Тема11.Электромагнитныесвойствагорныхпород

Электрическоеполепроявляетсявсиловомвоздействиина заряженныечас-тицыитела.Величинаинаправлениедействияэлектрическихсилвлюбойточкепространстваопределяетсянапряженностью электрическогополяЕ.

Напряженность-этовекторнаявеличина,равнаяотношениюсилы,ско-торойполедействует назаряд квеличинеэтого заряда:

.

E^F

q

Потенциаломφэлектрическогополяназываетсяработа,которуюнужносовершитьдляпереносаединичногозарядаизточки,гдесилыдействияравнынулю,вданнуюточку.

РазностьпотенциаловмеждудвумяточкамиполяАиВназывается

напряжениемU:

U_A

_B

Взависимостиоттого,какимичастицамивызываетсяполяризацияпороды,выделяют4ее вида:

1. Электроннаяполяризация,возникающаяватомахпривоздейст-виивнешнегополяврезультатесмещенияэлектронныхорбитвнутримо-лекулы(атома)против,поля,иположительнозаряженныхядерпона-правлениювнешнегополя.Электроннаяполяризацияприсущавсемато-мамимолекуламиявляетсянаиболеебыстрымвидомполяризации(воз-никаетзавремя10^-16-10^-14с.).

2. Атомная(ионная)поляризация,образующаясязасчетсмещениявэлектрическомполеионовиличастейкристаллическихрешетокскова-лентнойсвязью.Приэтомсдвигаютсяпонаправлениюдействияполяпо-ложительныеионы,аотрицательныеионыпротивполя.Скоростьуста-новленияатомнойполяризациинесколькоменьше,чемэлектроннойисо-ставляет10^-14-10^-12с.

3. Дипольнаяориентационнаяполяризация,наблюдаетсяприна-личиивпородахполярнойсвязиионов.Вслучаеполярнойсвязимеждуионамикаждаямолекуласмоментасвоеговозникновенияужеимеетне-которыйдипольныймомент,независящийотнапряженностивнешнегополя.Темнеменее,внекоторомобъемепороды,состоящемизтакихмо-лекул,из-захаотическогорасположенияпоследних,суммарныйдиполь-ныймоментравеннулюприотсутствиивнешнегополя.Еслитакуюпо-родувнестивовнешнееэлектрическоеполе,тодиполибудутстремитьсяориентироватьсясогласновнешнемуполю,т.е.возникаетполяризациявсегообъемапороды.Причем,чембольшенапряженностьэлектрическо-гополя,тембольшеполяризация.Вжидкостяхориентациядиполейбу-детполнойинезависитотнапряженностивнешнегоэлектрическогопо-

ля.Дипольнаяориентационнаяполяризациязависитоттемпературы,чемонавыше,темменьшеполяризация.Дипольнаяориентационнаяполяри-зациязавершаетсявтечении10^-10-10^-7с.

4. Макроструктурная(объемная)поляризация,возникаетвмногофазнойсистеме,состоящейизкристаллов,обладающихраз-личнымисвойствами,ипустот,заполненныхжидкостьюивозду-хом.Привнесениипородывэлектрическоеполесвободныеэлек-троныиионы,содержащиесявпроводящихиполупроводящихсис-темах,начинаютперемещатьсявпределахкаждоговключения.Врезультатекаждоевключениеприобретаетдипольныймоментиве-детсебяподобнобольшоймолекуле.Времязавершениямакро-

структурнойполяризациисоставляет10^-8-10-3с.

Вгорныхпородахимеетместотакжемедленнаяэлектрохимическаяпо-ляризация,причинойкоторойявляютсяпроцессы,возникающиеприпрохож-дениитокачерезмногофазныепороды.Ктакимпроцессам относятся:

• окислительно-восстановительныепроцессы,характерныедлясульфидов,окисловивысококарбонизованныхуглей;

• процессы,характеризующиесяпоявлениемвместахвходаивыходатокапродуктовэлектролиза,газов;

• электрросмос,т.в.перемещениемолекулжидкости,имеющихзарядодногознака,кэлектродупротивоположнойполярности,иэлектрофорез-смещениетвердыхчастиц,имеющихобратныйзнакзаряда,кдругомуэлектроду;

• перераспределениеконцентрациирастворов,например,вре-зультатепрохождениятокачерезкварцевыйпесок,насыщенныйрастворомNaCl,наположительномэлектродепоявляетсяповы-шеннаяконцентрацияраствора.Такиепроцессымогутбытьобра-тимымиинеобратимыми.

