Диэлектрическая проницаемость. 
Океанология. 
Физические свойства морской воды

Параметром, отражающим способность морской воды изменять свою электрическую индукцию под влиянием внешнего электрического поля, является диэлектрическая проницаемость. Она зависит от структуры и свойств морской воды, а также от ее способности поляризоваться во внешнем электромагнитном поле. Кроме того, на этот параметр влияет частота переменных электромагнитных полей, распространяющихся в воде виде электромагнитных волн (рис. 8.2).

Морская вода обладает аномально высокой диэлектрической проницаемостью, что обуславливается полярностью ее молекул. Под поляризацией понимается явление, когда в любом малом объеме воды возникает отличный от нуля суммарный дипольный электрический момент молекулы. Электрическим диполем называется система из двух равных по абсолютной величине и противоположных по знаку электрических зарядов, расстояние между которыми мало по сравнению с расстоянием до рассматриваемых точек поля. Выделяют жесткий диполь — диполь, у которого имеется постоянный по модулю электрический дипольный момент. Электрическим дипольным моментом называется вектор

где q — величина заряда, /- расстояние между зарядами.

Вспомним (см. п. 1.1), что молекула воды обладает очень большим дипольным моментом, равным 1,86 D.

Рис. 8.2. Зависимость диэлектрической проницаемости (безразм.) пресной воды от температуры (°С) для разных частот электромагнитных волн: I — 10⁶ Гц, 2 -310^s Гц, 3−3I0⁹ Гц, 4-Ю‘° Гц[37].

Количественной мерой поляризации служит вектор поляризации Р. Под ним понимается отношение электрического дипольного момента малого объема к величине этого объема. Единица измерения поляризации — Кл м'² (кулон на метр в квадрате)^[1].

Диэлектрическая проницаемость е связана с вектором поляризации Р в электрическом поле напряженностью Е следующим образом:

где Хе — безразмерная величина, называемая относительная диэлектрической восприимчивостью вещества, е₀— электрическая постоянная, равная 8,85−10'¹² Фм ¹ (фарад на метр)³⁵. Диэлектрическая восприимчивость изотропных веществ — величина скалярная, так что вектор поляризации совпадает по направлению с вектором напряженности поля Е³⁶.

В морской воде существуют электронная, дипольнорелаксационная и ионная поляризации.

Электронная поляризация — результат смещения электронов относительно ядра при воздействии электрического поля, при этом формируется небольшой дипольный момент атома. Электронная поляризация зависит от радиуса атома и температуры воды.

В связи с асимметрией внутримолекулярных сил в воде возникает дипольно-релаксационная поляризация. В результате центры областей положительных и отрицательных зарядов молекулы не совпадают друг с другом, и молекула представляет собой жесткий диполь даже при отсутствии внешнего электрического поля. Ориентация дипольных моментов зависит как от теплового движения молекул, так и от присутствия внешнего электрического поля. Тепловое движение молекул вызывает хаотичную ориентацию дипольных моментов в пространстве, внешнее электрическое поле ориентирует дипольные моменты в направлении поля.

• 35 Фарад — единица электрической емкости. Фарад равен емкости конденсатора, в котором при заряде один кулон напряжение составляет один вольт, т. е. Ф=КлВ'^|= мкг'-с^А².
• 36 Под вектором напряженности Е понимается отношение силы F, действующей со стороны электрического поля на точечный пробный

заряд, к величине этого заряда Е = - Единица измерения напряжен;

Ч ности — вольт на метр.

Таким образом, дипольно-релаксационная поляризация определяется вектором поляризации Р и температурой воды.

Этот вид поляризации вносит основной вклад в величину диэлектрической проницаемости. С увеличением температуры влияние дипольно-релаксационной поляризации резко уменьшается.

Ионная поляризация вызвана смещением ионов растворенных в морской воде солей во внешнем электрическом поле: положительные ионы смещаются в направлении поля, отрицательные — против поля. Ионная поляризация зависит от зарядов ионов, расстояния между двумя равновесными ионами и температуры.

Рассмотрим особенности диэлектрической проницаемости в зависимости от частоты электромагнитных волн. В интервале частот 10¹—10⁸ Гц влияние дипольно-релаксационной поляризации на диэлектрическую проницаемость наиболее значимо, при этом оно намного больше влияния электронной поляризации. Это приводит к тому, что океаны и моря практически непрозрачны для радиоволн. При частотах, больших 10⁸ Гц, ориентация дипольных моментов молекул воды не успевает следовать за изменением напряженности электрического поля, и поэтому вклад дипольно-релаксационной поляризации начинает уменьшаться, что отражается и на уменьшении диэлектрической проницаемости. В оптическом диапазоне частот (более 10″ Гц) дипольнорелаксационной поляризацией можно пренебречь.

Зависимость диэлектрической проницаемости морской воды от ее температуры имеет более сложный характер, что объясняется наличием двух факторов, вызывающих противоположные последствия. При увеличении температуры воды уменьшается ее молекулярная вязкость (рис. 7.4), что облегчает ориентацию дипольных моментов молекул воды и, соответственно, приводит к росту ?. В то же время усиливается тепловое движение молекул, которое препятствует ориентации дипольных моментов и уменьшает диэлектрическую проницаемость. Влияние этих двух факторов можно проследить на рис. 8.2.

Что касается влияния солености на диэлектрическую проницаемость, то выяснено, что с ростом концентрации раствора электролита е сначала медленно возрастает, а затем, достигнув некоторого уровня, начинает быстро падать, причем величина максимума и скорость понижения диэлектрической проницаемости тем больше, чем тяжелее ионы электролита. Небольшое увеличение в в морской воде (слабоконцентрированном растворе) связано с добавлением ионной поляризации. Однако при больших концентрациях солей ионы электролита начинают концентрировать вокруг себя дипольные молекулы воды, что приводит к резкому уменьшению диэлектрической проницаемости.

• [1] Кулон — единица электрического заряда (количества электричества).Кулон равен электрическому заряду, проходящему через поперечноесечение проводника при постоянном токе силой один ампер за однусекунду, т. е. К=А с.