Потенциал электростатического поля. Разность потенциалов. Связь между напряженностью поля и напряжением. Физика. 10 класс. — Объяснение нового материала
Объяснение нового материала
Потенциал электростатического поля. Разность потенциалов. Видеоурок.
Комментарии преподавателя|
Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение. |
|
|
Потенциал электростатического поля — скалярная величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду: — энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле. |
|
|
Т. За точку отсчета потенциала выбирают в зависимости от задачи: а) потенциал Земли, б) потенциал бесконечно удаленной точки поля, в) потенциал отрицательной пластины конденсатора. |
|
|
— следствие принципа суперпозиции полей (потенциалы складываютсяалгебраически). |
|
|
Потенциал численно равен работе поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность. В СИ потенциал измеряется в вольтах: |
|
|
Разность потенциалов |
|
|
|
|
|
Напряжение — разность значений потенциала в начальной и конечнойточках траектории. Напряжение численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль силовых линий этого поля. системы координат! |
|
|
Единица разности потенциалов
Напряжение равно 1 В, если при перемещении положительного заряда в 1 Кл вдоль силовых линий поле совершает работу в 1 Дж. |
|
|
Связь между напряженностью и напряжением. |
|
|
Из доказанного выше: → напряженность равна градиенту потенциала (скорости изменения потенциала вдоль направления d). |
|
|
Из этого соотношения видно:
|
|
|
Эквипотенциальные поверхности. ЭПП — поверхности равного потенциала. Свойства ЭПП: — работа при перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не совершается; — вектор напряженности перпендикулярен к ЭПП в каждой ее точке. |
|
|
|
|
Измерение электрического напряжения (разности потенциалов) Между стержнем и корпусом — электрическое поле. |
|
|
Потенциальная энергия взаимодействия зарядов. |
|
|
Потенциал поля точечного заряда |
|
|
|
|
|
Потенциал заряженного шара а) Внутри шара Е=0, следовательно, потенциалы во всех точках внутри заряженного металлического шара одинаковы (!!!) и равны потенциалу на поверхности шара. б) Снаружи поле шара убывает обратно пропорционально расстоянию от центра шара, как и в случае точечного заряда. |
|
|
Перераспределение зарядов при контакте заряженных проводников. Переход зарядов происходит до тех пор, пока потенциалы контактирующих тел не станут равными. |
|
к. потенциальная энергия зависит от выбора системы координат, то и потенциал определяется с точностью до постоянной.
Измерение потенциала кондуктора Измерение напряжения на гальваническом элементе Электрометр дает большую точность, чем вольтметр.
К занятию прикреплен файл «Это интересно!». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.
Использованные источники:
- http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/10-klass/
- http://www.youtube.com/watch?v=9ify_E3SAU0
- http://www.youtube.com/watch?v=PsbsyWIc_pk
Основные свойства электрического поля и его характеристики: напряженность, потенциал, индукция
Обновлено: 30.
12.2022
Глазами электрическое поле увидеть невозможно: его можно обнаружить по его действию на заряженные тела. При этом такое воздействие не требует прямого касания носителей потенциала, но имеет силовую природу. Так, наэлектризованные волосы будут тянуться к другим предметам.
Наблюдение за электрическими полями показывает, что они работают аналогично гравитационным. Описывается это законом Кулона, который в общем виде выглядит так:
F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r ²,
где q₁ и q₂ — величины зарядов в кулонах, ε — диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ — электрическая постоянная, равная 8,854*10⁻¹² Ф/м, r — расстояние между зарядами в метрах, а F — сила, с которой заряды взаимодействуют, в ньютонах.
Таким образом, чем дальше от центра, тем меньше будет ощущаться воздействие поля.
Отобразить поле графически можно в виде силовых линий. Их расположение будет зависеть от геометрических характеристик носителя. Различают два вида полей:
- Однородное, когда силовые линии расположены параллельно друг другу.
Идеальный случай — это бесконечные параллельные заряженные пластины. - Неоднородное, частный случай которого — поле вокруг точечного или сферического заряда; его силовые линии расходятся радиально от центра, если он положительный, и к центру, если отрицательный.
