 |
3. Об электрофизических параметрах среды
|
|
|
|
3. Об электрофизических параметрах среды
Термин «электрофизические параметры» или «электрофизические характеристики» сейчас весьма часто встречается в заголовках статей, монографиях, таблицах; с ним в общем случае связывают следующие основные величины, определяющие поведение веществ в электрических, магнитных и электромагнитных полях:
1. Удельное электрическое сопротивление (или обратная величина — удельная проводимость)
2. Диэлектрическая проницаемость
3. Магнитная проницаемость
В частных случаях электрофизическими могут называться любые характеристики материальных субстанций (в том числе искусственных), проявляющиеся при их взаимодействии с упомянутыми полями в тех или иных специфических условиях, например, константа Холла, напряжение пробоя и др. Вопросы измерения таких характеристик, однако, выходят за рамки данного курса.
Рис. 3. 1 Схема включения образца при наблюдении эффекта Холла: B — магнитная индукция, I — электрический ток, Vн — напряжение Холла
Остановимся на указанных основных величинах более подробно, концентрируя внимание на следующих вопросах:
- к каким веществам и в каких условиях величина относится?
- каков физический смысл данной величины?
- в какие законы и соотношения она входит?
- в каких задачах можно столкнуться с необходимостью измерения этой величины?
- какие методы измерений используются на практике?
3. 1 Удельное электрическое сопротивление
Наиболее распространенное обозначение удельного сопротивления — ρ, его размерность в системе СИ — [ом·м].
Обратная величина по отношению к сопротивлению — удельная проводимость, ее общепринятое обозначение — σ, размерность в СИ — см/м (сименс/м).
|
|
|
Величины ρ и σ используется как характеристики проводящих свойств однородных веществ и материалов со свободными носителями зарядов (металлы, сплавы, электролиты, полупроводники) на постоянном токе и тех частотах, на которых можно пренебрегать эффектами переменных полей (токи смещения, скин-эффект, излучение и т. д. ). В остальных случаях смысл величин, скрывающийся за этими обозначениями, специально оговаривается (говорят, например, об «эффективном», «кажущимся» или еще каком-либо специальном значении ρ ).
Физический смысл ρ следует из формулы:
ρ = 
, (3. 1)
где R — сопротивление образца (ом), l и S — длина и площадь поперечного сечения образца соответственно (м и м2). Таким образом, ρ численно равно электрическому сопротивлению однородного образца единичной длины при единичной площади поперечного сечения.
Часто используемая практическаявнесистемная единица измерения — 1 
, специального названия не имеет, соответствует сопротивлению проволочного образца длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 мм2.
По значениям удельного сопротивления все вещества условно делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики (см. таблицу на рис. 3. 2).
Рис. 3. 2 Классификация веществ по удельному сопротивлению.
Задачи, в которых требуется проводить измерения ρ:
- исследование свойств проводников (преимущественно металлов и сплавов). Экспериментальное определения ρ, как правило, производится на основе формулы 3. 1 (см. пример в разделе 2…и рис. 2. .. ).
Примечание: если сопротивление образца весьма мало (единицы или доли ома), то для уменьшения влияния качества контактов используется четырехэлектродная схема измерений (рис. 3. 3). Здесь сопротивление вольтметра во много раз больше сопротивления контактов и, следовательно, последние влиять на результат измерений практически не будут.
|
|
|
Рис. 3. 3 Четырехэлектродная схема измерений
- исследование свойств проводящих жидкостей с разными целями (электролиз, контроль состава и др. ). В силу своей распространенности в природе особую роль здесь играют вода и водные растворы [Klaus Kupfer (Ed. ) Electromagnetic Aquametry]. Применительно к постоянному току, однако, эти вопросы имеют свою специфику и затрагивают область электрохимии; в данном курсе их приидется оставить без рассмотрения [см., например., Скорчелетти В. В. Теоретическая электрохимия].
- исследование грунтов и геологических структур (задачи разведочной геофизики, инженерной геологии, устройства заземлений). Здесь на основе измерений сопротивления между расположенными специальным образом электродами определяются значения «кажущегося ρ », которыми и характеризуются подповерхностные структуры (см. рис. 3. 4 и 3. 5). Более подробные сведения можно найти, например, в [Хмелевской, Электроразведка].
Рис. 3. 4 Электроразведка — метод сопротивлений, типы установок
Если же полупространство заполнено однородным веществом, то таким методом вполне возможно измерить и «обычное» удельное сопротивление. Так, для установки на рис. 3. 5
где а — расстояние между электродами, м; U — среднее значение показаний милливольтметра, В; I — показание амперметра, А.
Рис. 3. 5 Схема измерения удельного сопротивления грунта при использовании амперметра и милливольтметра
Стоит обратить внимание на переключатель полярности в приведенной схеме: использование среднего (от результатов при разных полярностях) значения напряжения позволяет исключить влияние поляризации электродов.
Примечание: часто вместо переключения полярности источника постоянного тока используют переменный ток низкой частоты (единицы герц). На таких частотах в результате измерений получаются практически те же значения ρ, что и на постоянном токе. С повышением частоты, однако, появляются новые механизмы взаимодействия вещества с полями, для описания которых требуются и новые физические величины.
|
|
|
