Экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности
Приведено результати експериментальних досліджень неоднорідного подовжнього періодичного температурного поля в тонкому оцинкованому сталевому проводі з імпульсним аперіодичним електричним струмом провідності великої щільності, що досягає на стадії випару матеріалу проводу амплітудного значення до 0,...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143049 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 3. — С. 63-68. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859943960590417920 |
|---|---|
| author | Баранов, М.И. |
| author_facet | Баранов, М.И. |
| citation_txt | Экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 3. — С. 63-68. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | Приведено результати експериментальних досліджень неоднорідного подовжнього періодичного температурного поля в тонкому оцинкованому сталевому проводі з імпульсним аперіодичним електричним струмом провідності великої щільності, що досягає на стадії випару матеріалу проводу амплітудного значення до 0,4 кА/мм².
Приведены результаты экспериментальных исследований неоднородного продольного периодического температурного поля в тонком оцинкованном стальном проводе с импульсным апериодическим электрическим током проводимости большой плотности, достигающей на стадии испарения материала провода амплитудного значения до 0,4 кА/мм².
Results of experimental research into a longitudinal heterogeneous periodic temperature field in a thin zincked steel wire with a high-density aperiodic pulse conduction current are presented, the current reaching the peak value of 0,4 kA/mm² at the stage of the wire material evaporation.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:12:41Z |
| format | Article |
| fulltext |
Техніка сильних електричних та магнітних полів
Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №3 63
УДК 621.3:537.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ "ГОРЯЧИХ"
И "ХОЛОДНЫХ" ПРОДОЛЬНЫХ УЧАСТКОВ В ТОНКОМ МЕТАЛЛИЧЕСКОМ
ПРОВОДЕ С ИМПУЛЬСНЫМ ТОКОМ БОЛЬШОЙ ПЛОТНОСТИ
Баранов М.И., д.т.н., с.н.с.
НИПКИ "Молния" Национального технического университета "Харьковский политехнический институт"
Украина, 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47, НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ"
тел. (057) 707-68-41, факс (057) 707-61-33, E-mail: eft@kpi.kharkov.ua
Приведено результати експериментальних досліджень неоднорідного подовжнього періодичного температурного
поля в тонкому оцинкованому сталевому проводі з імпульсним аперіодичним електричним струмом провідності вели-
кої щільності, що досягає на стадії випару матеріалу проводу амплітудного значення до 0,4 кА/мм2.
Приведены результаты экспериментальных исследований неоднородного продольного периодического температурного
поля в тонком оцинкованном стальном проводе с импульсным апериодическим электрическим током проводимости
большой плотности, достигающей на стадии испарения материала провода амплитудного значения до 0,4 кА/мм2.
ВВЕДЕНИЕ
В [1] российскими специалистами из научно-
технической области плазменной техники и техноло-
гии в результате экспериментального изучения тепло-
вого состояния охлаждаемой водой тонкой оцинкован-
ной (с толщиной покрытия 5 мкм) стальной проволоки
радиусом пr =0,15 мм и длиной пl =118 мм при изме-
нении в ней в течение нескольких десятых долей се-
кунды плотности постоянного электрического тока
проводимости пδ в диапазоне от нуля до 6,87·108 А/м2
(при силе тока до 48,6 А) было показано, что указанная
проволока нагревается в виде периодически повто-
ряющихся вдоль ее продольной оси слоев относитель-
но "горячего" и "холодного" металла. Причем, согласно
работе [1] данная слоистая структура из "горячих" и
"холодных" продольных участков сохраняла свою пе-
риодическую цепочку указанных слоев металла вплоть
до наступления явления электрического взрыва (ЭВ)
проволочки. В упомянутой нами работе авторы огра-
ничились исследованием тепловых процессов в твер-
дом металле, оставив без внимания развитие сложных
электрофизических процессов в продуктах взрывооб-
разного разрушения и мелкодисперсного распада пере-
гретого металла проволочки. Здесь следует указать то,
что согласно известным результатам эксперименталь-
ных исследований других авторов в области высоко-
температурной электро – и теплофизики [2-4] продук-
ты ЭВ металлических проволочек также содержат
слоистую стратообразную вдоль них структуру.
