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.