25. Основные понятия электродинамики

Электродинамика горных пород изучает взаимодействие электрических и магнитных полей с горной породой.

Электрическое поле проявляется в силовом воздействии на заряженные тела и частицы. Величина и направление действия электрических сил в любой точке пространства определяются напряженностью электрического поля .

Электрическое поле характеризуется также работой, которую оно может совершить. В качестве показателя этой работы принято пользоваться потенциалом φ. Разность потенциалов между двумя точками поля называется напряжением U.

Напряженность поля зависит от свойств среды, влияние которой учитывается, например, в законе Кулона о силе взаимодействия двух зарядов Q₁ и Q₂^:

где ε_а — коэффициент, учитывающий свойства среды и называемый абсолютной диэлектрической проницаемостью; r — расстояние между зарядами.

Величину ε_а можно представить в виде двух сомножителей ε_а = εε₀, где ε — относительная диэлектрическая проницаемость исследуемого вещества; ε₀ — коэффициент пропорциональности между силой взаимодействия и величиной зарядов, расположенных в вакууме. Этот коэффициент называется электрической постоянной вакуума и равен 8,85∙10^-12 ф/м.

Так как из соотношения напряженности поля в вакууме Е₁ и в породе Е₂ получим:

Относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряженность поля в породе меньше, чем в вакууме.

Для характеристики электрического поля независимо от свойств вещества используют электрическую индукцию , величина которой для поля точечного заряда определяется только величиной заряда Q:

,

Как известно, проводники характеризуются тем, что всякое электрическое поле вызывает в них движение зарядов, а диэлектрики — полным отсутствием свободного движения зарядов.

Понятие диэлектрической проницаемости имеет смысл только для второй группы пород. Действительно, если среда, в которой располагаются заряды, способна проводить ток, то вместо взаимодействия зарядов будет происходить их перенос из точки с наибольшим потенциалом в точку с наименьшим потенциалом до момента их выравнивания. Следовательно, внутри проводника φ = const, = 0, а диэлектрическая проницаемость близка к бесконечности.

Перенос зарядов из одной точки проводника в другую, осуществляемый электронами и ионами, называется током проводимости. Ток — величина скалярная. Векторный показатель, характеризующий количество элементарных зарядов, проходящих через единицу сечения проводника в единицу времени, называют плотностью электрического тока :

,

где п — число заряженных частиц в 1 см³; q — заряд частицы; υ — скорость направленного движения зарядов.

Так как υ = иЕ, где и — подвижность частиц, то

.

Это уравнение представляет собой закон Ома в дифференциальной форме, причем коэффициент ζ = п·q·и зависит от вида и состояния проводящей породы и называется ее удельной электропроводностью. Удельная электропроводность измеряется в сименсах (1/ом∙м).

Горные породы в большинстве случаев входят в группу полупро­водников, характеризующуюся свойствами как диэлектриков (ε < ∞), так и проводников (породам присущи некоторые значения удельной электропроводности ζ > 0).