электрические свойства льда
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЬДА
Поведение льда в электрическом поле. Ионы в кристаллической решетке льда поляризованы, т. е. центры положения отрицательных ядер атомов не совпадают. Дипольные моменты являются векторами, равными произведению расстояния между центрами разноименных зарядов на величину заряда одного знака. В отсутствии электрического поля дипольные моменты ориентированы хаотично и в достаточно большой системе зарядов их суммарный вектор P близок к нулю. В электрическом поле с напряженностью К лишь ничтожная часть электронов возбуждается и направленно перемещается. Основная их часть перераспределяется так, чтобы сместить центры тяжести систем разноименных зарядов друг от друга. Этот процесс называется поляризацией льда. Преобладание поляризации над проводимостью определяет свойство льда как диэлектрика (изолятора).
Во льду поляризация состоит в ориентированном развороте большинства ионов и появлении ненулевого дипольного момента в единице объема. Такой разворот обеспечивается несколькими положениями равновесия водородных ионов в кристаллической решетке. Кроме того, деформируется электронная оболочка ионов. Вектор P в объеме зависит от напряженности электрического поля KP — χε, где χ— диэлектрическая восприимчивость льда. Величина ε = 1 + 4πχ называется диэлектрической проницаемостью льда. При температуре —5 °С и постоянном токе ε = 73, a χ = 5,7. В анизотропных кристаллах направление вектора P определяется шестью величинами ε в разных направлениях, образующими тензор диэлектрической проницаемости. Направление P не совпадает с направлением К и направлением оси кристаллов льда.
В переменном поле К изменения поляризации отстают от изменения поля, т. к. смещения зарядов не мгновенны. Разность фаз колебаний P я К, выраженная в радианной мере, называется углом диэлектрических потерь льда δ. Величина ε зависит от частоты <�о, эта зависимость называется дисперсией диэлектрической проницаемости. Если гармоническое колебание электрического поля представить в комплексном виде
К = Ko (cos ωτ -J- i sin ωτ),
где τ — время,
то ε(ω) = I + AnPIK также является комплексной величиной: ε(ω) = ει(ω) + ΐε2(ω), причем ε2/ει = tgô; ег составляет долю энергии поля, поглощаемую в диэлектрике за один период колебания. В постоянном поле = 0, ει = 8.
Кривые ει(ω) и tgô(û>) зависят от температуры льда. Величина ει заметно уменьшается с понижением температуры и падает на порядок и более с ростом частоты от 10 до 105 Гц. На высоких частотах значение ει почти не меняется и мало зависит от температуры, оно близко здесь к 3,17. Значение tgô имеет максимум около 2,5 на средних частотах и на порядок и на несколько порядков меньше на низких и высоких частотах. C понижением температуры от —3 до —50°С максимум tgô смещается в сторону низких частот от 106 до 103 Гц [22]. Диэлектрическая проницаемость повышается с ростом давления и уменьшается с включением в лед воздуха. В снегу значение ε зависит от фактора формы, отражающего направление слоистости и включений. Величины ει и ε2 используются для оценки влажности снега.
Электропроводность льда а сильно зависит от частоты, температуры льда и содержания примесей. При температуре, близкой к 0°С, и частотах 10—500 МГц у чистого льда σ~~4,6·10-5 См/м (сопротивление порядка 104—105 Ом/м). Она уменьшается с понижением температуры согласно где Wa — энергия активации; k — постоянная Больцмана; T — температура, К; T0 = 273 К. Электропроводность льда объясняется перемеще нием ионов по вакансиям (дефектам) кристаллических решеток. На низких частотах электропроводность растет от добавки ионных примесей пропорционально корню квадратному из концентрации примесей. Температурные градиенты во льду благодаря разному усилению подвижности зарядов разных знаков создают разность потенциалов порядка 30 мВ на I0°С
А. Н. Кренке