В [5-9] автором с привлечением аппарата кван-
товой физики были изложены некоторые результаты
теоретических исследований процессов формирова-
ния и распределения постоянного или переменного
(импульсного) электрического тока проводимости в
тонком однородном металлическом проводнике. По-
лученные в [5-9] данные позволили с квантовомеха-
нических позиций в первом приближении объяснить
протекающие в металле проводника с током прово-
димости различных амплитудно-временных парамет-
ров (АВП) электрофизические микропроцессы, в том
числе и образование в его проводящей структуре од-
новременно относительно "горячих" и "холодных"
продольных участков, периодически повторяющихся
по длине металлического проводника и существенно
отличающихся между собой уровнем температуры.
Для бόльшей достоверности этих расчетных результа-
тов необходимы прямые экспериментальные данные,
подтверждающие существование в металлическом
проводнике с электрическим током проводимости
различных АВП указанных "горячих" и "холодных"
продольных слоев (участков) металла. На взгляд ав-
тора, явно обнаружить (выявить) подобные слои (уча-
стки) в металлическом проводнике можно только пу-
тем пропускания по нему электрического тока боль-
шой плотности пδ . В противном случае, из-за про-
дольного смещения во времени t волновых электрон-
ных пакетов (ВЭП) в металлическом проводнике, что
особенно важно для постоянного тока, приводящего к
определенному продольному выравниванию темпера-
туры слоев его металла, а также из-за возникающих
технических трудностей, связанных с точной регист-
рацией высокоинерционных показателей температуры
на рядом расположенных сравнительно небольших
участках проводника с переменным (импульсным)
током, находящихся под высоким электрическим на-
пряжением, зафиксировать относительно "горячие" и
"холодные" продольные слои в металле проводника
представляется крайне проблематичным. Кроме того,
относительно малые значения плотности электриче-
ского тока пδ в металлическом проводе приводят
согласно результатам работ автора [5-9] к заметному
возрастанию неопределенности продольных коорди-
нат свободных электронов в материале провода и как
следствие этого – к существенному увеличению гео-
метрических размеров формируемых ими ВЭП, со-
держащих эти "горячие" и "холодные" продольные
участки провода. Это вызывает значительное увели-
чение продольных размеров указанных участков, что
приводит к дополнительным трудностям в их обна-
ружении и идентификации, а также к заметному росту
весогабаритных и энергетических показателей ис-
пользуемого для этих целей высоковольтного элек-
трофизического оборудования.
Целью данной статьи является опытное обнару-
64 Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №3
жение и элементарное экспериментальное исследова-
ние относительно "горячих" и "холодных" продоль-
ных участков в тонком металлическом проводе с им-
пульсным электрическим током проводимости боль-
шой плотности, а также сравнение полученных опыт-
ных количественных данных для указанных продоль-
ных участков провода с расчетными оценками их
геометрических характеристик.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Примем, что по тонкому сплошному круглому
биметаллическому проводу (с толщиной проводящего
покрытия пΔ ) цилиндрической конфигурации внеш-
ним радиусом пr и длиной пl вдоль его продольной
оси OZ протекает униполярный импульсный элек-
трический ток проводимости )(п ti с произвольными
АВП, равномерно распределенный с большой плотно-
стью )(п tδ по поперечному сечению пS = 2
пrπ прово-
да (рис. 1). Пусть выполняется условие пl >> пr , а не-
подвижный провод размещен в изоляционной воз-
душной среде при комнатной температуре, равной
=θ0 20 °С. Считаем, что в исследуемом проводе (для
большей конкретности нами был выбран оцинкован-
ный стальной провод с параметрами: пr =0,8 мм;
пl =320 мм; пΔ =5 мкм) поведение в межатомном
пространстве его материала свободных электронов,
характеризующихся корпускулярно-волновым дуа-
лизмом, приближенно подчиняется одномерному
временному волновому уравнению Шредингера и
описывается на его основании соответствующими
волновыми −ψ функциями − стоячими электронными
полуволнами де Бройля [5, 9]. Данные волновые
−ψ функции, как известно, определяют в металличе-
ском проводе пространственно-временную эволюцию
и закономерности продольного распределения дрей-
фующих свободных электронов и формируют ВЭП
провода с электрическим током проводимости )(п ti .
