Лабораторная работа №6. ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКОСТЕЙ И ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКОСТЕЙ И ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Цель работы. Освоение понятия «диэлектрическая проницаемость» и метода ее измерения.

Краткая теория. Напряженность электрического поля в веществе всегда меньше напряженности в вакууме вследствие поляризации вещества. Отношение называется относительной диэлектрической проницаемостью вещества и является мерой поляризации и диэлектрических свойств вещества.

- абсолютная диэлектрическая проницаемость – учитывает влияние среды на силу Кулоновского взаимодействия.

- некоторый коэффициент с размерностью (Ф/м).

Отношение называется электрической постоянной,

Ф/м.

Понятие «диэлектрическая проницаемость» не имеет смысла для проводников, т.к. в них возникает ток проводимости свободных электронов по эквипотенциальной поверхности металла; в результате чего происходит выравнивание плотности зарядов

.

Так как с увеличением частоты изменяется электрическое поле и в результате происходит уменьшение суммарной поляризации вещества, то и диэлектрическая проницаемость также с частотой уменьшается.

Рис. 1. Зависимость электрической поляризации (а) и диэлектрической проницаемости (б) пород от частоты электрического поля.

Формульная зависимость имеет вид:

(1)

Где - относительная диэлектрическая проницаемость при ;

- диэлектрическая проницаемость при .

- время релаксации процесса поляризации.

Оценка величины при учитывает влияние всех видов поляризации, а при Гц –только электронной поляризации.

Диэлектрическая проницаемость горных пород является функций значений – минералов, слагающих горные породы, их концентрации и взаимного расположения. Породы с рудными минералами имеют более высокое значение .

Диэлектрическая проницаемость на низких частотах всегда больше. При переходе от монокристалла к поликристаллу и от чистого поликристалла к более разнородному – величина увеличивается. Для слоистых горных пород (всегда).

В области низких частот лишь незначительная часть минералов обладает единственной – электронной - поляризацией смещения. Это самородные элементы - сера, селен, алмаз. Диэлектрическая проницаемость такого вещества численно равна квадрату показателя преломления света : . При этом диэлектрическая проницаемость возрастает с увеличением плотности минерала .

Для минералов с преобладанием ионных связей (галогенидов) (из-за электронной и ионной поляризации).

Весьма высока проницаемость у рутила.

.

В области высоких (оптических) частот наибольшее значение у оксидов и сульфидов.

Ввиду того, что вектор интенсивности поляризации определяется не только дипольным моментом , но и числом поляризованных атомов , ионов и других составляющих в единице объема, - наблюдается прямая зависимость между проницаемостью и плотностью минералов (приблизительная линейная зависимость).

На величину проницаемости , кроме состава минералов, заметное влияние оказывает адсорбированная в них влага.

Минералам магнезиального состава (энстатиту, тремолиту) – свойственно низкое значение и слабая ее дисперсия в широком диапазоне частот.

1. Проницаемость горных пород. Горные породы, лишенные влаги, есть двухфазные системы являются функциями минерального им химического состава породы, соотношения минералов с , текстуры и структуры, пористости и др. Сильно влияет на также внешняя температура и частота электрического поля.

2. осадочных горных пород - - зависит от минерального состава и количества порового раствора. Чем выше концентрация электролита, тем больше значение . Присутствие углеводородов в жидкой фазе снижает . Влияние размера зерен на проявляется с увеличением частоты (при Гц оно практически не сказывается на .

3. изверженных и метаморфических горных пород. Из-за большого разнообразия состава и структуры этих горных пород у них значительна дисперсия . Низкое значение типично для жильного кварца, гранитов.

Средние и основные горные породы характеризуются более высоким значением , чем кислые.

У метаморфических горных пород отличается анизотропия . из-за слоистости, и эта разница увеличивается с ростом влагонасыщенности.

Описание лабораторной работы

Основным методом определения диэлектрической проницаемости образцов горных пород является метод плоского конденсатора. Из образца горной породы вырезают пластину, которую в качестве диэлектрика помещают между электродами измерительного конденсатора. Размеры образца выбирают с условием сохранности квазистационарности – эффективные размеры конденсатора с образцом должны быть намного меньше длины волны электрического поля. Емкость плоского конденсатора можно измерить в звуковом диапазоне с помощью мостовых схем, а в радиочастотном - мостовым, резонансным, импульсным методами и методом биений. При измерении с большими потерями, как и при измерении УЭС, применяются мосты с параллельным включением сопротивления и емкости, с малыми потерями – мосты с последовательным включением. Значение диэлектрической проницаемости по измеренной емкости конденсатора с образцом равно:

. (2),

где – толщина образца, - контактирующая площадь образца.

В основу принятой в лабораторной работе методики измерения жидкости положена линейная функциональная зависимость электрической емкости от диэлектрической проницаемости среды, заключенной между обкладками конденсатора.

Путем сопоставления эталонного значения емкости с измеренным можно определить диэлектрическую проницаемость любой горной породы, которую можно с достаточно хорошим электрическим контактом заключить между обкладками конденсатора. В качестве такой удобной жидкой эталонной среды в работе используется обычная дистиллированная вода ( ). Высокая точность измерения емкости позволяет реализовать возможность измерения достаточно надежно, точно и удобно.

Итак,

(Ф) (3)

, поэтому можно записать соотношение , и отсюда получить (4)

и мы измеряем, известно.

В таблице 1 даны электрические свойства фаз, составляющих горные породы.

Таблица 1

Фаза	Диэлектрическая проницаемость	УЭС (Ом∙м)
Воздух	1,00058
Вода		10-105
Лед		6,7∙105
Нефть	2,0-2,7	1010

Результаты измерения заносятся в таблицу 2.

Таблица 2

Измеряемые жидкости	Результаты измерения (Ф)
Вода

Формулы для расчета погрешности

Среднее значение вычисляют как среднее арифметическое значение ; .

Абсолютная погрешность измерения определяется как

, где – максимальное значение разности при измерении емкости .

Оценкой точности метода измерений может служить результат измерения , давший максимальную погрешность , который и следует записать как вывод по работе:

;

где – коэффициент Стьюдента, равный 1,95 для n=5 и p=0,95.

Вопросы.

1. Какая связь существует между поляризацией вещества и ?

2. Как зависит от плотности и почему?

3. Почему понятие «диэлектрическая проницаемость» не имеет смысла для проводников, и существует ли поляризация у металлов?

4. Какие методы и схемы используются практически при измерении ?

Поиск по сайту: