За Максвеллові щільність повного електричні-кого струму в середовищі визначається виразом
де jпр. jсм - щільності струму провідності і зміщення, # 963; - питома електрична провідність середовища, # 949; а - абсолютна діелектрична проникність середовища, причому # 949; а = # 949; # 949; 0. де # 949; - відносна діелектрична проникність середовища; # 949; 0 = 8,85 · 10 -12 Ф / м - значення її в вакуумі.
В поле, гармонійно змінюється в часі з частотою # 969;
У постійному і низькочастотному змінному полях повний струм визначається цілком струмом провідності. У високочастотн-ном змінному полі повний струм є сумою струмів про-провідності і зміщення.
Струм провідності виникає безпосередньо під действи-му електричного поля Е.
Величина j визначається значенням # 963; = 1 / # 961 ;.
Провідність середовища - здатність пропускати електричні-кий струм, опір - здатність перешкоджати перехожих-ня струму. Питома електрична проводь-ність середовища # 963; і її питомий електричний со-опір # 961; дорівнюють відповідно провідності # 931; і опору R одиниці об'єму середовища.
Провідність середовища обумовлена переносом електричних зарядів наскрізним струмом - електронів, іонів, дірок. У віщо ствах з електронною провідністю (метали, графіт) струм рас-ється завдяки руху електронів. У діелектрі-ках природа провідності іонна, в напівпровідниках - дироч-ва. Розчини електролітів мають іонною провідністю.
У високочастотному полі в середовищах з низькою провідністю, представлених діелектриками і напівпровідниками, поряд з наскрізним струмом jскв з'являється релаксационная складова струму jрел. обумовлена поляризацією частинок середовища. У резуль-таті поляризації поряд з основним полем виникає додат-ково, спрямоване протилежно основному, поляризує-ющему. Поляризація пропорційна поляризується по-лю:
де # 945; - поляризованість середовища. Поляризуемость ха-рактерна, як правило, для середовищ з низькою провідністю - ді-електриків. Будь-яка речовина здатне бути провідником і по-лярізоваться; в загальному випадку його відносна діелектрічес-кая проникність визначається як # 949; = 1 + 4π # 945 ;.
Розрізняють поляризації пружну, релак-саціонную і структурну поляризації.
- Пружна поляризація полягає в зміщенні упругосвязанних зарядів (електронів, іонів) речовини в електричному полі. Вона протікає швидко (час встановлення збігається з періодами коливань, відповідних інфрачервоного випромінювання, тобто 10 -12 ÷ 10 -14 с). Відносна діелектрична проникність у діе-лектріков з пружною поляризацією зазвичай становить 4 - 15, але у деяких іонних кристалів вона досягає декількох сотень (до 300 у титанату стронцію, наприклад).
- Релаксаційна (теплова) поляризація характерна для ве-вин, що містять слабкозв'язаного частинки, здатні змінювати рівновагу при тепловому русі. Поляризація цього типу викли-ється тим, що прикладена зовнішнє електричне поле створює в хаотичному тепловому русі заряджених частинок визначено-ву впорядкованість.
Розрізняють два різновиди поляризації: орієнтаційну дипольні теплову та іонну теплову.
- Дипольна поляризація виникає в полярних рідинах (в тому числі і в воді) за рахунок переважної орієнтації слабосвя-занних дипольних молекул в електричному полі. Час релаксу-ції полярної рідини пропорційно її в'язкості. У складних полярних молекулах може також спостерігатися внутрімолекуляр-ве обертання різних частин молекули щодо один дру-га.
- Іонна теплова поляризація виникає в іонних кристалах, що містять слабкозв'язаного іони, поява яких обумовлюються лено дефектами кристалічної решітки. Іони при тепловому русі переміщаються, долаючи потенційні бар'єри. Електричне поле формує переважний напрямок їх переходів. В результаті дипольний момент одиниці об'єму по-пологи стає відмінним від нуля і підтримується цим елект-ромагнітним процесом.
