие электропроводящих примесей.

На следующем этапе исследований фрагмент шунгита последовательно погружали в воду (рН=6), а затем в 2 % (рН=7), 4 % (рН=8), 6 % (рН=9–10) раствор пищевой соды (NaHCO ₃ ), каждый из которых имел различный уровень рН. Изменение щёлочности среды приводило к постепенному или скачкообразному повышению сопротивления 3 разных фрагментов шунгита. В водной среде показатель сопротивления составлял от 6,1 до 13,4 Ом, затем возрастал при рН=7 до 15,1–33,7 Ом, при рН=8 составил 22,5–85,1 Ом, а при рН=9–10 он был на уровне 40,2–168 Ом. Значительный разброс значений при различном рН среды связан с использованием разных фрагментов шунгита, которые могли отличаться по своему химическому составу электропроводящих примесей. При анализе показателей для каждого из фрагментов отмечали чёткую зависимость роста сопротивления при росте щелочности среды. Для проверки полученных результатов и исключения технических особенностей измерения сопротивления шунгита, каждый из фрагментов был помещён в водную среду и после снятия первичных показателей сопротивления к воде стали добавлять раствор 6 % пищевой соды, что приводило к постепенному росту уровня рН от рН=6 до рН=9. При этом исключали какое-либо изменение положения зондов мультиметра на фрагменте шунгита на протяжении всего опыта. При изменении рН среды регистрировали рост показателя сопротивления, аналогично предыдущему опыту (рис. 4).

Рис. 4. Динамика уровня электрического сопротивления фрагментов шунгита при изменении рН водного раствора

При этом опыт с обратным изменением щёлочности при разбавлении 6 % раствора соды (рН=9) водой до уровня рН=6–7 сопровождалось ожидаемым снижением сопротивления шунгита. Изменение показателей сопротивления имело несколько скачкообразный характер, так как во время проведения опыта мы не ставили перед собой задачу создать условия со строго дозированным изменением концентрации соды и добиться равномерного распределения смешиваемых растворов для создания однородности среды, но при этом нас интересовало наличие тенденций, подтверждающих нашу гипотезу об изменении сопротивления шунгита при росте или снижении рН, и они были получены (рис. 5).

Рис. 5. Изменение показателей электрического сопротивления шунгита при росте концентрации пищевой соды и рН водной среды

2. Экранирующие электромагнитное излучение свойства шунгита. Для изучения экранирующих свойств шунгита в отношении электромагнитного излучения были использованы три вида телефонных аппаратов, стеклянная чашка Петри и 11 фрагментов шунгита. Измерение напряжённости магнитного поля производили с помощью геофизического магнитометра (рис. 6).

Рис. 6. Излучающие и измеряющие аппараты и экранирующие материалы

Серии опытов включали измерение напряжённости электромагнитного поля в непосредственной близости к передней панели телефонных аппаратов, которые используют при разговоре, а также измерение пространственных составляющих показателей напряжённости при экранировании аппаратов стеклом чашки Петри, фрагментами шунгита на стекле и двумя стёклами чашки Петри с фрагментами ископаемой породы внутри. Исследование показателей напряжённости магнитного поля исследовали на различном расстоянии от телефонных аппаратов. Первоначально измерение производили при непосредственном контакте датчика магнитометра с поверхностью телефона. Затем измеряли показатели через стекло чашки Петри, толщиной 5 мм, что позволяло оценить влияние расстояния на уровень показателей. При экранировании фрагментами шунгита в чашке Петри уровень расположения датчика от телефона составлял 20 мм и включал толщину стекла (5 мм) и слой шунгита 12–15 мм. На завершающем этапе измерения производили на расстоянии 20 мм от телефона путём прямого контакта датчика магнитометра с закрытой чашкой Петри, заполненной фрагментами шунгита. Этапы измерений показателей магнитного поля приведены на рисунке 7.

Рис. 7. Этапы и результаты измерения напряжённости электромагнитного поля сотового телефона Nokia при различных способах экранирования излучения

Изменение показателей напряжённости телефонных аппаратов iPhone и радиотелефонной трубки приведены на рисунке 8.

Рис. 7. Результаты измерения напряжённости электромагнитного поля сотового телефона iPhone и трубки радиотелефона при различных способах экранирования

Полученные в ходе исследований результаты показателей напряж1нности магнитного поля приведены в таблице 1.

