Диэлектрическая проницаемость. В результате электрической поляризации пород возникает внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему

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

Понятие диэлектрической проницаемости имеет смысл только для плохо проводящих сред. Действительно, если среда, в которой располагаются заряды, способна проводить ток (т.е. имеет много свободных зарядов), то вместо взаимодействия будет происходить перенос заряда из точки с бơльшим потенциалом в точку с меньшим потенциалом до момента их выравнивания.

Наибольшие значения диэлектрической проницаемости присущи породам, в состав которых входят рудные минералы.

В сухих пористых породах величина ε_r значительно ниже, чем в плотных. Это связано с тем, что диэлектрическая проницаемость воздуха (и других газов) близка к единице.

 

Лекция №11

Тема: ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

(продолжение)

План лекции (с.97-115/1/):

 

1. Электропроводность.

2. Магнитные свойства.

3. Радиационные свойства горных пород

 

Электропроводность.

Перенос зарядов из одной точки проводника в другую, осуществляемый электронами и ионами, носит название электропроводности. Векторный показатель, характеризующий количество элементарных зарядов, проходящих через единицу сечения проводника в единицу времени, называют плотностью электрического тока.

Подобно тому, как диэлектрическая проницаемость характеризует электрические свойства диэлектриков, удельная электропроводность является электрическим параметром проводников. Горные породы в большинстве случаев входят в группу полупроводников, характеризующаяся свойствами как диэлектриков (e_r<<¥), так и проводников (породами присуще некоторые значения удельной электропроводности s_э> 0).

Прохождение тока через горные породы может осуществляться с переносом вещества (ионная и ионно-электронная проводимость).

Ионный характер электропроводности имеют все аморфные минералы, галоидные соединения, нитраты, сульфаты и т.д. Электронная проводимость характерна для окислов и сульфидов большинства тяжелых металлов.

По величине электропроводности все вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Разная электропроводность веществ с позиций квантовой теории объясняется различиями в энергетической схеме их кристаллов.

Свободным носителем тока может быть лишь электрон, удаленный от ядра атома на достаточно большое расстояние и находящийся в зоне проводимости, необходимо некоторое энергетическое воздействие на него. Величина такого воздействия зависит от ширины так называемой запрещенной зоны, отделяющей валентную зону обращения электронов от зоны проводимости.

У проводников (металлов) запрещенная зона отсутствует. Приобретая под влиянием внешних факторов дополнительную кинетическую энергию, электроны легко переходят в зону проводимости и становятся способными переносить заряды.

Магнитные свойства.

Магнитное поле характеризуется двумя показателями: напряженностью Н и индукцией В. Напряженность магнитного поля Н (в А\м) определяет величину и направление действия магнитных сил F_м в вакууме на единицу магнитной массы m_м Согласно закону Кулона сила взаимодействия между двумя магнитными массами m₁ и m₂ на расстоянии r друг от друга

 

F = ± m₁· m₂ /(μ_аr²)

 

где μ_а – некоторая характеристика среды (вещества, породы) называемая абсолютной магнитной проницаемостью.

 

Отношение μ_а/μ_о называется относительной магнитной проницаемостью μ.

Магнитная индукция В – векторная величина, выражающая интенсивность магнитного поля.

Между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля в веществе существует прямо пропорциональная зависимость

 

В= µ_аН.

 

В этой зависимости коэффициент пропорциональности µ_а также равен абсолютной магнитной пропорциональности вещества. В вакууме μ_а= μ_о= 4π10^-7. Это константа называется абсолютной магнитной постоянной..

Для оценки магнитных свойств вещества или породы чаще используют показатель относительной магнитной проницаемости u.

Изменение индукции магнитного поля при внесении в него породы связанно с ее намагничиванием. Это явление возникает в породе вследствие появления нескомпенсированного магнитного момента М под воздействием внешнего поля. Последний, в свою очередь, обусловлен наличием в породе элементарных магнитных моментов m_i.

Намагниченность прямо пропорциональна напряженности магнитного поля:

 

J =u_а Н – u_о Н= u_оН (u –1).