Идеальный случай — это бесконечные параллельные заряженные пластины.Силовые линии электрического поля, индуцированного электрическим зарядом, незамкнуты. Замкнуты они только у вихревого поля, которое формируется вокруг изменяющегося магнитного потока.
Таковы основные свойства электрического поля. Чтобы ознакомиться с его характеристиками, стоит рассмотреть простейший вариант — электростатическое, которое формируется постоянными и неподвижными зарядами. Для удобства они будут точечными, чтобы их контуры не усложняли расчеты. Пробный заряд, который тоже будет фигурировать в дальнейшем, тоже будет точечным и бесконечно малым.
Основные характеристики
Их можно описать при помощи математических закономерностей, а некоторые — выразить графически.
Последние характеристики являются векторными, то есть имеющими направление. Это важно, поскольку при решении практических задач часто приходится оперировать не модулем величины, а проекцией вектора на какую-либо выбранную ось.
Основными параметрами поля являются:
- напряженность;
- потенциал;
- индукция.
Напряженность поля
Это силовая характеристика электрического поля. Величина это векторная, и она характеризует силу, с которой поле воздействует на заряд в конкретной точке. Математически это выражается так:
Если подставить сюда формулу закона Кулона, то получим:
Ē = q₀ / 4 π ε ε₀ r ².
Таким образом, в каждой точке поля его напряженность разная, и зависит она от заряда, который оно создает, условий среды и величине, обратно пропорциональной квадрату расстояния до точки.
Если поле создано двумя зарядами, то результирующая напряженность рассчитывается графически — при помощи сложения векторов напряженностей от каждого отдельного источника.
Этот способ получил название принципа суперпозиции.
Потенциалы и их разность
Электрическое поле способно совершать работу. Если пробный заряд передвигать в поле, то работа, выполненная эл. полем, будет зависеть от начального и конечного расстояние от пробного заряда до центра эл. поля. Сравнить это можно с человеком, который собрался прыгать с крыши. Пока он находится на высоте десятого этажа, его потенциальная энергия будет равна:
W = -GMm / Rr.
Или если учесть соразмерность земли и человека:
W = mgh.
Пока человек не прыгнул, он обладает потенциальной энергией. Когда же он, наконец, упадет, гравитационное поле совершит работу, численно равную вышеуказанной величине. При этом не учитывается горизонтальное перемещение — эту работу совершал сам покойный.
Электрическое поле работает сходным образом. Пробный заряд q₁, помещенный в него, обладает потенциальной энергией:
W = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r.
При перемещении в другую точку, когда расстояние r будет иным, поле совершит работу, равную:
A = W₁ — W₂ = q₁ q₀ /4 π ε ε₀ r₁ — q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.
Если из обоих слагаемых выделить параметр, который относится непосредственно к полю, а не к пробному заряду, он будет выглядеть так:
φ₁ = q₀ /4 π ε ε₀ r₁; φ₂ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.
И вот это φ и называется потенциалом поля в точке. Исходя из всех написанных выше формул, можно выразить эту величину так:
φ ₁ = W₁ / q₁; φ₂ = W₂ / q₁.
Таким образом, работа, которую совершит поле, будет выражена следующим образом:
A = W₁ — W₂ = φ₁ q₁ — φ₂ q₁ = q₁ (φ₁ — φ₂).
Выражение в скобках будет называться разностью потенциалов, или напряжением. Она показывает, какую работу совершит поле по перемещению пробного заряда.
A/q = (φ₁ — φ₂).
Единица этой величины, Дж/Кл, получила название Вольт, в честь ученого Алессандро Вольта. От этой единицы отсчитывают размерность и других величин в электростатике и электродинамике.
Например, напряженность поля измеряется в В/м.
Электрическая индукция
Эта величина характеризует электрическое поле, что называется, в чистом виде. В реальности мы имеем дело с полем в различных средах, имеющих определенную диэлектрическую проницаемость. Несмотря на то что для большинства веществ это табличная величина, в ряде случаев она непостоянна, а ее зависимость от параметров среды (температура, влажность и т. д. ) нелинейна.
