Электрическая поляризация

В любой горной породе имеются свободные (электроны) и связанные (например, ионы) заряды.

При наложении на породу электрического поля в ней происходит смещение внутренних связанных зарядов. В результате на её поверхности появляются неуравновешенные заряды. Это явление носит название электрической поляризации.

Рис. 1 Различные виды электрической поляризации горных пород. Состояние породы:

а – при отсутствии внешнего электрического поля; б – при наличии внешнего электрического поля; 1 – диэлектрик; 2- проводник; 3 – поры; I – электронная поляризация; II – дипольная; III – миграционная.

Вектор поляризации Р_э – суммарный электрический момент единицы объёма породы. В зависимости от механизма поляризации и типа частиц, участвующих в ней, выделяют четыре основные её вида: электронную, ионную, дипольную и миграционную.

Электронная поляризация Р_эл возникает в атомах в результате смещения электронных орбит относительно положительно заряженных ядер.

Она присуща всем атомам и молекулам и является наиболее быстрым видом поляризации (возникает за 10^-15с).

Ионная (атомная) поляризация Р_и образуется за счёт смещения в электрическом поле ионов или частей кристаллических решёток с ковалентной связью. При этом под воздействием электрического поля положительные и отрицательные ионы сдвигаются. Время установления меньше, чем электронная 10^-14 – 10^-12с.

Дипольная поляризация Р_д наблюдается при наличии в породах ионов с полярными связями. В этом случае каждая молекула уже имеет некоторый дипольный момент при отсутствии внешнего электрического поля. Из-за их хаотического расположения суммарный дипольный момент при отсутствии внешнего поля равен нулю.

При его наличии диполи будут ориентироваться согласно внешнему полю, т.е. возникает электрическая поляризация объема породы(10^-10 – 10^-7с).

Миграционная (объёмная) Р_м поляризация возникает в многофазной породе, состоящей из частиц, обладающих различными электрическими свойствами, а также при наличии пор, заполненных электролитом

(10^-6–10^-3с).

При внесении породы в электрическое поле свободные электроны и ионы, содержащиеся в проводящих и полупроводящих включениях, начинаются 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 указанные виды поляризации называются релаксационными или медленными в отличие от «мгновенного» смещения электронов и ионов.

Суммарная поляризация породы, представляющая собой средний дипольный момент единицы её объёма, равна сумме всех видов поляризации.

Поляризации пород сопутствует явление, называемое электрострикцией – деформирование (подобно объёмному сжатию) диэлектриков под действием электрического поля присущее всем породам. Причинами электрострикции являются, с одной стороны, давление на породу заряженных частиц, создающих электрическое поле и притягивающихся друг к другу, с другой – смещение ионов и электронов в породе, вызываемое внешним полем.