Магнитные свойства горных пород

Рисунок 12- 1 .Электрическая поляризация горных пород

а) - при отсутствии внешнего электрического поля;

б) при наличии внешнего электрического поля.

Р – суммарный вектор поляризации; Е – направление действия электрического поля;

q - величина электрического заряда; - перемещение электронов.

Ионная поляризация (атомная) поляризация образуется за счет смещения в электрическом поле ионов или частей кристаллических решеток с ковалентной связью.

Дипольная поляризация наблюдается при наличии в породах ионов с полярными связями. В этом случае каждая молекула уже имеет некоторый дипольный момент при отсутствии внешнего электрического поля. В некотором объеме породы, состоящем из таких молекул, из-за хаотического расположения, суммарный дипольный момент при отсутствии внешнего поля равен нулю.

Миграционная поляризация возникает в многофазной породе, состоящей из частиц, обладающих различными электронными свойствами, а также при наличии пор, заполненных электролитом. При внесении породы в электрическое поле свободные электроны и ионы, содержащиеся в проводящих и полупроводящих включениях, начинают перемещаться в пределах каждого включения. В результате каждое включение приобретает дипольный момент и ведет себя подобно большому диполю.

Время установления дипольной и миграционной поляризации пород сравнимо с частотой применяемых на практике электромагнитных полей, поэтому дипольная и миграционная поляризации называются релаксационными или медленными в отличие от «мгновенного» смещения электронов и ионов.

Поляризации пород сопутствует явление электрострикции. Оно заключается в деформировании (подобно всестороннему сжатию) диэлектриков под действием электрического поля и присуще всем породам. Причинами электрострикции являются давление на породу заряженных частиц, создающих электрическое поле и притягивающихся друг к другу и смещение ионов и электронов в породе, вызываемое внешним полем.

Поляризация, возникающая в результате приложения механических нагрузок на породу вызывает пьезоэлектрический эффект. Нагрузив монокристалл кварца, получают разноименные заряды на его противоположных гранях. Этот эффект обратим: приложение к кварцу электрического поля вызывает деформацию кристалла, которая значительно больше, чем электрострикция. Пьзоэффект в отличие от электрострикции зависит от направления поля. Поэтому, приложив к граням кристалла переменные электрические поля, можно вызвать вибрацию кристалла.

В результате электрической поляризации пород возникает внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему. Поэтому в любом веществе суммарная напряженность электрического поля Е_э оказывается меньше, чем в вакууме Е_э0. Отношение Еэ /Еэ₀, показывающее, во сколько раз напряженность поля в веществе меньше по сравнению с вакуумом, называется относительной диэлектрической проницаемостью ε_r, являющейся мерой поляризации вещества.

Диэлектрическая проницаемость минералов при небольших частотах находится в пределах от 3 до 25. Наименьшее значение величины диэлектрической проницаемости от 3 до 4 имеют минералы, обладающие в основном электронной поляризацией (гипс, сера). Минералы, у которых к электронной поляризации добавляется ещё ионная поляризация, обладают большей диэлектрической проницаемостью.

Перенос зарядов из одной точки проводника в другую, осуществляемый электронами и ионами, носит название электрической проводимости.

Количество элементарных зарядов, проходящих через единицу сечения проводника в единицу времени, называется плотностью электрического тока:

3.- 19

n - число заряженных частиц в единице объема; q - заряд частицы; - средняя скорость направленного движения зарядов.

Известно, что скорость направленного движения зарядов , где u – подвижность частиц, подставляя это значение в формулу 12-1 получим плотность тока в виде

Это уравнение представляет собой закон Ома, причем коэффициент , зависящий от вида и состояния проводящей породы, называется её удельной электрической проводимостью. Величина обратная удельной электрической проводимости называется удельным электрическим сопротивлением.

Удельное электрическое сопротивление горных пород зависит от минерального состава, структуру, текстуры, влажности и температуры пород.

Подобно тому, как диэлектрическая проницаемость характеризует электрические свойства диэлектриков, удельная электрическая проводимость является электрическим параметром проводников. Горные породы в основном входят в группу полупроводников, характеризующихся свойствами как диэлектриков, так и проводников.

Прохождение тока через горные породы может проходить с переносом вещества (ионная, ионно-электронная проводимость) и без переноса вещества.

Сила взаимодействия между двумя магнитными массами на расстоянии друг от друга, согласно закону Кулона равна

3-21

где F_м – сила взаимодействия между двумя магнитными массами m₁ и m₂; r – расстояние между зарядами; μ_а – некоторая характеристика среды (вещества, горной породы), называется абсолютной магнитной проницаемостью.

Отношение абсолютной магнитной проницаемости в горных породах μ_а, к магнитной проницаемости в вакууме μ₀, называется относительной магнитной проницаемостью μ, т.е. μ = μ_а/μ₀

НамагниченностьJ горных пород вычисляется как предел отношения суммы магнитных моментов в некотором объеме породы к этому объему:

3-22

Намагниченность горной породы может быть определена как приращение магнитной индукции поля в веществе по сравнению с вакуумом:

3-23

Коэффициент (μ–1)=κ называется объемной магнитной восприимчивостью, а отношение восприимчивости к плотности породы κ/ρ удельной магнитной восприимчивостью.

Намагниченность породы обусловлена суммой магнитных моментов её электронов, атомов и доменов (целых объемов). Произведение элементарного тока i на площадь магнитного диполяΔS называется магнитным моментом электрона. Эта величина постоянная и равна 9,28*10^-24 Дж/Т.

Если магнитные моменты всех электронов атома компенсирую друг друга, то при напряженности магнитного поля Н равной нулю (Н = 0) атом не намагничен. Такие породы называют диамагнитными. Магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы (μ < 1). Величина диамагнетизма определяется радиусами атомных орбит.

Горные породы, атомы которых обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, называются парамагнитными. Магнитная проницаемость диамагнетиков больше единицы (μ > 1).

Горные породы, у которых целые объемы (домены) обладают магнитными моментами при отсутствии внешнего поля, называются ферромагнитными. Благодаря доменам магнитная проницаемость ферромагнитных пород значительно больше, чем у парамагнитных.

Пример.

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 775; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!