Такое явление характерно для сегнетовой соли, титаната бария, ниобата лития и ряда других.
Электрическая индукция измеряется в Кл/м ², и ее величина выражается формулой:
D = ε ε₀ E.
Это тоже векторная величина, направление которой совпадает с направлением напряженности.
Статическое и вихревое поле
Как упоминалось в начале статьи, электрическое поле может возникать вокруг переменного магнитного поля. Оно даже создает ток, что может быть достигнуто двумя путями:
- изменением интенсивности магнитного поля, проходящего сквозь контур проводника в нем;
- изменением положения самого проводника.
При этом проводнику вовсе не обязательно быть замкнутым — ток в нем все равно будет течь.
Для иллюстрации отличий статического и вихревого поля можно составить таблицу.
| Параметр | Электростатическое | Вихревое |
| форма силовых линий | разомкнутые | замкнутые |
| чем создается | неподвижным зарядом | переменным магнитным потоком |
| источник напряженности | заряд | отсутствует |
| работа по перемещению в замкнутом контуре | нулевая | создает ЭДС индукции |
Нельзя сказать, что первое и второе поле никак между собой не связаны. Это не так. В реальности работает такая закономерность: неподвижный заряд создает электростатическое поле, которое движет заряд в проводнике; движущийся заряд порождает постоянное магнитное поле. Если заряд движется с непостоянной скоростью и направлением, то магнитное поле становится переменным и создает вторичное электрическое.
Таким образом, электрическое поле и его характеристики влияют на возможность возникновения магнитного и его параметры.
Бог проявил щедрость,
когда подарил миру такого человека.
Светлане Плачковой посвящается
Издание посвящается жене, другу и соратнику, автору идеи, инициатору и организатору написания этих книг Светлане Григорьевне Плачковой, что явилось её последним вкладом в свою любимую отрасль — энергетику.
Книга 2. Познание и опыт — путь к современной энергетике
5.4. Электрическое поле и его характеристики
Заряды взаимодействуют не только при соприкосновении наэлектризованных тел, но и тогда, когда эти тела находятся на расстоянии друг от друга. Вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов на расстоянии, называется электрическим полем .
Электрическое поле всегда существует вокруг электрического заряда и имеет две характеристики: силовую (напряженность электрического поля в данной точке) и энергетическую (потенциал электрического поля в данной точке).
Напряженность Е электрического поля в какой-либо точке измеряется силой F , с которой поле действует на единичный положительный точечный заряд q , помещенный в эту точку:
Напряженность электрического поля — векторная величина. Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы F , действующей в данной точке на положительный заряд.
Потенциалом электрического поля в данной точке называется величина, численно равная значению потенциальной энергии единичного положительного точечного заряда, помещенного в этой точке.
Потенциалы точек электрического поля положительно заряженного тела положительны и уменьшаются по мере удаления от тела, а потенциалы точек электрического поля отрицательно заряженного тела отрицательны и увеличиваются при удалении от тела.
Потенциал наэлектризованного проводника становится тем больше, чем больше электричества сообщается ему.
Если электрическое поле создается несколькими зарядами, расположенными в различных точках пространства, то потенциал в каждой точке поля равен алгебраической сумме потенциалов полей всех зарядов в этой точке.
Разность потенциалов ( ϕ 1 — ϕ 2 ) между двумя точками электрического поля получила название напряжения ( U ). Напряжение численно равно работе А , которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда q между двумя точками:
U = ϕ 1 — ϕ 2 = А / q.
В системе СИ за единицу разности потенциалов (единицу напряжения) принимается один вольт (1 В) — разность потенциалов между двумя точками электрического поля, при которой силы поля, перемещая один кулон электричества из одной точки в другую, совершают работу в один джоуль.
Если электрическое поле однородно, т.е. напряженность во всех точках поля постоянна по величине и направлению, то между напряженностью поля и разностью потенциалов существует взаимосвязь:
E = — U/ L, где L — длина силовой линии однородного электрического поля.