l
Рис. 1. Рассматриваемая упрощенная модель тонкого круглого
металлического провода с импульсным электрическим
током проводимости )(п ti большой плотности
Пусть ВЭП рассматриваемого провода или его
квантованные дискретные наборы собственных вол-
новых −ψ функций макроскопически распределяются
вдоль продольной оси OZ провода в периодическую
структуру, шаг которой равен сумме ширин относи-
тельно "горячего" ГzΔ и "холодного" ХzΔ продоль-
ных участков провода [8, 9] (рис. 1). Эксперименталь-
но подтвержденные формулы для расчета величин
ГzΔ и ХzΔ применительно к рассматриваемому би-
металлическому проводу, но только с другими
(бόльшими) значениями плотности пδ постоянного
тока, нежели в проводимых нами экспериментах с
мощными униполярными импульсами тока )(п ti , ав-
тором были приведены в [8, 10]. Исходя из [5-10] и
известных положений квантовой физики (механики)
[11], считаем, что свободные электроны в межатом-
ном пространстве материала исследуемого биметал-
лического провода распределяются в его продольном
направлении в соответствии с числовой последова-
тельностью изменения целого квантового числа
en =1,2,3,... электронных полуволн де Бройля и под-
чиняются квантовой статистике Ферми − Дирака
[12, 13]. Полагаем, что импульсный ток )(п ti , воздей-
ствующий в описанных ниже опытах на выбранный
оцинкованный стальной провод, создается за счет
высоковольтного разряда на него емкостного накопи-
теля энергии (ЕНЭ), входящего в состав мощного ге-
нератора импульсных токов на номинальное положи-
тельное (отрицательное) зарядное напряжение
зU = ± 5 кВ (ГИТ-5С), размещенного на эксперимен-
тальной базе НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ". В про-
водимых опытах ограничимся воздействием от гене-
ратора ГИТ-5С на исследуемый провод мощного апе-
риодического импульса тока )(п ti отрицательной по-
лярности. Требуется после воздействия принятого
мощного импульса тока на выбранный провод вы-
явить и зафиксировать в нем относительно "горячие"
и "холодные" продольные участки, а также исследо-
вать их основные геометрические характеристики.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В
ОЦИНКОВАННОМ СТАЛЬНОМ ПРОВОДЕ
На рис. 2 показан общий вид жестко закреплен-
ного в разрядной цепи ЕНЭ генератора ГИТ-5С ис-
следуемого оцинкованного стального провода до
электротеплового воздействия на него мощного апе-
риодического импульса тока )(п ti отрицательной по-
лярности. Указанный генератор ГИТ-5С был собран
по классической электрической −RLC схеме, обычно
используемой в технике высоких напряжений и
больших импульсных токов, и имел в своем разряд-
ном контуре следующие основные электрические па-
раметры: электрическую емкость гС =45,36 мФ; соб-
ственную индуктивность гL =11,43 мГн; активное
сопротивление гR =4,74 Ом; запасаемую энергию гW
до 567 кДж. Для уменьшения электрической эрозии
электродов в сильноточном коммутаторе мощного
генератора ГИТ-5С в их качестве были применены
графитовые щетки от мощной электрической машины
(накопленный нами опыт их эксплуатации в составе
этого коммутатора генератора ГИТ-5С подтвердил
Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №3 65
правильность такого технического решения).
Рис. 2. Общий вид исследуемого оцинкованного стального
провода ( пl =320 мм; пr =0,8 мм) до воздействия на него
мощного апериодического импульса тока )(п ti
На рис. 3 приведена рабочая зона эксперимен-
тальной электрофизической установки с исследуемым
оцинкованным стальным проводом после воздействия
на него от генератора ГИТ-5С ( зU =-3,7 кВ;
гW =310 кДж) апериодического импульса тока )(п ti ,
осциллограммы которого показаны на рис. 4 и 5. Отме-
тим, что данные осциллограммы для импульсного тока
)(п ti были получены с помощью встроенного в раз-
рядную цепь генератора ГИТ-5С со стальным прово-
дом измерительного шунта типа ШК-300 с активным
сопротивлением 0,185 мОм и коэффициентом преобра-
зования 5642 А/В (разработка НИПКИ "Молния" НТУ
"ХПИ") и осциллографов типа Tektronix TDS 1012.
