物 質 的 電 學 性 質 包 含 三 大 類 ， 分 別 為 介 電 常 數 或 電 容 率(dielectric constant)、導磁係數(permeability)以及導電度(conductivity)。以下分別介紹 其特性:
(1)介電常數:
理想介電質不存在自由電荷(free charge)，當外加一電場 E 於理想電介 質，內部電荷不移動至表面產生自由電荷，也就是不改變電荷密度。一般 介質電荷受到邊界束制，電場使內部電荷產生位移量，導致正負電荷重新 排列，於表面形成表面電荷(bound charges)，形成極化現象(polarization)。
電荷位移量 D 稱為電通密度(electric flux density)或電位移(electric displacement)，與電場相關式為
E
D=ε0εr (2-1)
其中真空狀態下介電係數ε0(permittivity)等於 8.85×10-12F/m，單位為法 拉第(Farad)每公尺；一般物質的介電係數與ε0之比稱為介電常數或相對介
電係數εr(Relative permittivity)。
一般常見的造岩礦物矽酸鹽類之介電常數範圍(如 表 2.1)通常在 1~10 之間；純水介電常數則達 80，而含有金屬礦物材料例如鉛、鐵、錫等因含 有多價數離子金屬，造成的電位移量大於低價離子電荷，多數的介電常數 大於10。
圖2.1 表示電位移現象，於巨觀角度此電介質雖視為電中性，但受到外 在電場影響，造成極化現象，形成一相反方向的內部電場，在微觀上對電 介質內部和外部的電場會有所影響。
Abu-Hassanein 等(1996)認為直流電源會產生電勢能(electrokinetic)現 象，進而改變土壤結構、含水量，以及孔隙水化學性質。
電荷極化現象之外，以離子鍵形成的材料，亦會產生離子極化；外加電 場，使陽離子朝向負極移動，陰離子往正極移動。大部分造岩礦物主要以 離子鍵結組成，例如矽酸鹽類礦物的石英、雲母、輝石等，因此地質材料 所產生的電位移以離子極化現象為主(Keller and Frischknecht, 1966)。
介電常數與外加電流頻率的關係成反比。當頻率非常低時，可視為物質 的表面呈現極化現象；頻率增加到高頻時，只剩下內部電子極化情形如 圖 2.2表示於不同頻率下物質之極化現象，由高頻率到低頻率包含以下四種極 化現象，分別為電荷極化、離子極化、分子極化以及介面極化，其介電常 數隨電流頻率增加而降低。因為在高頻率下之極化作用無法使電荷分離完 全，並使電荷來回快速移動，進而增加導電度。
表 2.1 材料介電係數(修改自 Keller,1966)
材料名稱 化學成分 介電常數
空氣 1.0
純水 H2O 81
方鉛礦(Galena) PbS 17.85
閃鋅礦(Sphalerite) ZnS 7.88
剛石(Corundum) Al2O3 10.98~13.22 錫石(cassiterite) SnO2 23.39~23.95 赤鐵礦(Hematite) Fe2O3 24.97
白雲石(Dolomite) CaMg(CO3)2 6.78~7.98 磷灰石(Apatite) Ca5(F,Cl)(PO4)3 7.40~10.49 硫酸鉛礦(Anglesite) PbSO4 72.77~497.18
石膏(Gypsum) CaSO4‧2H2O 5.39~11.97 輝石(Augite) Ca(Mg,Fe,Al)(Al,Si)2O6 6.89~8.59 黑雲母(Biotite) K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2 6.19~9.30
白雲母(Muscovite) KAl3Si3O10(OH)2 6.19~7.99
正長石(Orthoclase) KAlSi3O8 4.50~5.80 斜長石(Plagioclase) (Ca,Na)(Al,Si)AlSi2O8 5.45~7.23
石英(Quartz) SiO2 4.11~4.27
圖2.1 外加電場造成電荷重新排列產生表面電荷(Cheng,1989)
