Электрические свойства

По Максвеллу плотность полного электричес­кого тока в среде определяется выражением

где j_пр, j_см — плотности тока проводимости и смещения, σ – удельная электрическая проводимость среды, ε_а - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, причем ε_а = εε₀ , где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды; ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м — значение ее в вакууме.

В поле, гармонически изменяющемся во времени с частотой ω

В постоянном и низкочастотном переменном полях полный ток определяется целиком током проводимости. В высокочастот­ном переменном поле полный ток является суммой токов про­водимости и смещения.

Ток проводимости возникает непосредственно под действи­ем электрического поля Е.

Величина j определяется значением σ=1/ρ.

Проводимость среды — способность пропускать электричес­кий ток, сопротивление - способность препятствовать прохож­дению тока. Удельная электрическая проводи­мость среды σ и ее удельное электрическое со­противление ρ равны соответственно проводимости Σ и сопротивлению R единицы объема среды.

Проводимость среды обусловлена переносом электрических зарядов сквозным током - электронов, ионов, дырок. В веще­ствах с электронной проводимостью (металлы, графит) ток рас­пространяется благодаря движению электронов. В диэлектри­ках природа проводимости ионная, в полупроводниках — дыроч­ная. Растворы электролитов обладают ионной проводимостью.

В высокочастотном поле в средах с низкой проводимостью, представленных диэлектриками и полупроводниками, наряду со сквозным током j_скв появляется релаксационная составляющая тока j_рел, обусловленная поляризацией частиц среды. В резуль­тате поляризации наряду с основным полем возникает допол­нительное, направленное противоположно основному, поляризу­ющему. Поляризация пропорциональна поляризующему по­лю:

= αЕ,

где α — поляризуемость среды. Поляризуемость ха­рактерна, как правило, для сред с низкой проводимостью - ди­электриков. Любое вещество способно быть проводником и по­ляризоваться; в общем случае его относительная диэлектричес­кая проницаемость определяется как ε = 1+4πα.

Различают по­ляризации упругую, релак­сационную и структурную поляризации.

1. Упругая поляризация заключается в смещении упругосвязанных зарядов (электронов, ионов) вещества в электрическом поле. Она протекает быстро (время установления совпадает с периодами колебаний, соответствующих инфракрасному излучению, т.е. 10^-12 ÷ 10^-14 с). Относительная диэлектрическая проницаемость у диэ­лектриков с упругой поляризацией обычно составляет 4 - 15, но у некоторых ионных кристаллов она достигает нескольких сотен (до 300 у титаната стронция, например).

2. Релаксационная (тепловая) поляризация характерна для ве­ществ, содержащих слабосвязанные частицы, способные менять равновесие при тепловом движении. Поляризация этого типа вызы­вается тем, что приложенное внешнее электрическое поле создает в хаотическом тепловом движении заряженных частиц определен­ную упорядоченность.

Различают две разновидности поляризации: ориентационную дипольную тепловую и ионную тепловую.

3. Дипольная поляризация возникает в полярных жидкостях (в том числе и в воде) за счет преимущественной ориентации слабосвя­занных дипольных молекул в электрическом поле. Время релакса­ции полярной жидкости пропорционально ее вязкости. В сложных полярных молекулах может также наблюдаться внутримолекуляр­ное вращение различных частей молекулы относительно друг дру­га.

4. Ионная тепловая поляризация возникает в ионных кристаллах, содержащих слабосвязанные ионы, появление которых обуслов­лено дефектами кристаллической решетки. Ионы при тепловом движении перемещаются, преодолевая потенциальные барьеры. Электрическое поле формирует преимущественное направление их переходов. В результате дипольный момент единицы объема по­роды становится отличным от нуля и поддерживается этим элект­ромагнитным процессом.

5. Наконец, в многофазных горных породах наблюдается струк­турная (объемная) поляризация, связанная с захватом носителей тока микродефектами кристаллической решетки, замедлением их передвижения у межфазовых границ раздела или с застреванием свободных зарядов на макронеоднородностях кристаллов. Это сравнительно медленный тип поляризации, период ее становле­ния находится в пределах радиочастот (10^-4 ÷ 10^-10 с).

Диэлектрическая проницаемость минералов обусловлена главным образом упругой поляризацией (ионной и электронной). Относительная величина диэлектрической проницаемости боль­шей части минералов находится в пределах 4 - 12, основных поро­дообразующих минералов – 4 - 7. Наименьшее значение имеет нефть (2 - 4), наибольшее - рутил (90 - 170).