Диэлектрические потери в горных породах
Рассмотренные выше виды поляризации независимы друг от друга и аддитивны, т.е. вносят суммарный вклад в общую поляризацию горной породы. Электронная поляризация происходит практически мгновенно. Для завершения же последующих видов поляризации требуется все большее время (время релаксации). Поэтому с увеличением частоты переменного электрического поля все больше механизмов поляризации не успевает сработать и суммарный вектор поляризации уменьшается. При этом за счет запаздывания медленных видов поляризации увеличивается кинетическая энергия колебаний ионов и молекул в узлах кристаллической решетки, что сопровождается нагреванием горной породы. Та часть энергии электрического поля, которая расходуется на нагрев горной породы, называется диэлектрическими потерями.
По общефизическим представлениям переход электрической энергии в тепловую, действительно, представляется потерями. Однако с точки зрения горной практики такие потери могут оказаться весьма полезными. Так, нагревание породы в переменном электрическом поле используется при оттаивании мерзлых пород, термическом разрушении массивов и др. Дадим количественную оценку этого эффекта.
Рис.6.1. Электрическая схема горной породы
Горную породу можно представить (с точки зрения ее поведения в электрическом поле) в виде следующей эквивалентной схемы (рис.6.1). В такой схеме с параллельным соединением активного сопротивления (резистора) R и конденсатора С общий электрический ток раскладывается на две составляющие - активную и реактивную (емкостную) Простейшая векторная диаграмма представлена на рис. 6.1. Угол , дополняющий до 90° угол сдвига фаз между полным током и напряжением, называется углом диэлектрических потерь и является свойством горной породы. В соответствии с векторной диаграммой
(6.13)
где и - активное и емкостное электросопротивления горной породы, — частота электрического поля; - емкость конденсатора, заполненного породой.
В соответствии с законом Джоуля - Ленца количество теплоты, выделяющейся в теле за единицу времени
(6.14)
Подставив в уравнение значение из формулы (6.13), получим
(6.15)
Таким образом, тангенс угла диэлектрических потерь прямо пропорционален количеству выделяющегося в горной породе тепла и в этом качестве является ее характеристикой. На практике обычно определяется удельное количество теплоты, т.е. выделяемая мощность в единице объема породы. Если представить породы в виде плоского конденсатора, то его емкость
(6.16)
Подставив данное выражение в уравнение (6.15), сгруппировав все численные коэффициенты и перейдя от напряжения к напряженности электрического поля , получим
(6.17)
Эта формула служит для расчета процессов нагревания горных пород в переменном электрическом поле. По известным свойствам породы ( ) подбирают такие параметры ( ) электрического поля (например, приобретают серийно выпускаемый генератор), которые обеспечивают нужный тепловой поток .