Электрофизические свойства

Нефть, как и любые ее фракции, является диэлектриком, т. е. относится к классу веществ, электрическая проводимость которых лежит в пределах 10^–20—10^–8 Ом^–1·м^–1. Не менее важный параметр, характеризующий свойства нефти, — это диэлектрическая проницаемость ε.

Перенос заряда в жидкости в зависимости от природы носителей может осуществляться различными механизмами. В нефтяных системах возможно существование и конкуренция различных типов проводимости (электронная, электронно-дырочная, форетическая), причем с участием как положительно, так и отрицательно заряженных носителей. Когда нефтяные системы являются коллоидными системами, то форетическая электрическая проводимость (движение заряженных дисперсных частиц) становится преобладающей.

Электрическая проводимость нефтей и нефтепродуктов изучена недостаточно. Для светлых нефтепродуктов ее значения составляют 10^–7 – 10^–8 Ом^–1·м^–1. В сырой нефти значения электрической проводимости лежат в интервале 10^–5 – 10^–8 Ом^–1·м^–1. Тяжелые вязкие нефти имеют еще большую электрическую проводимость.

При нагревании нефтей их электрическая проводимость может резко возрастать, увеличиваясь на порядок при повышении температуры на 60-70°С. По-видимому, электрическая проводимость собственно нефтей обусловлена гемолитической диссоциацией входящих в ее состав асфальтено-смолистых веществ, нефтяных кислот и т. д. Несмотря на малую полярность компонентов и связанную с этим небольшую диэлектрическую проницаемость, эти вещества могут диссоциировать. Асфальтены в большей степени увеличивают проводимость нефти, чем смолы.

Механизм электрической проводимости масел несколько иной природы. Основным механизмом являются электронные донорно-акцепторные взаимодействия с появлением комплексов с переносом заряда. В маслах присутствует большое количество углеводородов, молекулы которых содержат сопряженные двойные связи (типа конденсированных ароматических соединений). Такие системы обладают полупроводниковыми свойствами и называются органическими полупроводниками. Зависимость проводимости от температуры определяется формулой

σ = σ₀ e ^{– W σ/ kT},

где σ₀ — константа; W _σ— энергия активации электрической проводимости.

Повышенная электрическая проводимость органических полупроводников объясняется высокой подвижностью π-электронов сопряженных двойных связей. Это обусловливает эстафетную электронно-дырочную проводимость при состоянии, когда электроны находятся в них на более высоких энергетических уровнях. В результате взаимодействия с поверхностью, ограничивающей объем, электрон может оторваться от молекулы и попасть на поверхность. При этом в молекуле возникает вакансия—дырка. Эффективная масса электронов и дырок много меньше массы молекулы, так что у соседней молекулы, которая не успевает заметно сместиться, один из электронов может перескочить в образовавшуюся дырку. Одновременно мигрируют как положительные, так и отрицательные заряды. Электрическая проводимость по эстафетному механизму возникает за счет электронных донорно-акцепторных взаимодействий между молекулами и на границе масляной фазы с поверхностью металла. В отличие от ионной или форетической проводимости при эстафетной электрической проводимости не происходит переноса вещества, а значит, последняя не должна зависеть от вязкости среды.