Таблица 1

Изменение напряжённости электромагнитного поля телефонных аппаратов в зависимости от расстояния и экранирования стеклом и шунгитом

Телефон	№ опыта	Высота расположения магнитометра от поверхности телефона
		0 мм (контакт)			5 мм			20 мм			20 мм
		Уровень напряжённости электромагнитного поля (А/м)
		Излучение без экранирования			Излучение с экранированием
					Стекло			Стекло и шунгит			2 стекла и шунгит
		Hi x	Hi y	Hi z	Hi x	Hi y	Hi z	Hi x	Hi y	Hi z	Hi x	Hi y	Hi z
Nokia	1	1,44	14,9	382,9	61,9	9,52	252,4	18,1	3,6	167,6	18,3	22,7	113,4
	2	73,9	0,9	342,5	63,6	7,4	259,1	22,5	5,3	231,1	18,2	20,0	116,6
	М	136,09±72,7			108,98±47,5			74,7±40,4			51,53±20,1
Доля НЭП		100 %			80 %			55 %			38 %
iPhone	1	34,9	3,9	55,03	19,37	6,38	50,71	13,33	2,87	39,31	5,81	12,39	39,18
	2	33,2	3,7	56,4	11,47	8,76	51,5	12,98	4,61	39,1	6,21	12,5	38,8
	М	31,18±9,5			24,69±8,5			18,7±6,7			19,15±6,4
Доля НЭП		100 %			79 %			59 %			61 %
Радио-телефон	1	44,4	29,04	134,4	37,62	27,8	112,9	33,02	18,7	61,06	17,55	17,24	68,41
	2	42,7	30,48	138,3	38,61	26,87	113,2	34,3	19,15	59,71	20,62	17,67	59,98
	М	69,89±21,2			59,5±17,1			37,66±7,7			33,58±9,8
Доля НЭП		100 %			86 %			54 %			49 %

Примечание: М — среднее значение показателей магнитного поля по трём пространственным направляющим (Hi x,y,z), НЭП — напряжённость электромагнитного поля.

Полученные результаты показали, что на уровень напряжённости магнитного поля ощутимое влияние оказывает расстояние от источника электромагнитного излучения. Так, при отдалении датчика прибора от телефонного аппарата на 5 мм снижение уровня напряжённости составило 14–21 % для разных аппаратов. Экранирование одним слоем стекла с шунгитом и измерение показателей магнитного поля на расстоянии 20 мм показало снижение исходного уровня напряжённости магнитного поля на 20–32 % от предыдущего экранирования стеклом и снизилось от исходного уровня до 54–59 %. Наличие прослойки из двух стёкол и аналогичного слоя шунгита привело к снижению уровня напряжённости рядом с телефоном Nokia и радиотелефоном ещё на 5–17 %, снизив уровень от исходного излучения до 38–49 %. И только в 20 мм от аппарата iPhone уровень напряжённости увеличился на 2 % и составил 61 % от исходного. В целом экранирование стеклом и шунгитом позволило снизить уровень напряжённости магнитного поля телефонных аппаратов на 39–62 %. При этом наиболее выраженным (на 51–62 %) было снижение показателей у телефонов с исходно высоким уровнем напряжённости магнитного поля. Более низкое электромагнитное излучение аппарата снижалось при экранировании шунгитом и стеклом лишь на 39 %.

Анализируя полученные данные можно сделать вывод о том, что на уровень напряжённости магнитного поля оказывает влияние и расстояние, и наличие шунгита между источником излучения и датчиком магнитометра. При этом наличие стекла толщиной 5 мм снижает уровень показателей напряжённости магнитного поля на 14–21 %, а добавочный 1 см слой шунгита снижает уровень напряжённости магнитного поля ещё на 20–32 %. Сочетание двух видов экранирования (стекло и шунгит) позволяет уменьшить показатели напряжённости магнитного поля телефонных аппаратов на 46–51 %.

Заключение. Шунгит обладает способностью проводить электрический ток и имеет показатель электрического сопротивления, который имеет характерные изменения в зависимости от условий внешней среды и степени увлажнения поверхности минерала.

