Електричні властивості речовин і методи їх визначення

З електричних властивостей речовин найбільше значення в геофізиці мають питомий електричний опір, діелектрична проникність, природна і викликана поляризації і п'єзоелектричний ефект.

Можливість спрямованого руху заряджених частинок (електронів і іонів) під дією зовнішнього електричного поля обумовлює електропровідність речовин. Опір в електричному струмі викликається хаотичним (тепловим) переміщенням заряджених частинок і залежить від будови електронної оболонки атомів, кристалохімічних структур мінералів і іонізаційних властивостей водяних розчинів солей.

Питомий електричний опір (таблиця 4.1)

[Ом×м], (4.1)

де: R — опір речовини, Ом; l — довжина тіла, м; s — поперечний переріз його, м².

Питома електрична провідність .

За природою електропровідності виділяються: провідники, напівпровідники і діелектрики (електронні й іонні).

Високою електропровідністю володіють метали (r =10^-4¸10^-8 Ом×м). Електропровідність металів електронна. Вона зумовлюється специфічною металевою формою кристалічного зв'язку. Основна особливість останньої — наявність нелокалізованих електронів (чи багатоцентрових орбіт), що охоплюють весь кристал металу. Чим більше нелокалізованих електронів, тим вище провідність металів. Присутність електронопровідних елементів у з'єднаннях при ковалентно-металевій і іонно-металевій формі кристалічного зв'язку визначає високу електропровідність ряду мінералів (r =10^-3¸10^-6 Ом×м).

Характерна риса електронних провідників — збільшення опору з підвищенням температури, що зумовлюється зростаючим хаотичним рухом електронів. Спостерігається залежність опору від хімічних домішок і зростання при цьому r. Наслідком сказаного є мінливість питомого опору рудних мінералів, що може мінятися на 2—3 порядки.

Ряд мінералів з іонною формою кристалічного зв'язку характеризується іонною провідністю. Найбільш типова іонна провідність для електролітів, а в природних умовах — для води, що заповнює пори гірських порід. При відриві електронів від атомів чи при їхньому приєднанні нейтральність атомів порушується і вони стають відповідно позитивно чи негативно зарядженими іонами. Рух іонів під дією зовнішнього електричного поля викликає електричний струм, що на відміну від струму в електронних провідниках супроводжується перенесенням речовини. Питомий опір іонних провідників зменшується з підвищенням температури, а у водяних розчинах солей — зі збільшенням ступеня мінералізації.

Властивості напівпровідників мають ряд хімічних елементів і більшість силікатних і окисних елементів з ковалентною чи іонною формами кристалічного зв'язку. Хоча в будові багатьох мінералів беруть участь елементи з електронною провідністю, тверді решітки мінералів зумовлюють слабку рухливість електронів і, як правило, високий опір (10⁴—10⁸ Ом×м).

Напівпровідники можуть володіти власне електронною і дірковою провідністю. Перша створюється за рахунок руху електронів, але менш вільного, ніж у провідниках. При цьому русі увесь час звільняються місця на електронних орбітах сусідніх атомів (дірки), що як би пересуваються в зворотному напрямку. У хімічно чистих елементах і мінералах кількість електронів, що пересуваються, і дірок рівна, але при наявності хімічних домішок навіть у незначній кількості ця рівновага порушується і спостерігається типово електронна чи типово діркова провідність, що розрізняється за знаком; відбувається різке збільшення чи зменшення опору з утворенням на границі запірного шару. Характерною рисою напівпровідників є зменшення опору з підвищенням температури; при дірковій

Таблиця 4.1

Електричні параметри

Параметр, індекс	Визначення	Одиниці виміру
CІ	СГС
Питомий електрич-ний опір r	Опір (R) 1 м^3 гірської породи (мінералу) електричному струму, що проходить через породи (мінерал) паралельно двом його граням	Ом•м	Ом•см
Позірний питомий електрич-ний опір rп	Вимірюваний при электро-розвідувальних і каротажних роботах електричний опір, що залежить від умов виміру, типу і розмірів установки і r порід	Ом•м	Ом•см
Відносна діелектрич-на проникність e	Параметр, що показує, у скільки разів зменшується напруженість електричного поля Е в діелектрику стосовно Е в вакуумі	_	_
П'єзо-електрич-ний модуль d	Коефіцієнт пропорційності між компонентами вектора поляризації і тензора механіч-них напруг (деформацій)	Кл/Н
П'єзо- електрична константа l	Відношення вектора інтен-сивності поляризації до меха-нічної деформації	Кл/м^2