В системе СИ напряженность электрического поля измеряется в единицах вольт/метр (В/м). 1 В/м — это напряженность такого однородного электрического поля, у которого разность потенциалов на концах силовой линии длиной в 1 м равна 1 В.
Использование материалов сайта разрешено при условии наличия ссылки на сайт.
Перепечатка материалов с других источников (СМИ, наших партнеров) возможен в случае указания первоисточника.
Читайте также:
- Расчет автомата по мощности: предназначение устройства, принцип работы, подбор номинала по таблице
- Покупка посудомоечной машины: преимущества и недостатки, критерии выбора для дома, рекомендации
- Как убрать мерцание светодиодных ламп: в выключенном состоянии и во время работы, способы устранения проблемы
Что такое напряженность электрического поля и как ее измеряют?
К
- Роберт Шелдон
Напряженность электрического поля — это количественное выражение напряженности электрического поля в определенном месте.
Стандартной единицей измерения является вольт на метр (В/м или В·м -1 ). Напряженность поля 1 В/м представляет собой разность потенциалов 1 В между точками, разнесенными на 1 метр. Напряженность электрического поля также упоминается как напряженность электрического поля .
Любой электрически заряженный объект создает электрическое поле. Поле воздействует на другие заряженные объекты поблизости, отталкивая одноименные заряды и притягивая противоположные заряды. Напряженность поля исходного объекта может быть измерена в определенных точках вектора в этом поле. Каждая точка вектора отражает как величину, так и направление электрической силы в этой точке.
Как измерить напряженность электрического поля Для измерения напряженности поля необходим тестовый заряд, расположенный в одной из точек вектора в пределах электрического поля объекта-источника. Этот пробный заряд должен иметь небольшой положительный заряд, не мешающий заряду источника.
Пробный заряд позволяет измерить напряженность электрического поля исходного заряда в точке вектора, в которой расположен заряд.
Напряженность электрического поля в определенной точке вектора прямо пропорциональна электрическому заряду — в кулонах (Кл) — объекта-источника. Кроме того, напряженность поля обратно пропорциональна расстоянию между объектом-источником и точкой пробного вектора заряда. Кривая зависимости напряженности поля от расстояния представляет собой прямую обратную функцию, а не функцию обратного квадрата. Это связано с тем, что напряженность электрического поля определяется линейным смещением (на метр), а не площадью поверхности (на квадратный метр).
Напряженность электрического поля может быть представлена математически следующей формулой:
Э=Ж/к
В этой формуле E представляет собой напряженность электрического поля, F относится к силе, действующей на заряд источника (в ньютонах), а q — к испытательному заряду (в кулонах). Значение F рассчитывается по следующей формуле:
F=(k·Q·q)/d 2
В этом случае F снова представляет собой силу, k равно постоянной Кулона, Q относится к заряду источника (в кулонах), q представляет собой пробный заряд (в кулонах), а d представляет собой расстояние между Q и q.
Когда F вставляется в исходную формулу напряженности электрического поля, результаты возвращаются как ньютон на кулон (N/C), что непосредственно соответствует вольтам на метр. Например, 500 Н/З равно 500 В/м, а 1000 Н/З равно 1000 В/м.
Иногда напряженность электромагнитного поля определяется интенсивностью его составляющей электрического поля. Это делается инженерами и учеными, когда речь идет о напряженности радиочастотного поля в определенном месте от таких источников, как удаленные передатчики, небесные объекты, линии электропередач высокого напряжения, компьютерные дисплеи или микроволновые печи. В этом контексте напряженность электрического поля обычно указывается с более мелкой степенью детализации, как показано в таблице.
См. также: Международная система единиц и таблица физических единиц .
Последнее обновление: сентябрь 2022 г.
Продолжить чтение О напряженности электрического поля- Мобильные телефоны и здоровье: 5G развертывается слишком быстро?
- Основы Интернета вещей: руководство для начинающих
- RFID и штрих-коды в цепочке поставок: что лучше использовать?