 

Коэффициент (u –1) =x называется объемной магнитной восприимчивостью.

Так, если магнитные моменты всех электронов атома компенсируют друг друга, то при Р =о атом не магничен. Такие породы называются диамагнитными. В диамагнитных породах электронные оболочки атомов симметричны и замкнуты. При внесении такого атома в магнитное поле его электронные оболочки получают дополнительную скорость и каждый атом породы приобретает магнитный момент, направленный против поля. Поэтому магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы, и такие породы, помещенные в магнитное поле, уменьшают плотность магнитного потока, т.е. его индукцию. Величина диамагнетизма определяется радиусами атомных орбит и в большинстве случаев не зависит от температуры.

Горные породы, атомы которых обладают магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, называются парамагнитными. Однако в целом образец парамагнетика при отсутствии поля не намагничен вследствие хаотичного распределения в нем магнитных моментов отдельных атомов. Лишь при внесении парамагнетика в магнитное поле его диполи ориентируются сообразно с направлением поля, и, следовательно, образец намагничивается. Так как этой ориентировке препятствует тепловое движение атомов, магнитная проницаемость парамагнетиков с повышением температуры уменьшается. В целом же магнитная проницаемость их несколько больше единицы.

Магнитная проницаемость диамагнетиков и парамагнетиков не зависит от напряженности магнитного поля при изменении его вплоть до 8*10⁵А\ м.

Следует подчеркнуть, что намагниченность, обусловленная диамагнитными явлениями, присуща всем горным породам и минералам, однако, так как она незначительна по величине и направлена противоположно намагниченности, вызванной парамагнитными явлениями, последняя преобладает и становится решающей.

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. Намагниченность ферромагнитных пород достигается воздействием не только внешнего поля, но и намагничивающим действием дополнительного внутреннего молекулярного поля.

Намагниченность ферромагнитных пород зависит от напряженности магнитного поля, причем при определенном значении Н эта зависимость исчезает- наступает насыщение. При снижении напряженности магнитного поля до нуля породы полностью не размагничивается. Это явление носит название остаточной намагниченности J_ост. Для того чтобы породу размагнитить, необходимо воздействие на нее некоторого обратно направленного магнитного поля. Напряженность поля, при которой происходит полное размагничивание, характеризует породу и называется коэрцитивной силой Н_с.

Естественная радиоактивность пород обусловлена наличием в их составе либо минералов, содержащих радиоактивные элементы (уран U, торий Th, радий Ra), либо радиоактивных изотопов калия (К⁴⁰), кальция, рубидия, циркония, олова, теллура, вольфрама, рения и висмута.

Кроме того, ряд минералов обладает способностью адсорбировать из окружающей среды радиоактивные элементы и изотопы, в следствии чего наличие таких минералов в породах также повышает их радиоактивность. Так, повышенной радиоактивностью в результате сорбции элементов обладают глина и глинистые сланцы. Поэтому присутствие глин в осадочных породах (например мергелях) увеличивает их радиоактивность.

Радиоактивных элементов в земной коре очень мало. По приближенным оценкам, в литосфере содержится урана (U²³⁵) 2.1 * 10^-60\0 урана (U²³⁸) 3 * 10^-40\0, тория (Th²³⁷) 8 10^-40\0, радия (Ra²²⁶) 1*10^-40\0.

Как известно, при радиоактивном распаде, связанном с перестройкой ядер элементов, происходит излучение а и в – частиц и Y - лучей.

Альфа частицы представляют собой положительно заряженные ядра атомов гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. А – частицы вылетают из вещества с начальной скоростью от 1,2 10⁹ до 2,3 10⁹ см\ с и энергии соответственно от 3 *10^-13 до 1,7 10^-12ДЖ.

Длина пробега а –частиц незначительна. В воздухе она составляет 3-10см, а в кварце например, всего лишь 38,3 мкм.

Бета частицы – это поток электронов (позитронов), вылетающих из ядра элемента с разной скоростью. У некоторых В- частиц скорость близка к скорости света. Длина пробега В –частиц в среднем значительно больше, чем а – частиц, и в воздухе составляет 1см до 9 м в зависимости от начальной скорости. Максимальная энергия В–частиц изменяется от 3,2 *10^-14 до 5,1 *10^-13ДЖ.

