Электромагнитные свойства морской воды

Электромагнитные свойства морской воды вследствие особенностей ее молекулярной структуры весьма существенно отличаются от электромагнитных свойств других сред. Электромагнитные свойства любой среды характеризуются следующими параметрами: диэлектрической проницаемостью в, магнитной проницаемостью ц и удельной электропроводностью у. Первые два параметра характеризуют способность среды изменять свою электрическую и магнитную индукцию под влиянием электрического и магнитного внешних полей. Третий параметр характеризует перенос электрических зарядов в среде под действием внешнего электрического поля.

Диэлектрическая и магнитная проницаемость среды связана с электрической уе и магнитной у_т восприимчивостью следующими соотношениями:

Диэлектрическая и магнитная восприимчивость среды в свою очередь зависит от вектора электрической поляризации Р_Е, вектора намагничивания Р_т, создаваемыми внешними электрическим и магнитным полями, а также от векторов электрической Е и магнитной Н напряженности результирующих полей¹:

где в₀ =¼л-9−10⁹ Ф/м — электрическая постоянная. При этом диэлектрическая восприимчивость у_е принимает лишь положительные значения, поскольку вектор поляризации Р_г в изотропной среде всегда направлен вдоль электрического поля Е. Магнитная восприимчивость у_т может быть как положительной, так и отрицательной. Для морской воды, как диамагнитной среды, у_т < 0 и, следовательно, ц < 1.

Таким образом,.

Значения электромагнитных параметров вир зависят от строения и свойств молекул среды, а также от способности среды поляризоваться и намагничиваться во внешнем электромагнитном поле. Кроме того, эти параметры зависят от частоты переменных электромагнитных полей, распространяющихся в среде в виде электромагнитных волн.

Рассмотрим более подробно описанные выше параметры для морской воды и их зависимость от температуры, солености, гидростатического давления и частоты электромагнитных волн.

Морская вода обладает аномально высокой диэлектрической проницаемостью, существенно превышающей диэлектрическую проницаемость воздуха (табл. 2.3.1)^1[1][2].

Диэлектрическая проницаемость пресной воды при разной температуре и частоте электромагнитных волн.

Высокие значения диэлектрической проницаемости воды обусловлены полярностью ее молекул, приводящей к образованию ковалентных связей между молекулами.

Для морской воды характерны три вида поляризации: электронная, дипольно-релаксационная и ионная:

где а_э, а_д, а_и — коэффициенты соответствующих видов поляризации.

Электронная поляризация обусловливается смещением электронов относительно ядра при воздействии внешнего электрического поля. При смещении электронов возникает дипольный момент атома, однако он невелик.

Дипольно-релаксационная поляризация связана с тем, что молекула воды имеет некоторую асимметрию внутримолекулярных сил. При этом «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов молекулы не совпадают друг с другом, и молекула представляет собой «жесткий» диполь даже при отсутствии внешнего электрического поля. Однако тепловое движение молекул приводит к тому, что их дипольные моменты ориентированы в пространстве хаотично. В присутствии внешнего электрического поля дипольные моменты ориентируются в направлении поля. Тепловое движение молекул стремится нарушить эту ориентацию. В результате этих противоположных воздействий все же устанавливается преимущественная ориентация дипольных молекул в направлении внешнего поля.

Ионная поляризация вызывается смещением ионов растворенных в морской воде солей во внешнем электрическом поле. При этом положительные ионы смещаются в направлении поля Е, а отрицательные — против поля. Результирующий дипольный момент направлен вдоль внешнего электрического поля.

Морская вода представляет собой раствор большого числа солей, среди которых главную роль играет хлористый натрий. Чрезвычайно интересно, что при изменении общего количества солей в широких пределах относительное количество тех или иных ионов остается практически постоянным во всех морях, связанных с океаном^[3].

Таблица 2.3.2

Вклад основных ионов в электропроводность морской воды.

В табл. 2.3.2 первый столбец содержит химические обозначения основных ионов, второй — количество граммов соответствующего иона на 1 кг воды применительно к средней солености океанических вод (34,482%о), третий столбец показывает, сколько процентов от общего веса всех ионов приходится на долю того или иного иона.