- После Олдсмара: Насколько уязвима критическая инфраструктура США?
- Обзор Microsoft Project Silica и его использование в архиве
враждебный ML
Состязательное машинное обучение — это метод, используемый в машинном обучении для обмана или введения в заблуждение модели с помощью злонамеренных входных данных.
Нетворкинг
- межсоединение центра обработки данных (DCI)
Технология соединения центров обработки данных (DCI) объединяет два или более центров обработки данных для совместного использования ресурсов.
- Протокол маршрутной информации (RIP)
Протокол маршрутной информации (RIP) — это дистанционно-векторный протокол, в котором в качестве основного показателя используется количество переходов.
- доступность сети
Доступность сети — это время безотказной работы сетевой системы в течение определенного интервала времени.
Безопасность
- кража учетных данных
Кража учетных данных — это тип киберпреступления, связанный с кражей удостоверения личности жертвы.
- суверенная идентичность
Самостоятельная суверенная идентификация (SSI) — это модель управления цифровой идентификацией, в которой отдельные лица или предприятия владеют единолично …
- Сертифицированный специалист по безопасности информационных систем (CISSP)
Certified Information Systems Security Professional (CISSP) — это сертификат информационной безопасности, разработанный .
..
..ИТ-директор
- рассказывание историй о данных
Рассказывание историй о данных — это процесс перевода анализа данных в понятные термины с целью повлиять на деловое решение…
- оншорный аутсорсинг (внутренний аутсорсинг)
Оншорный аутсорсинг, также известный как внутренний аутсорсинг, — это получение услуг от кого-то вне компании, но в пределах …
- FMEA (анализ видов и последствий отказов)
FMEA (анализ видов и последствий отказов) представляет собой пошаговый подход к сбору сведений о возможных точках отказа в …
HRSoftware
- самообслуживание сотрудников (ESS)
Самообслуживание сотрудников (ESS) — это широко используемая технология управления персоналом, которая позволяет сотрудникам выполнять множество связанных с работой .
.. - платформа обучения (LXP)
Платформа обучения (LXP) — это управляемая искусственным интеллектом платформа взаимного обучения, предоставляемая с использованием программного обеспечения как услуги (…
- Поиск талантов
Привлечение талантов — это стратегический процесс, который работодатели используют для анализа своих долгосрочных потребностей в талантах в контексте бизнеса …
..Служба поддержки клиентов
- виртуальный помощник (помощник ИИ)
Виртуальный помощник, также называемый помощником ИИ или цифровым помощником, представляет собой прикладную программу, которая понимает естественный язык …
- жизненный цикл клиента
В управлении взаимоотношениями с клиентами (CRM) жизненный цикл клиента — это термин, используемый для описания последовательности шагов, которые проходит клиент.
.. - интерактивный голосовой ответ (IVR)
Интерактивный голосовой ответ (IVR) — это автоматизированная система телефонии, которая взаимодействует с вызывающими абонентами, собирает информацию и маршрутизирует …
..Картирование электрического потенциала (собственного потенциала) с помощью LandMapper
Вы здесь: Главная / Картирование электрического потенциала (собственного потенциала) с помощью LandMapper
Метод собственного потенциала (SP) был использован Фоксом еще в 1830 г. на сульфидных жилах в руднике Корниш, но систематическое использование методов SP и электрического удельного сопротивления в традиционной геофизике датируется примерно 1920 г. (Parasnis, 1997) . Метод SP основан на измерении естественных разностей потенциалов, которые обычно существуют между любыми двумя точками на земле. Эти потенциалы связаны с электрическими токами в почве. Большие потенциалы обычно наблюдаются над сульфидными и графитовыми рудными телами, графитовыми сланцами, магнетитом, галенитом и другими минералами с высокой электронной проводимостью (обычно отрицательными).
Однако на аномалии ПП большое влияние оказывают местные геологические и топографические условия. Эти эффекты рассматриваются в разведочной геофизике как «шум». Аномалии электрического потенциала над высокопроводящей породой обычно преодолеваются этими «шумами» окружающей среды, поэтому естественные электрические потенциалы, существующие в грунтах, обычно не учитываются в традиционной геофизике.