Рис. 3. Тепловое состояние исследуемого оцинкованного
стального провода после интенсивного электротеплового
воздействия на него мощного апериодического импульса
тока )(п ti большой плотности ( пmδ =0,37 кА/мм2)
Согласно данным рис. 4 и 5 время нарастания для
примененного мощного апериодического импульса
тока )(п ti при его амплитуде mcI =-745 А составляет
около mτ =9,0 мс, а его полная длительность оказыва-
ется равной иτ =0,576 с. С учетом принятых допуще-
ний амплитуда плотности тока пmδ в проводе состав-
ляла численное значение, равное пmδ =0,37 кА/мм2.
Из рис. 3 видно, что после воздействия указанного
мощного униполярного импульсного тока )(п ti на рас-
сматриваемый провод на большей части его длины пl
произошло расплавление и возможное испарение как
его цинкового покрытия, так и стального основания.
Края двух неразрушенных частей провода, симметрич-
но расположенных по его длине пl , были нагреты до
белого цвета излучения, что согласно данным работы
[1] примерно соответствует температуре пT материала
провода, равной 1200 °С. Причем, эти части в соответ-
ствии с данными рис. 3, 6 и 7 представляли собой ган-
телеобразные элементы, содержащие посередине пере-
гретое исходное цилиндрическое тело провода диамет-
ром 1,6 мм при его длине около 27 мм, а по своим кра-
ям практически две сферы примерно диаметром 7 мм
из вскипевшего цинкового покрытия и стального осно-
вания провода. Образование по длине пl провода та-
ких гантелеобразных элементов дает нам основание
считать, что в зоне указанных вспученных металличе-
ских сфер диаметром около 7 мм температура джоуле-
ва нагрева материала провода значительно превышает
температуру нагрева их среднего цилиндрического
"перешейка" диаметром 1,6 мм и длиной около 27 мм.
Кстати, об этом свидетельствует и их разная свети-
мость (металлические сферы были визуально более
яркими по сравнению с цилиндрическими "перешей-
ками" между ними, см. рис. 3).
Рис. 4. Осциллограмма нарастающей части воздействующе-
го на оцинкованный стальной провод мощного апериодиче-
ского импульса тока отрицательной полярности амплитудой
mcI =-745 А ( mпδ =0,37 кА/мм2; mτ =9,0 мс)
Рис. 5. Осциллограмма спадающей части воздействующего
на оцинкованный стальной провод мощного апериодического
импульса тока отрицательной полярности амплитудой
mcI =-745 А ( пmδ =0,37 кА/мм2; иτ =0,576 с)
66 Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №3
Рис. 6. Гантелеобразные элементы исследуемого
оцинкованного стального провода на стадии остывания
после их интенсивного нагрева мощным апериодическим
импульсом тока проводимости )(п ti большой плотности
В связи с этим можно заключить, что зона вспу-
ченных сфер диаметром 7 мм на теле исследуемого
провода соответствует его "горячим" продольным
участкам, а область цилиндрического "перешейка"
между ними – его "холодным" продольным участкам.
Рис. 7. Общий вид гантелеобразных элементов исследуемого
оцинкованного стального провода, размещенных на
теплоизолирующей асбестовой подложке, после их
остывания на открытом воздухе
На рис. 8 для сравнения в реальном масштабе
изображены исходные металлические элементы рас-
сматриваемого нами оцинкованного стального прово-
да диаметром 1,6 мм и длиной 320 мм (вверху) и по-
лученные из них гантелеобразные металлические
элементы общей длиной около 41 мм (внизу) после
воздействия на исследуемый сплошной металличе-
ский провод мощного отрицательного униполярного
импульса тока примерно временной формы 9мс/576мс
с амплитудой mcI =-745 А.
Рис. 8. Общий вид элементов исследуемого оцинкованного
стального провода до (вверху) и после (внизу) воздействия на
них мощного апериодического импульса тока
проводимости )(п ti большой плотности ( пmδ =0,37 кА/мм2)
При пропускании с помощью мощного генерато-
ра ГИТ-5С через новый образец исследуемого прово-
да апериодического импульса тока )(tiп аналогичной
временной формы с амплитудой mcI =-805 А ( зU =
=-4,0 кВ; mпδ =4,0·108 А/м2; гW =363 кДж) наблюда-
лась полная сублимация его цинкового покрытия и
стального основания на всей длине пl биметалличе-
ского провода. Поэтому, наверное, амплитудное чис-
ленное значение плотности тока mпδ =3,7·108 А/м2 для
рассматриваемого провода и указанной временной
формы тока )(tiп можно принять за критическое, при
котором начинается испарение и разрушение его ме-
таллической структуры, приводящее к потере прово-
дом металлической проводимости.
3. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК "ГОРЯЧИХ" И "ХОЛОДНЫХ"
ПРОДОЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ОЦИНКОВАННОГО
СТАЛЬНОГО ПРОВОДА
Подход 1. Используя результаты расчета максималь-
ного числа электронных полуволн де Бройля в метал-
лическом проводнике с постоянным или переменным
электрическим током проводимости, представленные
в [10], выражение, определяющее число en =1,2,3,...
мод в дискретном наборе волновых −ψ функций ВЭП
для рассматриваемого оцинкованного стального про-
вода с амплитудой плотности тока пmδ (А/м2), с уче-
том экспериментальных данных из [1] принимает сле-
дующий приближенный вид:
en =2 [ ]28
п
2 )1087,6/( ⋅δmn , (1)
где n − главное квантовое число для атомов материала
металлического провода, соответствующее номеру
периода в периодической системе химических эле-
ментов Менделеева, которому принадлежит металл
рассматриваемого провода.
Отметим, что в любом атоме вещества совокуп-
ность связанных электронов, обладающих одинако-
вым главным квантовым числом n, образует элек-
тронный слой или электронную оболочку атома [13].
Поэтому главное квантовое число n равно числу элек-
тронных слоев (оболочек) в атоме материала иссле-
дуемого металлического провода.
Из (1) следует, что при пmδ =6,87·108 А/м2 число
en оказывается равным 2 n 2 (в этом случае при n = 4
для цинкового покрытия и стального основания ис-
следуемого провода величина en будет составлять 32,
что хорошо согласуется с известными эксперимен-
тальными данными по периодическому изменению
температуры вдоль аналогичного провода только
диаметром 0,3 мм и длиной пl =118 мм с постоянным
током большой плотности [1, 8]).
Так как в нашем случае пmδ =3,7·108 А/м2, то со-
гласно (1) для выбранного нами провода целое число
en (число стоячих электронных полуволн де Бройля
на длине пl провода) будет примерно составлять 10.
Тогда, в соответствии с [10] расчетный шаг периоди-
ческой структуры ВЭПzΔ неоднородного продольно-
го температурного поля исследуемого провода
( пl =320 мм; пr =0,8 мм) будет примерно равен:
ВЭПzΔ = ГzΔ + ХzΔ = Пl / en =32 мм. (2)
Усредненная ширина "горячего" продольного
участка ГzΔ в рассматриваемом проводе с плотно-
Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №3 67
стью тока пmδ с использованием известного из кван-
товой физики соотношения неопределенностей Гей-
зенберга [11] может быть найдена из следующего
расчетного соотношения [5, 9]:
ГzΔ ≥ п00 4/ mee mhne δπ , (3)
где 0e =1,602·10-19 Кл – элементарный электрический
заряд электрона; 0en – усредненная плотность сво-
бодных электронов в металле провода до воздействия
на него импульса тока )(п ti ; =h 6,626·10-34 Дж·с −
постоянная Планка; em =9,108·10-31 кг − масса покоя
свободного электрона металла провода.
Усредненная плотность 0en свободных электро-
нов в металлическом проводе равна концентрации его
атомов 0N (м-3), умноженной на валентность мате-
риала провода, определяемую числом неспаренных
электронов на внешних валентных энергетических
уровнях его атомов (например, для цинкового покры-
тия или стального провода валентность равна двум
[14]). Для расчетной оценки концентрации атомов 0N
в металлическом проводе с плотностью его материала
Пd (кг/м3) следует воспользоваться следующим из-
вестным соотношением [15]:
0N = Пd ( аМ ·1,6606·10-27)-1, (4)
где аМ − атомная масса материала провода (напри-
мер, для стального провода можно считать, что
аМ =55,85), практически равная массовому числу А
ядра атома металлического провода, определяемому в
соответствии с периодической системой химических
элементов Менделеева (одна атомная единица массы
равна 1/12 массы атома изотопа углерода С12
6 , чис-
ленно составляющей 1,6606·10-27 кг).