Электрохимическаяполяризацияпроисходитзначительномедленнее,чемдругиевидыполяризации(донесколькихдесятковминут).

Поддействиемэлектрическогополявпородахвозникаетявлениеэлектро-стрикции.Онозаключаетсявдеформированиидиэлектриковэлектрическимполемиприсущевсемпородам.Причинамиэлектрострикцииявляются,сод-нойстороны,давлениенапородузаряженныхчастиц,создающихполеипритя-гивающихсядругкдругу,сдругойстороны-смещениеионовиэлектроноввпороде,вызываемоеполем.Т.е.электрострикция-явление,сопутствующееполяризации.

Механическиенапряжения,возникающиеврезультатеэлектрострикции,

прямопропорциональнаквадратунапряженностиэлектрическогополя.

Напряженностьполязависитотсвойствсреды,вкоторойимеетсяэлектри-ческоеполе.ВлияниесредыустанавливаетсязакономКулонаосилевзаимо-действияF(двухзарядовq_1иq₂).

.

2

F ^q1q2 ,H

4

_ar

где,F-силавзаимодействиядвухзарядовq_1иq₂;

(-коэффициент,

учитывающийэлектрические

свойствасредыиназывае-

мыйабсолютнойдиэлектрическойпроницаемостью;r-расстояниемеждузарядами.

Величинуε_aможнопредставитькакε_a=ε·ε_0,гдеε_0-некоторыйкоэффици-

ентпропорциональности

междусилойивзаимодействующими

зарядами,рас-

положеннымиввакууме.Этоткоэффициентназываетсяэлектрическойпосто-яннойвакуумаε₀₌8,85·10^-12Ф/м.

Тогдаε–этоотносительнаядиэлектрическаяпроницаемостьисследуемого

^a

₀

вещества.Она показывает,восколькоразуменьшаетсянапряженностьэлек-трического полявпородепосравнениюсвакуумом.Относительнаядиэлектри-ческаяпроницаемостьпородзависитотчислаполяризующихсявединицеобъ-емачастициотихсреднегокоэффициентаполяризуемости.

Диэлектрическиепотеривдиэлектрикехарактеризуютсятангенсомугладиэлектрическихпотерьиравныотношениюактивнойиреактивнойсостав-ляющих тока:

tg

_^I_a 1

I_p 2f

• CR_a

Полнаявеличинадиэлектрических потерьявляетсясуммойпотерь,вызван-ныхсквознымтокомпроводимости(независящихотчастоты)ирелаксацион-ныхпотерь,связанныхспереориентацией диполейидругимиявлениями.

Пьезоэлектрическийэффект,открытыйв1880г.заключаетсявтом,чтоприприложенииккристаллувопределенномнаправлениимеханическойна-грузкионполяризуется(турмалин,сегнетовасоль,кварц).Этотпроцессобра-тим,т.е.еслиприложитьккристаллуэлектрическоеполе,тооновызываетегодеформацию.Припеременномполекристаллначинаетвибрировать.

Электропроводностьгорныхпородможет осуществляться:

• спереносомвещества(ионнаяиионно-электроннаяпроводи-мость);

• безпереносавещества(электроннаяидырочнаяпроводимо-сти).

ПризнакомэлектроннойпроводимостиявляетсяэффектХолла,заключаю-щийсявтом,чтопривнесенииобразцавпоперечноемагнитноеполеперпен-дикулярнонаправлениютока,возникаетразностьпотенциалов.

Повеличинеэлектропроводностивсевеществаделятсянапроводники,по-лупроводникиидиэлектрики.