圖 2.2 電流頻率對導電度與介電常數影響簡圖(Keller,1966 )
(2)導磁係數:
導磁係數μ的定義是磁通密度 B(magnetic flux density)與磁場強度 H(magnetic field intensity)之比。2-2式代表磁性材料被磁化的容易程度
r
0
;
μ μ μ
μ
= =H
B
(2-2)其中真空導磁係數μ0等於 4π×10-7 (H/m)單位為亨利(Henry)每公尺。
相 對 導 磁 係 數 μr之 值 可 將 磁 性 材 料 分 為 以 下 三 類 ； 包 含 反 磁 性 (diamagnetic)、順磁性(paramagnetic)以及強磁性(ferromagnetic)(如 表 2.2)。
當物質與外在磁場產生相反方向磁場稱為反磁性；若為相同方向則為順磁 性。通常原子由於冷次效應(Lenz’s Law)都具有反磁性，反磁性材料不存在 永久磁性之特性，磁場移去同時則誘導磁場便消失。但部份材料因無完全 消磁，於外加電場時產生微弱反磁效應(diamagnetic effect)而使分子磁偶極 距(magnetic dipole moment)排列方向與外加磁場相同，呈現順磁效果，例如 鋁、鈦金屬。順磁性與反磁性的感應磁場通常為外加磁場的萬分之一。強 磁性材料具有永有磁性特性，如磁鐵。
表 2.2 相對導磁係數表(修改自 Keller,1996、Cheng,1989)
材料名稱 相對導磁係數
純鐵(Iron) 4000 鎳(Nickel) 250 磁鐵礦(Magnetite) 5 磁黃鐵礦(Pyrrhotite) 2.25
強磁性
鈦鐵礦(Ilmenite) 1.55 赤鐵礦(Hematite) 1.053 黃鐵礦(Pyrite) 1.0015 鋁(Aluminum) 1.000021 鎂(Magnesium) 1.000012 鈦(Titanium) 1.00018 輝石(Augite) 1.00167
順磁性
角閃石(Hornblende) 1.00015 金(Gold) 0.99996 銅(Copper) 0.99999 銀(Silver) 0.99998 石英(Quartz) 0.999985 鉀鹽(Sylvite) 0.999986
反磁性
方解石(Calcite) 0.999987
(3)導電度:
傳遞電流的能力以導電度σ定義之，單位為S/m；電阻率ρ為導電度的 倒數，單位為 ohm-m；物質能夠具有導電特性是由於自由電荷的移動，產 生電流。依照電流形成方式不同分為傳導電流(Conduction currents)，以電子 移動產生電流，此類材料稱為導體，而以電子與電洞形成之傳導電流，稱 為半導體。另一種稱為電解電流(Electrolytic currents)，由離子鍵結合的化合 物於溶液中，經由電解作用，以陰陽離子的移動形成電流傳導。在真空或 惰性氣體下電子或離子的漂移運動形成電流之現象為對流電流(Convection currents)。
導體的導電度與電子移動率μe之相關性可以(2-3)式表示，μe依材料不
其中F為法拉第常數等於 96500 庫倫電子量，ci等於i離子濃度，μi為i 離子移動率。導電度溫度25°C下低濃度離子的移動率如 表 2.3 所示。
電阻率(resistivity)不隨著物質的幾何形狀而變異，電阻(resistance)則隨 物質幾何形狀改變；圖2.3 代表一長度為l，與電流方向垂直之表面積A，電 阻率為ρ的物質，其電阻率與電阻的關係式如(2-4)式。
A
R=ρ l (2-4)
其中電阻R 之單位為歐姆(ohm)，其值與面積成反比，而與電流路徑成 正比。
表 2.3 一些常見的離子移動率(Keller,1966) 離子 離子移動率 (m2/V·s)
H+ 36.2×10-8 OH－ 20.5×10-8 SO4－ 8.3×10-8
Na+ 5.2×10-8 Cl－ 7.9×10-8 K+ 7.6×10-8 NO3－ 7.4×10-8
圖2.3 影響電阻的幾何因子(Burger, 1992)