Тогда, с учетом (4) для нашего стального прово-
да ( Пd =7820 кг/м3) с тонким цинковым покрытием
толщиной пΔ =5 мкм имеем, что 0N =8,43·1028 м-3, а
0en =16,86·1028 м-3. В результате из выражения (3) при
пmδ =3,7·108 А/м2 получаем, что ГzΔ ≥4,2 мм. Исполь-
зуя данное расчетное численное значение ГzΔ , для
усредненной ширины "холодного" продольного уча-
стка ХzΔ в исследуемом проводе их (2) находим, что
она в случае первого подхода составляет величину,
примерно равную 27,8 мм.
Подход 2. Для определения усредненной величины
стоячей электронной полуволны де Бройля eλ /2 в
ВЭП металла провода, на которой умещается один
"горячий" шириной ГzΔ и один "холодный" шириной
ХzΔ продольный участок, воспользуемся известной
формулой де Бройля для длины волны свободного
электрона, дрейфующего в материале провода под
действием приложенного к нему электрического на-
пряжения )(п tU [5, 15]:
eλ = eDevmh / , (5)
где −eDv средняя скорость дрейфа свободного элек-
трона в металле рассматриваемого провода.
Известно, что средняя дрейфовая скорость eDv
свободного электрона в исследуемом металлическом
проводе будет равна [16, 17]:
eDv = )(п tδ / 0e · 0en . (6)
Принимая в соотношении (6) приближение вида
)(п tδ = пmδ =3,7·108 А/м2, для наибольшей величины
скорости дрейфа свободного электрона eDv в металле
провода при 0en =16,86·1028 м-3 получаем численное
значение, примерно равное 0,014 м/с. Из (5) тогда на-
ходим, что в нашем случае усредненная величина
стоячей электронной полуволны де Бройля в исследуе-
мом проводе будет численно составлять eλ /2=25,9 мм.
Видно, что размеры усредненной даже электронной
полуволны де Бройля в металле рассматриваемого про-
вода принимают макроскопические значения, превы-
шающие его толщину 2 пr или выше оцененную нами
длину (ширину) его "горячего" участка ГzΔ =4,2 мм и
соизмеримые с длиной (шириной) его ранее оцененно-
го "холодного" участка ХzΔ =27,8 мм.
Этот результат в соответствии с современными
квантовомеханическими представлениями [11, 13, 18]
однозначно говорит о том, что при изучении в иссле-
дуемом проводе микроэлектрофизических процессов,
связанных с распределением в его материале свобод-
ных электронов, в случае протекания по нему вы-
бранного нами мощного импульсного апериодическо-
го тока )(п ti с большой плотностью ( пmδ =3,7·108
А/м2) необходимо использовать законы не классиче-
ской, а квантовой физики. При пmδ <3,7·108 А/м2 это
утверждение еще более усиливается и становится
просто обязательным условием для электрофизиков
(электротехников) при корректном и отражающем
основные вероятностные закономерности микромира
кристаллической структуры металла изучении рас-
сматриваемых здесь сложных электрофизических
микропроцессов в биметаллическом проводнике с
электрическим током проводимости различных АВП.
Итак, при eλ /2= ГzΔ + ХzΔ =25,9 мм и использо-
вании (3), согласно которому оценка ширины ГzΔ
относительно "горячего" продольного участка прово-
да показала, что при пmδ =3,7·108 А/м2 величина
ГzΔ ≥4,2 мм, в исследуемом случае для ширины ХzΔ
относительно "холодного" продольного участка на-
шего биметаллического провода при втором расчет-
ном подходе получаем численное значение, равное
около 21,7 мм. Расчетное число en стоячих электрон-
ных полуволн де Бройля на всей длине пl исследуе-
мого оцинкованного стального провода при этом бу-
дет примерно равным en =2 пl / eλ =640/51,8=12.
4. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ОПЫТНЫХ И
РАСЧЕТНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ "ГОРЯЧИХ" И
"ХОЛОДНЫХ" ПРОДОЛЬНЫХ УЧАСТКОВ
ОЦИНКОВАННОГО СТАЛЬНОГО ПРОВОДА
Положение 1. В ходе описанных выше эксперимен-
тальных исследований было установлено, что при
воздействии на оцинкованный стальной сплошной
провод ( пr =0,8 мм; пl =320 мм; пΔ =5 мкм) мощного
отрицательного апериодического импульса тока при-
68 Електротехніка і Електромеханіка. 2008. №3
мерно временной формы 9мс/576мс с амплитудой
mcI =-745 А и большой плотностью тока в его прово-
дящем материале ( пmδ =3,7·108 А/м2) в этом проводе
из-за возникновения макроскопических ВЭП в его
металле явно наблюдаются относительно "горячие" и
"холодные" продольные участки, периодически рас-
положенные с шагом ВЭПzΔ по всей длине пl биме-
таллического провода. Более высокие температуры
из-за неравномерного продольного джоулева нагрева
на "горячих" участках провода, по сравнению с тем-
пературой нагрева его "холодных" участков, вызыва-
ют на "горячих" участках провода более раннее вски-
пание его цинкового покрытия и расплавление сталь-
ного основания. Данный электротепловой эффект при
наличии мощного ГИТ сравнительно легко и четко
может быть опытным путем обнаружен и зафиксиро-
ван. Ширина "горячих" продольных участков в иссле-
дованном проводе составляет около 7 мм, а "холод-
ных" – примерно 27 мм. Число таких слоев металла, в
каждый из которых входит один "горячий" и один
"холодный" участок, на всей длине пl провода в на-
шем случае составляет не менее девяти.
Положение 2. Расчетная квантовомеханическая оцен-
ка геометрических характеристик "горячих" и "хо-
лодных" продольных участков провода на основании
подходов 1 и 2 показывает, что в рассматриваемом
случае ширина ГzΔ "горячего" слоя металла оказыва-
ется равной более 4,2 мм, а ширина ХzΔ "холодного"
слоя металла – в среднем примерно равной
(27,8+21,7)/2=24,8 мм. Общее число en таких перио-
дически повторяющихся слоев металла вдоль длины
пl оцинкованного стального провода может в сред-
нем составлять величину, примерно численно равную
(10+12)/2=11. Видно, что расчетные данные, касаю-
щиеся геометрических размеров указанных "горячих"
и "холодных" продольных участков в исследованном
биметаллическом проводе, удовлетворительно согла-
суются с полученными нами соответствующими экс-
периментальными результатами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Экспериментальным путем удалось впервые в
отечественной высоковольтной импульсной технике и
электротехнике переменного тока большой плотности
обнаружить и зафиксировать квантовомеханические
распределения свободных электронов металла в виде
макроскопических ВЭП в тонком круглом оцинко-
ванном стальном проводе с мощным апериодическим
импульсом тока отрицательной полярности, вызы-
вающие появление в металле провода относительно
"горячих" и относительно "холодных" продольных
участков, периодически расположенных вдоль всей
длины пl исследованного биметаллического провода.
2. Обнаруженный квантовый эффект в биметал-
лическом проводе с импульсным током проводимости
большой плотности требует своего дальнейшего тео-
ретического и опытного изучения.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Марахтанов М.К., Марахтанов А.М. Периодические
изменения температуры по длине стальной проволоки,
вызванные электрическим током// Вестник МГТУ им.
Баумана. Серия: Машиностроение. – 2003. – №1. –
С. 37-47.
[2] Абрамова К.Б., Златин Н.А., Перегуд Б.П. МГД-
неустойчивости жидких и твердых проводников. Раз-
рушение проводников электрическим током// Журнал
экспериментальной и теоретической физики. – 1975. –
Т.69. – Вып. 6(12). – С. 2007-2021.
[3] Валуев А.А., Дихтер И.Я., Зейгарник В.А. Страты при
электрическом взрыве цезиевых проволок при закри-
тических давлениях// Журнал технической физики. –
1978. – Т.48. – Вып. 10. – С. 2088-2096.
[4] Лебедев С.В., Савватимский А.И. Металлы в процессе
быстрого нагревания электрическим током большой
плотности// Успехи физических наук. – 1984. – Т.144.
– Вып. 2. – С. 215-250.
[5] Баранов М.И. Волновое распределение свободных
электронов в проводнике с электрическим током про-
водимости// Электротехника. – 2005. – №7. – С. 25-33.
[6] Баранов М.И. Волновой электронный пакет проводни-
ка с электрическим током проводимости//
Електротехніка і електромеханіка. – 2006. – №3. –
С. 49-53.