LandMapper ERM-02, оснащенный соответствующими неполяризующими электродами, может использоваться для измерения таких «шумовых» электрических потенциалов, возникающих в почвах в результате процесса почвообразования и движения воды/ионов. Электрические потенциалы в почвах, глинах, мергелях и других водонасыщенных и ненасыщенных отложениях можно объяснить такими явлениями, как ионные слои, электрофильтрация, разность рН и электроосмос.
Другим возможным экологическим и инженерным применением метода собственного потенциала является изучение движения подземных вод. Измерения электрофильтрационных потенциалов или потенциалов течений применялись в СССР для обнаружения мест просачивания воды на затопленных откосах земляных дамб (Семенов, 19).
80). Применение метода собственных потенциалов для определения потоков воды в неглубоких подпочвенных слоях городских почв описано в (Позднякова и др., 2001). Подробное описание процедуры метода собственного потенциала приведено в руководстве LandMapper.
Еще одним важным применением LandMapper ERM-02 является измерение электрических потенциалов между почвой и растениями. Электрический баланс между почвой и растениями важен для здоровья растений, а градиент электрического потенциала регулирует поглощение растениями воды и питательных веществ. Мониторинг электрических потенциалов в растениях и почвах является актуальной темой исследований в ведущих научных центрах мира.
Измерение потенциала
1. Подключите неполяризующие электроды к разъему MN на передней панели прибора.
2. Выберите электрод сравнения и поместите его в предполагаемую область с низким электрическим потенциалом, обычно в самые влажные и богатые глиной области. Например, для измерения разности электрических потенциалов в почвенных котлованах поместите электрод сравнения в самый нижний слой грунта.
При измерении разности потенциалов между почвой и растениями рекомендуется размещать электрод сравнения на поверхности почвы, а измерительные электроды на листьях или стволе растущих растений.
3. Удерживая кнопку ФУНКЦИЯ (►), нажмите кнопку ВНИЗ (▼), чтобы войти в потенциальный режим. На дисплее должно появиться:
Umn = — -.— мВ
где –.— значение потенциала в мВ
4. Слегка прижмите плоские измерительные поверхности электродов к выбранным местам и наблюдайте за дисплеем.
5. Фактическое значение электрического потенциала между электродами показано в мВ. Прибор автоматически снимает показания каждую секунду, снимает 10 показаний и выдает среднее значение каждые 10 секунд (естественные потенциалы будут колебаться). Эти данные не могут быть сохранены в оперативной памяти LandMapper во время полевых измерений, если устройство используется автономно (без ПК). Однако, если LandMapper подключен к ПК во время измерений, значения потенциалов отображаются на экране ПК и могут быть сохранены непосредственно на ПК ( Примечание: программное обеспечение для автоматического управления измерениями с компьютера находится в стадии разработки).
Вы можете вручную записать любое количество показаний в одном и том же месте.
Метод собственного потенциала
Многие виды электрических полей и потенциалов часто одновременно наблюдаются в естественной почве; таким образом, трудно понять, какой механизм отвечает за их образование. Стационарные электрические поля, возникшие в глубинных геологических образованиях, можно наблюдать в почвах одновременно
с электрическими полями различной природы, возникающими непосредственно в почвенных профилях (Семенов, 1980). Потенциалы, возникающие в почвенных профилях, делятся на диффузионно-адсорбционные, электродные и потенциалы «переменных во времени полей» (Семенов, 1980). -восстановительные условия над рудным месторождением или залегающими минерализованными грунтовыми водами Естественные «почвенные» электрические потенциалы, наоборот, могут формироваться при любых почвенных условиях.
Все естественные электрические поля можно разделить по механизмам и характеру их возникновения на две большие группы: электрические поля стационарных процессов, существующие на контактах различных сред и электрические поля, возникающие в насыщенных и ненасыщенных грунтах вследствие движения грунта решения.
