Диэлектрическая проницаемость и поляризация горных пород

 

Главной характеристикой электрического поля является его напря­женность, которая представляет собой отношение силы, действующей на заряд, к величине этого заряда, . В свою очередь, в соответст­вии с законом Кулона сила взаимодействия двух зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния г между ними

(6.9)

Абсолютная диэлектрическая проницаемость

(6.10)

Здесь является электрической постоянной, а называ­ется относительной диэлектрической проницаемостью, характеризующей свойства среды (горной породы), в которой взаимодействуют заряды. В вакууме . Если рассмотреть силовые характеристики электрического поля в вакууме (о) ив горной породе (гп), то из предыдущих уравнений следует

(6.11)

Таким образом, относительная диэлектрическая проницаемость пока­зывает, во сколько раз напряженность электрического поля в горной поро­де меньше, чем в вакууме. Уменьшение напряженности поля в горной по­роде вызвано процессами ее поляризации, и в этом качестве относительная диэлектрическая проницаемость является мерой поляризации горных по­род

(6.12)

где — вектор поляризации.

Под поляризацией понимают процесс разделения зарядов, в результате которого образуется объёмный дипольный электрический момент горной породы. Вектор этого момента направлен против внешнего поля и тем самым ослабляет его. В горных породах выделяют следующие виды поляризации:

1. Электронная поляризация определяется смещением электронных орбит в поле относительно положительно заряженного ядра. Она происхо­дит в любых телах практически мгновенно. Время срабатывания данного механизма (время релаксации) .

2. Ионная поляризация обусловлена смещением разноименно заря­женных ионов в электрическом поле в пределах упругости решетки. Время срабатывания .

3. Дипольная поляризация определяется ориентированием полярных молекул (например, молекул воды) в электрическом поле, за счет чего соз­дается суммарный электрический момент, направленный против внешнего поля. Данный механизм присущ горным породам, молекулы которых уже имеют дипольный момент, но в отсутствие внешнего поля хаотично ори­ентированный. Электрическое поле разворачивает такие молекулы на не­который (очень небольшой) угол. Время релаксации - .

4. Макроструктурная (миграционная) поляризация происходит вслед­ствие элементарных токов в токопроводящих включениях горной породы. В отдельных зернах проводников (металлов) или полупроводников имеют­ся свободные носители заряда (электроны или ионы). Под действием элек­трического поля эти заряды перемещаются за счет механизмов электро­проводности в пределах отдельного зерна. За счет этого каждое такое зер­но приобретает дипольный момент, т.е. проявляет себя как большой ди­поль. Время завершения этого вида поляризации составляет .

5. Электрохимическая поляризация вызывается любыми химически­ми процессами, возникающими при прохождении тока по горным породам и связанными с разделением зарядов. К таким процессам можно отнести окислительно-восстановительные реакции, электролиз, электроосмос и др. Это самый медленный вид поляризации, для завершения которого требу­ются, подчас, десятки минут.