Какизвестно,прималыхнапряженияхдлядиэлектрикасоблюдаетсязаконОма:

^dUconstRdI

ПрипереходекбольшимнапряжениямзаконОмаперестаетсоблюдаться,итокначинаетбыстрорасти-сопротивлениедиэлектрикаубывает.

Напряжение,прикоторомсопротивлениестановитсяравнымнулю,называ-етсяпробивнымнапряжением,асоответствующаяэтомунапряжениюнапря-женностьэлектрическогополя-пробивнойнапряженностью.

Притепловомпробоеток,проходящийчерезпороду,нагревает ее.

Отличительныечертытепловогопробоя:

• нагревгорныхпород;

• относительнаядлительность процесса;

• зависимостьпробивнойнапряженности оттемпературы.

Электрическийпробойпроисходит,когдавгорнойпородеобразуютсяинакапливаютсяподнепосредственнымвоздействиемэлектрическогополясво-бодныеносителитока(ионы,электроны).Втотмомент,когдалавинообразноенарастаниеносителейтокадостигаетпредела,происходитнарушениесвойствдиэлектрика,сопротивление породырезко падает.

Приэлектрическомпробоеглавнымфактором,обуславливающийпробой,являетсянапряженностьэлектрическогополя.Электрическийпробойвот-личиеоттепловогопробояпроисходитпрактическимгновенно.Дляосуществ-ленияэлектрическогопробоянеобходимонапряжениевсотниразбольше,чемдлятеплового(10^6–10^7В/смиболее).

Химическийпробой,когдапробойпородыпроисходитврезультатеопре-деленныххимическихизмененийвней.Строгоговоря,химическиеизменениясопровождаютлюбойтепловойпробой,аврядеслучаевиэлектрический,по-этомудовольночистохимическуюформуневыделяюткакотдельныйвидпро-боя.

Способностьвеществакнамагничиванию,выраженнаяотношениемнамаг-ниченности,кнапряженностивнешнегомагнитногополя,называетсямаг-нитнойвосприимчивостью

I_m

_m

H

Магнитныесвойствавеществахарактеризуютсяещеимагнитнойпрони-цаемостью,котораяпоказывает,восколькоразвнешнеемагнитноеполеизме-няетсявследствиенамагничиваниясреды.

B_aH

^a

₀

µ₀₌₄·π·10^-7Гн/м-магнитнаяпостояннаявакуума.

Позначениюотносительноймагнитнойпроницаемостивсевеществаделят-сянатригруппы:

-диамагнетики(µ<1, 0,999836-1,0);

-парамагнетики(µ>1, 1,0-1,0064);

-ферромагнетики(µ>>1,1,0064-5,0)именяетсявзависимостиотнапря-женностивнешнего поля(10⁴-4·10⁶).

Электромагнитноеполе-этоособыйвидматерии,характеризуемыйнали-чиемэлектрическогоимагнитногополей,связанныхнепрерывнымвзаимнымпревращением.

Электромагнитноеполе,возникшеевнекоторомместепространства,рас-пространяетсявовсесторонысоскоростью,зависящейотсвойствсреды.

Распространениеэлектромагнитныхволнзависитотэлектрическихимаг-нитныхсвойствпороды ичастотысамогополя.

Увеличениедиэлектрическойимагнитнойпроницаемостиипроводимостипородуменьшаетскоростьеепрохождения,засчет увеличения ихпоглощения.Практическоезначениеимеетпоказательглубиныпроникновенияэлек-тромагнитныхволн–эторасстояниевпороде,накоторомтеряется86,5%

электромагнитнойэнергии.

Припереходеэлектромагнитнойволныизоднойсредывдругую,частьвол-ныотражается,апрошедшаяволнаиспытываетпреломление.

Соотношениемеждузначениямипадающих,отраженныхипреломленныхволнопределяетсяволновымсопротивлениемсред.

но:

Волновоесопротивлениенеограниченнойсредывпростейшемслучаерав-



ZZ_{0 }

гдеZ₀=120·π,Ом–волновоесопротивлениевакуума.