С ростом концентрации раствора электролита диэлектрическая проницаемость сначала медленно возрастает, а затем, достигнув некоторого предела, начинает резко падать. При этом величина максимума и скорость уменьшения диэлектрической проницаемости тем больше, чем тяжелее ионы электролита. Незначительное увеличение в в слабоконцентрированных растворах (морская вода) объясняется тем, что к дипольно-релаксационной и электронной поляризации добавляется еще ионная поляризация. Однако при этом ионы электролита концентрируют вокруг себя дипольные молекулы воды, что и приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости при больших концентрациях солей.

Особенно сложной является зависимость диэлектрической проницаемости воды от температуры. При увеличении температуры уменьшается молекулярная вязкость воды, что создает более благоприятные условия для ориентации дипольных моментов молекул воды и приводит к росту в. С ростом частоты релаксации температурный максимум сдвигается в сторону высоких температур, при увеличении температуры частотный максимум сдвигается в сторону высоких частот.

Морская вода является диамагнитной средой (%_т < 0 и ц < 1). В ней происходит экранирование внешнего магнитного поля встречным внутренним магнитным полем, которое, в свою очередь, возникает за счет индуцированных незатухающих электрических макроскопических вихревых токов. Физическая природа этих токов связана с тем, что электроны в атомах и нуклоны в ядрах приобретают добавочную угловую скорость под действием внешнего магнитного поля и прецессируют вокруг него. Добавочный магнитный момент пропорционален полю и направлен всегда против него (по правилу Ленца). Для воды и всех ее модификаций магнитная восприимчивость очень мала и слабо зависит от температуры (табл. 2.3.3).

Магнитную проницаемость морской воды при различных частотах, температурах и концентрациях солей считают практически величиной постоянной и равной единице.

Морская вода является средой, проводящей электрический ток. Ее электропроводность на четыре — семь порядков превышает электропроводность дистиллированной воды и льда. В табл. 2.3.4 приведены значения удельной электропроводности морской воды по сравнению с другими средами.

Таблица 2.3.3

Зависимость магнитной восприимчивости %_т от температуры.

Таблица 2.3.4

Удельная электропроводность, Ом/м, различных сред.

Электропроводность морской воды определяется концентрацией носителей тока и их подвижностью. Для воды собственными носителями зарядов являются ионы Н+ и ОН^-, причем подвижность протона и гидроксила отличается почти в 2 раза. Кроме того, электрические заряды переносятся также свободными ионами растворенных в морской воде солей.

Электропроводность морской воды наряду с прочими факторами зависит от подвижности ионов. Как известно, подвижность ионов увеличивается с ростом температуры (уменьшается молекулярная вязкость среды), а также с повышением концентрации солей (увеличивается степень диссоциации ионов). Все это приводит к увеличению удельной электропроводности морской воды, также на значение у влияет гидростатическое давление: увеличение гидростатического давления приводит к росту электропроводности, и эффект давления оказывается большим в области меньших температур.

Это совокупное влияние термодинамических характеристик среды на электропроводность в общем виде может быть выражено следующим соотношением:

где Г — температура, °С; S — соленость, %о, а константы, определенные для диапазона температур 7—30°С и солености 24—38%о, имеют следующие значения: а_г = 4,0 • lCh², = 7,9 • 10~², с_г = 2,2 • 10~³, d_x = = -3,0 • 10−2.

Эта существенная зависимость электропроводности от концентрации солей, а также постоянство соотношений основных солевых компонентов, входящих в состав морской воды, позволяют производить измерение солености по электропроводности морской воды^[4].

• [1] Доронин Ю. П. Физика океана.
• [2] Хиппелъ А. Диэлектрики и волны.
• [3] Шулейкин В. В. Краткий курс физики моря.
• [4] Доронин Ю. П., Степаннж И. А. Электромагнитное поле океана: учеб, пособие.СПб.: Изд-во РГГМИ, 1992.