- Нарешті, в багатофазних гірських породах спостерігається струк-турна (об'ємна) поляризація, пов'язана із захопленням носіїв струму мікродефектами кристалічної решітки, уповільненням їх пересування у міжфазових меж розділу або з застрягання вільних зарядів на макронеоднородностях кристалів. Це порівняно повільний тип поляризації, період її стаю-ня знаходиться в межах радіочастот (10 -4 ÷ 10 -10 с).
Діелектрична проникність мінералів обумовлена головним чином пружною поляризацією (іонної і електронної). Відносна величина діелектричної проникності біль-ший частини мінералів знаходиться в межах 4 - 12, основних поро-дообразующіх мінералів - 4 - 7. Найменше значення має нафту (2 - 4), найбільше - рутил (90 - 170).
Основи теорії електропровідності речовини
Процеси електропровідності в кристалах, як відомо з курсу фізики, підпадають під дію законів квантової механіки. З-гласно цим законам в кожному окремо взятому атомі кристала є лише певні значення енергії електронів, ха-рактерізуемие дозволеними рівнями. Ці значення енергії обумовлені взаємодією електрона з ядром атома. На кожному енергетичному рівні може перебувати один або два електрони (принцип Паулі). В останньому випадку електрони долж-ни відрізнятися квантовими станами (напрямками спінів). При відсутності порушення електрони займають найнижчі рівні, а при подачі речовини додаткової енергії можуть переходити на більш високі рівні. Зміна енергії елект-нейронів при цьому відбувається певними порціями - кванта-ми. Електрони зовнішньої оболонки атома (валентні) пов'язані з ядром слабше, і для їхнього порушення потрібно менше енергії. У кристалі, в якому атоми зближені, електрони взаємодією-твуют не тільки з ядром свого атома, але і з усіма іншими атомами, тому кожен енергетичний рівень розщеплюється на таке число рівнів, скільки атомів в кристалі. В результаті утворюються зони близько розташованих енергетичних рівнів, які можуть взаємно один одного перекривати або між ними може мати місце перерву, так звана заборонена зона # 916; w.
У провідників зони перекриваються (рис. А), частина елек-тронів внаслідок цього має багатоцентрові орбіти, охоплення-вающие весь кристал провідника. Ці нелокалізованние навколо конкретного ядра електрони слабо пов'язані з ядрами, і тому вони, навіть при слабкому електричному полі, набувають направ ленне переміщення, тобто створюють електричний струм. Чим більше нелокалізованих електронів, тим вище провідність провід-ника. У типових провідників з електронною провідністю - металів - питомий опір вельми мало (# 961; = 10 -4 ÷ 10 -8 Ом · м). Наявність їх в породах при ковалентно-металевої або іонно-металевої формі кристалічної зв'язку істотно збільшує електропровідність мінералів, питомий опору-ня яких змінюється в межах 10 -3 ÷ 10 -6 Ом · м.
Для провідників з електронною провідністю характерно збільшення опору зі збільшенням їх температури, що пов'язано зі зростанням хаотичного руху електронів.
У кристалах напівпровідників і діелектриків заповнена зона w2 і зона провідності w1 розділені забороненою зоною # 916; w. Величина забороненої зони в напівпровідниках зі-ставлять від 0,1 до 1,5 еВ, в діелектриках - до 10 еВ. В цьому і відбутися у-ит основна відмінність напівпровідника від діелектрика.
При Т = 0 0 До в напівпровідниках і діелектриках все енер-тичні рівні в заповненій зоні зайняті електронами. Тому електрони не можуть переміщатися від атома до ато-му, вони є пов'язаними. Зі збільшенням температури частина електронів може бути закинута із заповненої зони в зону провідності. Перехід електрона в зону проводімос-ти відповідає народженню пари електрон-дірка, т. Е. З'являються «вільний» слабо зв'язаної з ядром електрон і звільнилося в цьому атомі місце (дірка). Процес народження пар електрон-дир-ка супроводжується зворотним процесом рекомбінації таких пар. У кристалі під дією електричного поля вільні електрон-трони переміщаються, одночасно відбувається рух дірок в протилежну сторону, так як на вільне місце в атомі, який втратив електрон, буде переходити електрон із сусіднього атома. В результаті в кристалі виникає впорядковане руху-ня електронів і дірок, тобто тече електричний струм.