Наиболее распространенные электрические поля в почвах связаны с диффузионно-адсорбционными потенциалами, в которых сорбция дает более существенный вклад, чем диффузия. Естественные электрические поля измеряются совместно с электродными потенциалами, которые можно рассматривать как искусственно созданные потенциалы на контактах электродов с почвой.
Естественные электрические поля и их потенциалы изучались в некоторых почвах России (Боровинская, 1970; Вадунина, 1979; Поздняков и др., 1996а). Вадунина (1979) указала, что потенциалы, измеренные на поверхности почвы, могут быть использованы для оценки различных свойств почвы во всем профиле почвы. Измерения природных потенциалов на поверхности некоторых аридисолей (в том числе натраргидов) и альфисолей (Поздняков и др., 1996а) показывают, что такая оценка возможна только в том случае, когда поверхностные горизонты почв генетически связаны с другими горизонтами почвенного профиля.
Электрические потенциалы почв мы рассматриваем как диффузионно-адсорбционные потенциалы на контактах различных почвенных структур, таких как почвенные агрегаты, горизонты и педоны в топографических последовательностях.
Эта концепция, основанная на законах электромагнетизма Пуассона и Максвелла и законе распределения Больцмана в статистической термодинамике, использовалась для объяснения взаимосвязей между различными свойствами почвы, подвижными электрическими зарядами и электрическими параметрами. Теория рассматривает почвенный покров как огромный «источник», генерирующий естественные электрические поля, и позволяет строить модели электрических профилей в различных почвах.
Метод собственных потенциалов (СП) измеряет естественные стационарные электрические потенциалы в почве. Метод SP был использован Фоксом еще в 1830 г. на сульфидных жилах в руднике Корниш, но систематическое использование методов SP и электрического сопротивления в традиционной геофизике датируется примерно 1920 г. (Parasnis, 1997). Метод SP основан на измерении естественных разностей потенциалов, которые обычно существуют между любыми двумя точками на земле. Эти потенциалы связаны с электрическими токами в почве. Большие потенциалы обычно наблюдаются над сульфидными и графитовыми рудными телами, графитовыми сланцами, магнетитом, галенитом и другими минералами с высокой электронной проводимостью (обычно отрицательными).
Однако на аномалии ПП большое влияние оказывают местные геологические и топографические условия. Эти эффекты рассматриваются в разведочной геофизике как «шум». Аномалии электрического потенциала над высокопроводящей породой обычно преодолеваются этими «шумами» окружающей среды, поэтому естественные электрические потенциалы, существующие в грунтах, обычно не учитываются в традиционной геофизике.
При изучении почв исследователи особенно заинтересованы в измерении таких «шумовых» электрических потенциалов, создаваемых в почвах в результате процесса почвообразования и движения воды/ионов. Электрические потенциалы в почвах, глинах, мергелях и других водонасыщенных и ненасыщенных отложениях можно объяснить такими явлениями, как ионные слои, электрофильтрация, разность рН и электроосмос. Процессы почвообразования могут создавать электрически изменчивые горизонты в почвенных профилях.
Другим возможным экологическим и инженерным применением метода собственного потенциала является изучение движения подземных вод.
Измерения электрофильтрационных потенциалов или потенциалов течений применялись в СССР для обнаружения мест просачивания воды на затопленных откосах земляных дамб (Семенов, 19).80). Применение метода собственных потенциалов для определения потоков воды в неглубоких подпочвенных слоях городских почв описано в (Позднякова и др., 2001).
Потенциалы, генерируемые подземными природными источниками, ниже, чем потенциалы, вызванные минеральными и геотермальными аномалиями, и часто связаны с высоким уровнем поляризации шума (Corwin, 1990). Поэтому использование неполяризующих электродов обязательно при применении метода ПП в почвенно-экологических исследованиях. Неполяризующий электрод состоит из металлического элемента, погруженного в раствор соли того же металла с пористой мембраной между раствором и почвой (Корвин и Батлер, 19).89). Из-за легкого разрыва мембраны и вытекания электродного раствора мы внедрили прочные неполяризующие электроды (углеродные сердечники из отработанных электроэлементов), а также разработали и запатентовали неполяризующие электроды для почвенных исследований (Поздняков, 2001).
