- •Электрические свойства
- •Основы теории электропроводности вещества
- •Электропроводность минералов, жидких и газовых сред. Минералы
- •Жидкая фаза
- •Газовая фаза
- •Удельное электрическое сопротивление горных пород
- •Удельное сопротивление осадочных пород, Эл. Параметр пористости и пр.
- •Частичное водонасыщение
- •Методы измерения
Электрические свойства
По Максвеллу плотность полного электрического тока в среде определяется выражением
где jпр, jсм — плотности тока проводимости и смещения, σ – удельная электрическая проводимость среды, εа - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, причем εа = εε0 , где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды; ε0 = 8,85·10-12 Ф/м — значение ее в вакууме.
В поле, гармонически изменяющемся во времени с частотой ω
В постоянном и низкочастотном переменном полях полный ток определяется целиком током проводимости. В высокочастотном переменном поле полный ток является суммой токов проводимости и смещения.
Ток проводимости возникает непосредственно под действием электрического поля Е.
Величина j определяется значением σ=1/ρ.
Проводимость среды — способность пропускать электрический ток, сопротивление - способность препятствовать прохождению тока. Удельная электрическая проводимость среды σ и ее удельное электрическое сопротивление ρ равны соответственно проводимости Σ и сопротивлению R единицы объема среды.
Проводимость среды обусловлена переносом электрических зарядов сквозным током - электронов, ионов, дырок. В веществах с электронной проводимостью (металлы, графит) ток распространяется благодаря движению электронов. В диэлектриках природа проводимости ионная, в полупроводниках — дырочная. Растворы электролитов обладают ионной проводимостью.
В высокочастотном поле в средах с низкой проводимостью, представленных диэлектриками и полупроводниками, наряду со сквозным током jскв появляется релаксационная составляющая тока jрел, обусловленная поляризацией частиц среды. В результате поляризации наряду с основным полем возникает дополнительное, направленное противоположно основному, поляризующему. Поляризация пропорциональна поляризующему полю:
= αЕ,
где α — поляризуемость среды. Поляризуемость характерна, как правило, для сред с низкой проводимостью - диэлектриков. Любое вещество способно быть проводником и поляризоваться; в общем случае его относительная диэлектрическая проницаемость определяется как ε = 1+4πα.
Различают поляризации упругую, релаксационную и структурную поляризации.
Упругая поляризация заключается в смещении упругосвязанных зарядов (электронов, ионов) вещества в электрическом поле. Она протекает быстро (время установления совпадает с периодами колебаний, соответствующих инфракрасному излучению, т.е. 10-12 ÷ 10-14 с). Относительная диэлектрическая проницаемость у диэлектриков с упругой поляризацией обычно составляет 4 - 15, но у некоторых ионных кристаллов она достигает нескольких сотен (до 300 у титаната стронция, например).
Релаксационная (тепловая) поляризация характерна для веществ, содержащих слабосвязанные частицы, способные менять равновесие при тепловом движении. Поляризация этого типа вызывается тем, что приложенное внешнее электрическое поле создает в хаотическом тепловом движении заряженных частиц определенную упорядоченность.
Различают две разновидности поляризации: ориентационную дипольную тепловую и ионную тепловую.
Дипольная поляризация возникает в полярных жидкостях (в том числе и в воде) за счет преимущественной ориентации слабосвязанных дипольных молекул в электрическом поле. Время релаксации полярной жидкости пропорционально ее вязкости. В сложных полярных молекулах может также наблюдаться внутримолекулярное вращение различных частей молекулы относительно друг друга.
Ионная тепловая поляризация возникает в ионных кристаллах, содержащих слабосвязанные ионы, появление которых обусловлено дефектами кристаллической решетки. Ионы при тепловом движении перемещаются, преодолевая потенциальные барьеры. Электрическое поле формирует преимущественное направление их переходов. В результате дипольный момент единицы объема породы становится отличным от нуля и поддерживается этим электромагнитным процессом.
Наконец, в многофазных горных породах наблюдается структурная (объемная) поляризация, связанная с захватом носителей тока микродефектами кристаллической решетки, замедлением их передвижения у межфазовых границ раздела или с застреванием свободных зарядов на макронеоднородностях кристаллов. Это сравнительно медленный тип поляризации, период ее становления находится в пределах радиочастот (10-4 ÷ 10-10 с).
Диэлектрическая проницаемость минералов обусловлена главным образом упругой поляризацией (ионной и электронной). Относительная величина диэлектрической проницаемости большей части минералов находится в пределах 4 - 12, основных породообразующих минералов – 4 - 7. Наименьшее значение имеет нефть (2 - 4), наибольшее - рутил (90 - 170).