Продовження таблиці 4.1

Параметр, індекс	Визначення	Одиниці виміру
CІ	СГС
Самовільна поляризація ПС, DUпс, DUеп	Властивість гірських порід (мінералів) створювати елек-тричне поле внаслідок окис-слювально-відновних, филь-траціних, дифузійних, адсор-бційних і інших процесів	В(мВ)	мВ
Дифузійні DUД, дифузійно-адсорб-ційні DUДА потенціали	Природні потенціали, що виникають унаслідок дифузій-них чи іонносорбційних процесів	В(мВ)	мВ
Викликана поляризація DUВП	Властивість гірських порід (мінералів) зберігати елек-тричне поле, що виникло під дією електричного струму, після його відключення	В(мВ)	мВ
Поляризуємість h	Параметр, дорівнює відношенню ЕРС поляризації (DUВП)до різниці потенціалів збуджую-чого електричного поля	%	%

провідності в деяких напівпровідниках збільшення t до 800 °С супроводжується зниженням опору в 10⁶ раз. Для всіх напівпровідників характерна дуже велика залежність опору від найменших хімічних домішок, наприклад, надлишок кисню в 0,1 % зменшує опір куприту в 10⁴ разів. Особливість напівпровідників виявляється у великій чутливості до різного виду опромінення (фотоефект і ін.).

Діелектриками є хімічні елементи і мінерали з ковалентною формою зв'язку і найбільш щільним упакуванням атомів у решітках (острівні і ланцюгові структури). Питомий опір мінералів 10¹²—10¹⁶ Ом×м, а деяких елементів 10²³—10²⁵ Ом×м. У сильних електричних полях діелектрики мають електронну провідність. Залежність їхнього опору від температури аналогічна залежності для напівпровідників. Найбільш характерна властивість діелектриків — їхня поляризація, тобто зсув заряджених часток (електронів і іонів) і орієнтування полярних молекул під впливом електричного поля. Поляризаційними властивостями володіють також багато напівпровідників.

Поляризація діелектрика характеризується вектором інтенсивності

, (4.2)

де: m — дипольний момент частинки; n — число поляризованих частинок в одиниці об'єму.

В ізотропних діелектриках збігається з вектором напруженості електричного поля і зв'язаний з ним співвідношенням

, (4.З)

де: — діелектрична сприйнятливість.

На практиці для характеристики речовини користаються поняттям відносної діелектричної проникності

. (4.4)

Відносна діелектрична проникність — безрозмірна, на відміну від абсолютної діелектричної проникності, що у СІ має розмірність Ф/м.

У залежності від будови діелектриків розрізняють два основних види поляризації: поляризацію зсуву і релаксаційну поляризацію. Перша поділяється на поляризацію електронного й іонного зсуву. Поляризація електронного зсуву, зумовлена зсувом електрона щодо ядра, виявляється практично миттєво і спостерігається у всіх твердих, рідких і газоподібних речовинах. Для діелектриків, що мають тільки поляризацію електронного зсуву, e близька до квадрата показника заломлення l відповідно до рівняння Максвелла:

. (4.5)

Поляризація іонного зсуву полягає в зсуві іона одного знака щодо іона іншого знака і відбувається за час 10^-12-10^-13 с. Вона спостерігається у твердих речовинах з іонними решітками, а також в аморфних діелектриках при наявності іонів. Діелектрична проникність таких матеріалів лежить у межах 4—15.

Релаксаційна поляризація зв'язана з наявністю в діелектриках полярних молекул чи молекул, об'єднаних у полярні радикали (диполі) слабозакріплених іонів, а також збуджених тепловою енергією надлишкових «дефектних» чи електроних «дірок». У залежності від того, які частинки викликають поляризацію, розрізняють дипольну, іонну й електронну поляризації. Матеріали, у яких спостерігається

1 - структурнаe_s 2 - дипольна e_d, 3 - атомна e_а, 4 - електронна e_e.   Рисунок 4.1 Ідеалізована залежність діелектричної проникності від частоти струму при прояві різних видів поляризації.  

релаксаційна поляризація, володіють високою діелектричною проникністю.

До релаксаційних видів поляризації відноситься також структурна поляризація, що виникає в неоднорідних матеріалах.

У реальному діелектрику поляризація є результуючою різних поляризаційних процесів. Виникнення того чи іншого типу поляризації визначається хіміко-фізичними властивостями речовини і діапазоном використовуваних частот (рисунок 4.1).

У перемінних електричних полях для діелектрика властиві діелектричні втрати, зв'язані з переходом частини електричної енергії в тепло. Вплив поляризації залежить від часу її встановлення й області застосовуваних частот. Поляризація електронного й іонного зсуву, що встановлюється за 10^-13—10^-16 с, втрат не викликає. Час установлення релаксаційної поляризації значно більше й обумовлює струм і', що є сумою активного і`<sub>а</sub> і реактивного і`_r струмів. Тангенс кута діелектричних втрат реального діелектрика

, (4.6)

де: і_с - ємнісний струм (струм зсуву);і_а– струм провідності.