В методе SP используются два электрода (задний и передний), потенциометр и соединительный провод. В традиционной геофизике предлагаются два метода измерения: фиксированная база (или полное поле) и градиент (или чехарда) (рис. 1).
Рис. 1. Схема метода собственного потенциала с фиксированной базой (а), градиентной (б) и комбинированной (в). Крестики обозначают расположение ведущих (измерительных) электродов, а кружки обозначают расположение замыкающих (базовых) электродов.
Мы использовали метод фиксированной базы для получения распределения электрических потенциалов в почвенных профилях. Измерения проводились на стенках открытых почвенных карьеров. Основной или замыкающий электрод стационарно устанавливали в месте высокого потенциала, обычно в иллювиальном, влажном, мелкозернистом или засоленном горизонте почвы. Разность электрических потенциалов между основным и ведущим (измерительным) электродами измерялась последовательным перемещением ведущего электрода по профилю почвы (рис.
1а).
Градиентный метод применяется в традиционной геофизике, когда требуется информация о распределении электрического потенциала на большой площади. В таком случае требуется большое количество проводов, если используется метод фиксированной базы. Метод градиента позволяет уменьшить количество проводов, необходимых для картирования электрических потенциалов на поверхности почвы (Corwin, 1990). Техника основана на последовательном перемещении основного электрода; таким образом, для каждого измерения используется предыдущее положение замыкающего электрода, как показано на рис. 1b. Несмотря на преимущество в уменьшении количества необходимых проводов, метод градиента вносит большие ошибки, связанные с разной поляризацией основного электрода в разных местах земли. Для исследований грунтов с малыми естественными электрическими потенциалами и большими вариациями потенциалов такие ошибки могут быть критическими. Таким образом, для картирования естественных электрических потенциалов на поверхности почвы мы предлагаем комбинацию методов фиксированной базы (или полного поля) и градиента (или чехарды).
Комбинированная процедура уменьшает ошибки, связанные с различной поляризацией электродов в разных местах градиентного метода, и минимизирует длину проводов, необходимую для метода с фиксированным основанием. Процедура описывается следующим образом (рис. 1в). Висячий электрод сначала устанавливают в месте с относительно высоким потенциалом, например, во влажном слое глины на поверхности почвы или в иллювиальном горизонте почвенного профиля. Ведущий электрод размещается на поверхности почвы в любом желаемом месте. Разность потенциалов между передним и задним электродами измеряется в близлежащих местах путем перемещения ведущего электрода. Затем замыкающий электрод перемещают в одно из предыдущих мест расположения ведущего электрода и измеряют разность потенциалов вокруг нового положения замыкающего электрода. Процедура повторяется до тех пор, пока электрический потенциал не будет измерен во всех желаемых местах с достаточной повторяемостью. Все разности потенциалов пересчитываются так, как если бы они были измерены с единственным движущимся передним электродом, а задний электрод зафиксирован в первом положении, т.
е. нормирован по потенциалу в первом местоположении заднего электрода. Данные, полученные с помощью метода SP, используются для разработки изопотенциальных карт измеренных областей.
Справки
Боровинская Л.Б. 1970. Применение метода собственных потенциалов для изучения фильтрации в почвах и грунтах . (На русском языке.) Рус. Почвовед. 11:113-121.
Корвин, Р.Ф. 1990. Метод собственного потенциала для экологических и инженерных приложений . В: С.Х. Уорд (ред.). Геотехническая и экологическая геофизика. Том. I: Обзор и учебник. соц. разведочной геофизики. ПО Box 702740/Tulsa, OH 74170-2740.
Корвин, Р.Ф. и Д.К. Батлер. 1989. Геотехнические приложения метода собственного потенциала; Отчет 3: Разработка методов интерпретации собственного потенциала для обнаружения просачивания : Тех. Представитель REMR-GT-6, Инженерный корпус армии США, Вашингтон, округ Колумбия.
Параснис Д.С. 1997. Основы прикладной геофизики .