Гамма – лучи – это очень короткие электромагнитные волны менее 1 À (10^{-8 см), они характеризуются массой и энергией кванта.}

Энергия g - квантов может колеблется от 8 10^-15 до 4,8 * 10^-13 Дж в зависимости от длины волны. Так энергия g квантов радиоактивного изотопа кобальта Со⁶⁰ составляет 1,8 *10^-13 – 2,1 *10^-13Дж. Проникающая способность g - лучей наибольшая. Пучок g - квантов радиоактивного кобальта ослабляется в 2 раза лишь слоем свинца толщиной 1,6 см или алюминия толщиной 12 см.

Величина радиоактивности горных пород оценивается параметром удельной радиоактивности R – количеством распадающихся в 1с атомов в 1кг вещества. Так, удельная радиоактивность радия составляет 3,7 10¹³ с^-1 * кг^-1.

Радиоактивность горных пород определяется пол интенсивности их излучения. Для измерений радиоактивности применяют радиометры, анализаторы и т.д. Эти приборы представляют собой ловушки радиоактивного излучения, снабженные счетчиками Y- квантов, а и в –частиц.

Радиоактивность породы может быть также определена как относительный параметр Г_акт (радиоактивность, приведенная к относительному содержанию урана):

Г_акт = ,

 

где n_п и n_э – количество вылетающих в 1 мин частиц соответственно из образца породы и эталона, содержащего уран; М_п и М_э – масса породы и эталона, кг; а – массовое содержание урана в эталоне.

Величина радиоактивности Г_акт относительная, она называется грамм-эквивалентом урана на 1 г породы.

Сверхвысокочастотные электромагнитные волны – рентгеновские лучи (f =10¹⁶ ÷ 10²⁰ Гц) и y – лучи (f › 10²⁰ Гц) обладают особыми, отличными от обычных, законами распространения и поглощения в горных породах. Взаимодействие этих лучей с веществом характеризуется двумя существенными факторами – и малой длинной волны и большой энергией кванта.

Проходя через вещество, рентгеновские и Y – лучи теряют энергию вследствие поглощения и рассеяния. Поглощение представляет собой превращение энергии в другой вид (для рентгеновских лучей это переход в энергию вторичного излучения). Рассеяние – это хаотическое изменение направление лучей в результате столкновения с частицами. В горных породах преобладает последнее явления – доля энергии, приходящийся на рассеивание, составляет около 90 % общих потерь.

Полный коэффициент поглощения y—лучей θ равен сумме коэффициентов собственно поглощения и рассеивания. Чем больше плотность вещества, тем более сильное поглощение испытывают рентгеновские и y –лучи.

Связь интенсивности гамма –излучения с плотностью пород Р экспоненциальная:

 

J_y= J_{y о} е^{- ахр}

 

где J_yo и J_y – интенсивность лучей при выходе из источника и на расстоянии от него; а – параметр, зависящий только от энергии излучения.

Рентгеновские лучи наиболее широко применяются при исследовании минералов и горных пород.

Используются методы поглощения, интерференции и спектрального анализа. Метод поглощения (дефектоскопия) основан на зависимости ослабления прошедших через вещество рентгеновских лучей от неоднородности его строения, минерального состава и плотности. Этот метод применяют, например, для исследования характера распределения золы в угле и коксе. Уголь по сравнению с минеральными примесями слабее поглощает рентгеновские лучи, поэтому в месте скопления последних на снимках обнаруживаются тени. Метод дефектоскопии применяют также при определении качества слюды и в других технологических процессах.

Исследование пород часто производят с использованием рентгеновского микроскопа, что позволяет выявить некоторые особенности их строения и минерального состава, которые невозможно определить оптическим микроскопом.

 

 

Лекция №12

Тема: Взаимосвязь и паспортизация свойств горных пород

План лекции (с.139-154/1/):

1. Взаимосвязь свойств горных пород

2. Паспортизация свойств горных пород