Наиболее высокий уровень сопротивления отмечается при прохождении электрического тока через сухой минерал (76,3 Ом), при его погружении (85,8 Ом) или увлажнении поверхности (56,9 Ом) раствором щёлочи (p<0,05). Средний уровень показателей сопротивления электрическому току отмечали при погружении шунгита в нейтральный раствор соли (натрия хлорида) (45,2 Ом) или в кипячёную воду (34,6 Ом) (p<0,05). При этом наименьшие показатели электрического сопротивления были отмечены при увлажнении поверхности минерала раствором 0,5 % лимонной кислоты (9,4 Ом) или кипячёной водой (12,6 Ом), а также при погружении шунгита в раствор лимонной кислоты (17,1* Ом) (p*<0,05).

При исследовании показателя сопротивления шунгита находящегося в водной среде с изменяющимся уровнем рН за счёт роста концентрации пищевой соды или её снижения была выявлена стойкая тенденция к росту сопротивления с ростом рН от рН=6 до рН=9–10 и снижение электрического сопротивления при постепенном снижении уровня рН от щелочного (рН=9–10) ближе к нейтральному (рН=6–7).

Выявленные в ходе исследований изменения электрического сопротивления шунгита можно использовать при создании приборов, определяющих уровень кислотности жидкой среды или наличие тех или иных примесей в водных растворах. Для создания подобных аппаратов, безусловно, необходимо проведение дополнительных исследований, которые позволят определить степень и уровень изменения электрического сопротивления в зависимости от концентрации кислот или щелочей, а также в зависимости от наличия и концентрации примесей солей в водных растворах. Это может дать возможность качественной и количественной оценки содержания тех или иных химических веществ в жидкостях различного происхождения. Не исключается, что шунгит может стать компонентом тест-систем в автоматизированных аппаратах для исследования биологических материалов или контроля содержания химических веществ в питьевой или природной воде, которые помогут ускорить и упростить проведение ряда исследований в химических, биохимических и медицинских лабораториях.

Анализ экранирующих свойств шунгита для электромагнитного излучения показал, что на уровень напряжённости магнитного поля оказывает влияние не только наличие шунгита, но и расстояние между источником излучения и датчиком магнитометра. При этом наличие стекла толщиной 5 мм снижает уровень показателей напряжённости магнитного поля на 14–21 %, а добавочный 1 см слой шунгита снижает уровень напряжённости магнитного поля ещё на 20–32 %. Сочетание двух видов экранирования (стекло и шунгит) позволяет уменьшить показатели напряжённости магнитного поля телефонных аппаратов на 46–51 %. Это свойство природного шунгита можно использовать для создания защитных устройств, оболочек и каркасов для мощных промышленных и бытовых источников электромагнитного и постоянного магнитного поля. Можно предположить, что включение шунгита в состав материалов для создания чехлов, защитных плёнок для экранов телефонных аппаратов разных моделей поможет снизить уровень напряжённости электромагнитного поля и его вредное влияние на организм человека. Полученные результаты исследований подчёркивают широкое разнообразие и некоторую необычность свойств шунгита, и показывают необходимость проведения дополнительных исследований этого ископаемого минерала.

Литература:

1. Бакс К. Богатства земных недр. М.: Прогресс, 1986. — 467 с.
2. Берёзкин В. И. Углерод: замкнутые наночастицы, макроструктуры, материалы. — СПб.: АРТЭГО, 2013. — 450 с.
3. Куротченко С. П., Субботина Т. И. Использование шунгита для снижения уровня облучения организма пользователя сотовой связи // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.– 2004.– Т. 7, № 2.– С. 80–88.
4. Мосин О. В., Игнатов И. Состав и структурные свойства добываемого в России природного фуллеренсодержащего минерала шунгита//Наноинженерия. — 2012. — № 6. — С. 17–23.
5. Мосин О. В., Игнатов И. Применение природного фуллеренсодержащего минерала шунгита в строительстве и строительных технологиях // Нанотехнологии в строительстве. — 2012. — № 6. — С. 22–34
6. Соловов В. К. Радиоэкранирующие свойства композиционных материалов на основе шунгитовых пород и сооружений из этих материалов, Дисс. канд. техн. наук., — Петрозаводск, 1990, 155 с.
7. Шунгиты — новое углеродистое сырьё. / Под ред. В. А. Соколова, Ю. К. Калинина, Е. Ф. Дюккиева. — Петрозаводск, «Карелия» 1984. — 182 с.