[7] Баранов М.И. Квантовомеханическая модель быстрого
нагрева проводника электрическим током проводимо-
сти большой плотности/Электротехника. – 2006. – №4.
– С. 38-44.
[8] Баранов М.И. Энергетический и частотный спектры
свободных электронов проводника с электрическим
током проводимости// Электротехника. – 2006. – №7. –
С. 29-34.
[9] Баранов М.И. Новые физические подходы и механиз-
мы при изучении процессов формирования и распре-
деления электрического тока проводимости в провод-
нике// Технічна електродинаміка. – 2007. – №1. –
С. 13-19.
[10] Баранов М.И. Эвристическое определение максималь-
ного числа электронных полуволн де Бройля в метал-
лическом проводнике с электрическим током прово-
димости// Електротехніка і електромеханіка. – 2007. –
№6. – С. 69-73.
[11] Дирак П.А.М. Принципы квантовой механики/ Пер. с
англ. под ред. акад. В.А. Фока. – М.: Наука, 1979. –
480 с.
[12] Баранов М.И. Энрико Ферми – один из основополож-
ников квантовой статистики, электродинамики и
ядерной энергетики// Електротехніка і електромехані-
ка. – 2007. – №2. – С. 5-12; 2007. – №3. – С. 5-11.
[13] Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.-
М.: Наука, 1990. – 624 с.
[14] Астафуров В.И., Бусев А.И. Строение вещества. – М.:
Просвещение, 1977. – 160 с.
[15] Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики/ Отв. ред.
В.К. Тартаковский. – Киев: Наукова думка, 1989. – 864 с.
[16] Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные
поля. – М.: Мир, 1972. – 391 с.
[17] Баранов М.И. Упрощенная математическая модель
микропроцессов в проводнике с электрическим током
проводимости// Електротехніка і електромеханіка. –
2006. – №2. – С. 66-70.
[18] Займан Дж. М. Современная квантовая теория/ Пер. с
англ. под ред. В.Л. Бонч-Бруевича. – М.: Мир, 1971. –
288 с.
Поступила 27.07.2007
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143049 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:12:41Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Баранов, М.И. 2018-10-22T19:22:09Z 2018-10-22T19:22:09Z 2008 Экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2008. — № 3. — С. 63-68. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143049 621.3:537.3 Приведено результати експериментальних досліджень неоднорідного подовжнього періодичного температурного поля в тонкому оцинкованому сталевому проводі з імпульсним аперіодичним електричним струмом провідності великої щільності, що досягає на стадії випару матеріалу проводу амплітудного значення до 0,4 кА/мм². Приведены результаты экспериментальных исследований неоднородного продольного периодического температурного поля в тонком оцинкованном стальном проводе с импульсным апериодическим электрическим током проводимости большой плотности, достигающей на стадии испарения материала провода амплитудного значения до 0,4 кА/мм². Results of experimental research into a longitudinal heterogeneous periodic temperature field in a thin zincked steel wire with a high-density aperiodic pulse conduction current are presented, the current reaching the peak value of 0,4 kA/mm² at the stage of the wire material evaporation. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Техніка сильних електричних та магнітних полів Экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности Experimental detection and investigation of "hot" and "cold" longitudinal areas in a thin metallic wire with a high-density pulse current Article published earlier |
| spellingShingle | Экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности Баранов, М.И. Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| title | Экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности |
| title_alt | Experimental detection and investigation of "hot" and "cold" longitudinal areas in a thin metallic wire with a high-density pulse current |
| title_full | Экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности |
| title_fullStr | Экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности |
| title_full_unstemmed | Экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности |
| title_short | Экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности |
| title_sort | экспериментальное обнаружение и исследование "горячих" и "холодных" продольных участков в тонком металлическом проводе с импульсным током большой плотности |
| topic | Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| topic_facet | Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143049 |
| work_keys_str_mv | AT baranovmi éksperimentalʹnoeobnaruženieiissledovaniegorâčihiholodnyhprodolʹnyhučastkovvtonkommetalličeskomprovodesimpulʹsnymtokombolʹšoiplotnosti AT baranovmi experimentaldetectionandinvestigationofhotandcoldlongitudinalareasinathinmetallicwirewithahighdensitypulsecurrent |