Тангенс кута діелектричних втрат у залежності від частоти і величини діелектричної проникності описується формулою Дебая:

, (4.7)

де: t - час релаксації; w - кутова частота; діелектрична проникність: e₀ — при w = 0, e₀ - при w®¥.

Вимір питомого електричного опору. Для виміру питомого електричного опору порід застосовують двох- і чотирьохелектродний способи. У двохелектродному способі шляхом виміру електричного опору R, довжини l і площі поперечного переріза s зразка розраховують питомий опір r за формулою (4.1). Електроди розташовують симетрично один до одного з протилежних сторін зразка. У чотириелектродному спосіб і виміряється спадання напруги DU між прийомними електродами, що відбувається при пропущенні струму I через електроди живлення, тоді

, (4.8)

де: K — коефіцієнт, що залежить від форми, розмірів зразка і відстані між прийомними і живильними електродами.

Перевага чотириелектродного методу – усунення приелектродної поляризації.

Основна умова одержання на зразках даних, що відповідають питомому опору гірських порід у природних умовах залягання, — проведення вимірів з попереднім насиченням зразків водою, ідентичної до мінералізації пластовим водам. При пористості порід більш 5% насичення зразків проводиться замочуванням, при меншій пористості — під вакуумом у спеціальних ексикаторах. Методи і схеми виміру r описані у методичних вказівках до лабораторних робіт.

Вимір діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат. Основним методом визначення діелектричної проникності зразків порід, а також тангенса кута діелектричних утрат є метод плоского конденсатора. Зі зразка породи виготовляється пластина, що як діелектрик розміщується між електродами вимірювального конденсатора. Розміри зразка вибираються з урахуванням збереження квазістаціонарності — ефективні розміри конденсатора зі зразком повинні бути набагато менше довжини хвилі електричного поля. Вимір ємності плоского конденсатора можна робити в звуковому діапазоні за допомогою мостових схем, а в радіочастотному — мостовим, резонансним, імпульсним методами і методом биттів. При вимірі гірських порід з великими втратами, як і при вимірі питомого електричного опору, застосовуються мости з паралельним включенням опору і ємності, з малими втратами — мости з послідовним включенням. Значення діелектричної проникності через ємність конденсатора С_х зі зразком обчислюється за формулою

, (4.9)

де: d — товщина зразка; s — площа контакту зразка.

Існують дві групи резонансних методів. Перша група заснована на настроюванні вимірювального контуру в резонанс із частотою генератора, що живить контур. Відновлення резонансу контуру на вимірюваній частоті, порушеного внесенням у контур конденсатора зі зразком, досягається зміною ємності еталонного конденсатора. Друга група методів заснована на порівнянні частот двох генераторів — еталонного (опорного) і робочого, що змінює свою частоту в залежності від величини вимірюваної ємності, включеної в його коливальний контур. До резонансних методів першої групи відноситься метод заміщення. У коливальний контур замість вимірювального конденсатора з досліджуваним зразком включається конденсатор перемінної ємності С_екв і недротяний потенціометр R_екв з'єднані паралельно, чи послідовно. Двічі контур налаштовується в резонанс — зі зразком і з його еквівалентом. Конденсатором і опором еквівалента відновлюються резонанс контуру і напруга на вольтметрі, які були в контурі зі зразком. Діелектрична проникність і тангенс кута втрат обчислюються за формулами:

; (4.10)

(4.11)

де: С₀ — ємність вимірювального конденсатора з повітряним діелектриком, обчислена за формулою для плоского конденсатора.

Різновидом методу заміщення є метод варіації ємності. Контур налаштовується в резонанс на одній і тій же частоті також двічі — зі зразком між пластинками вимірювального конденсатора і без нього. В другому випадку порушений резонанс відновлюється зближенням пластин вимірювального конденсатора. При вимірі мінералів використовуються також інші методи.

Вимір поляризуємості порід. Методи виміру параметра викликаної поляризації h порід засновані на вивченні перехідного процесу, що виникає в гірських породах під впливом імпульсного електричного поля. Найпростіший метод виміру h зводиться до осцилографічного запису напруги за допомогою світлочутливого осцилографа. Перехідний процес реєструють також у цифровій формі з подальшою обробкою магнітограм; можлива реєстрація напруги напівавтоматичним способом при проведенні каротажу і з точковим записом при проведенні польових робіт.

Лабораторні методи виміру поляризуємості аналогічні методам виміру електричного опору. Значення Uвп вимірюються через певний час після відключення струму. Режим вимірів - струм збудження і його частота, час зарядки зразка і час запису спаду напруги— визначається експериментальним шляхом.

Дата добавления: 2015-07-12