Закон Ома электропроводности как следствие нетеплового действия электрического тока

ЗАКОН ОМА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ КАК СЛЕДСТВИЕ НЕТЕПЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

В.В. Сидоренков

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Введение.

 При взаимодействии металлов с электромагнитным полем главную роль играет их высокая электропроводность, поэтому важным аспектом анализа указанного взаимодействия является выяснение физической природы отклика проводящей среды на наличие в ней электрического тока, нетривиально проявляющего себя за счет своего нетеплового действия. Впервые эксперименты по исследованию нетеплового влияния электрического тока на физические свойства металлов были проведены Г. Вертгеймом [1] еще в 1844 г. По удлинению проволочных образцов различных металлов при постоянной внешней механической нагрузке в условиях пропускания электрического тока (j ~ 107…108  А/м2) либо только при термическом воздействии и одной и той же температуре образца определялись соответственно модули упругости G1 и G2 исследуемого материала. Наличие указанных величин разности ΔG = |G1 – G2| служило доказательством дополнительного нетеплового действия электрического тока на величину модуля упругости металла. Эти исследования считаются уникальным физическим экспериментом, и именно Вертгейму принадлежит приоритет открытия явления упорядоченного механически напряженного состояния металла, возникающего в процессе электропроводности.

В настоящее время указанный феномен исследуется в основном с целью применений на практике электропластического разупрочнения металлов под действием электрического тока высокой плотности  j ~ 108…109 А/м2 [2, 3]. Однако дискуссия о природе этого сложного и многогранного явления  продолжается и отражена во многих публикациях (например, в [2–7]). В частности, в данной работе дается ответ на физически принципиальный вопрос о связи гальваномеханических деформаций (нетепловых деформаций под действием тока) с электрическим полем в металле при электропроводности.

Уравнение энергетического баланса процесса электропроводности в  металлах.

Оставаясь в рамках теории Друде электрической проводимости металлов [8], рассмотрим уравнение энергетического баланса для металлического проводника при наличии в нем электрического тока в следующем приближении:  

                                     .                                (1)

Здесь представлены зависящие от плотности тока объемные плотности тепловой энергии wТ, потенциальной энергии электрического поля we  и кинетической энергии дрейфового движения электронов wj . 

Тепловая энергия, выделяющаяся с течением времени в единице объема проводника с электрическим током, описывается законом  Джоуля-Ленца:

                                       ,                                            (2)

где σ – удельная электрическая проводимость материала. Эта энергия равна работе сторонних сил, постоянно совершаемой над электронами проводимости в их дрейфовом движении, причем приращение внутренней энергии проводника проявляется в его нагреве.  

Объемную плотность электрической энергии /2, связанную с присутствием в проводнике при электропроводности электрического поля, найдем,  учитывая закон Ома  и поле электрического смещения в таких условиях , где e – относительная диэлектрическая проницаемость, e0 – электрическая постоянная. В результате энергия электрической поляризации проводника под действием тока запишется в виде

                                      .                                            (3)

Физический смысл коэффициента τ определяется с учетом теоремы Гаусса: , где r – объемная плотность электрического заряда, из уравнения непрерывности , решение которого  описывает закон релаксации заряда в проводящей среде. Следовательно,  есть постоянная времени релаксации электрического заряда (далее ) для  данного материала.

Поскольку электрический ток представляет собой упорядоченное движение носителей заряда ненулевой массы, то в проводнике присутствует также кинетическая энергия дрейфового движения этих зарядов. Тогда для электронов проводимости металла получим:

                    ,                     (4)

где учтены выражения для вектора плотности тока  и удельной электрической проводимости  [8]. Здесь me и e ­- масса и заряд электрона, n и  - концентрация и дрейфовая скорость электронов проводимости,  - среднее время свободного пробега электронов между столкновениями.

В итоге уравнение энергетического баланса процесса электропроводности в металле (1) запишется следующим образом:

                         .                          (5)

Видно, что при стационарном токе, в отличие от первого слагаемого ,  линейно нарастающего во времени,  два других, и  от времени не зависят и   соотносятся  друг с  другом  в  соответствии  с численными значениями временных коэффициентов  и  . Определяемый аналитически коэффициент  для   металлов  при  комнатной  температуре   [8]   по  порядку  величины  равен 10–13…10–14  с,  а значение ,  cогласно [8, 6],  примем  ~ 10– 6 с. Несмотря на то, что  wj  численно меньше  на 7-8 порядков, тем не менее,  это слагаемое  важно физически, так как отвечает за магнитную энергию проводника  с  током,  и только оно  сохраняется при переходе к сверхпроводимости,  когда  .

Таким образом, в случае нормального (несверхпроводящего) металла  энергетика процесса электропроводности количественно в основном определяется тепловой и электрической энергиями, поставляемыми источником стороннего поля, причем физический механизм их реализации един и обусловлен  передачей ионам кристаллической  решетки проводника энергии упорядоченного движения электронов проводимости. 

Деформационная  поляризация  металлов под  действием 

электрического  тока.

В контексте рассматриваемого вопроса главной целью является выяснение природы электрической энергии , запасаемой в проводнике с током. Покажем, что закон Ома электропроводности обусловлен откликом среды на нетепловое воздействие со стороны электрического тока и проявляет себя в виде электрической поляризации металла. Представления о векторе электрической поляризации вещества как дипольном моменте единицы объема в линейном приближении, прямо пропорциональном напряженности электрического поля:  (||- плечо диполя),  приводят к выражению

                                       ,                                         (6)

позволяющему описать электрическое поле в металлической среде при ее поляризации; металл здесь рассматривается как диэлектрик с предельно большой восприимчивостью. В общем случае соотношение (6) является тензорным, но применять тензорную запись в наших рассуждениях нет необходимости.

В однородной проводящей среде значение объемной плотности заряда  при квазистационарной () электропроводности близко к нулю, поэтому процесс электрической поляризации металла в таких условиях будет протекать в локально электронейтральной среде, когда . Физически поле E(lj) обусловлено законом сохранения импульса в системе “электронный газ – ионный остов” кристаллической решетки проводника, где при наличии тока “центры масс” положительных и отрицательных зарядов в атомах смещаются относительно друг друга, создавая тем самым деформационную поляризацию среды. При этом индуцируемое в проводнике электрическое поле уравновешивает поле сторонних сил и в указанных условиях результирующая сила, действующая на дрейфующие со скоростью  электроны проводимости, равна нулю, что и определяет линейную зависимость  j ~ E. Аналогией этому может служить, например, установившееся движение твердой частицы при падении ее в вязкой жидкости в поле силы тяжести.

Целесообразно отметить, что вывод об отсутствии в однородном проводнике с током объемного электрического заряда следует из предположения справедливости при электропроводности закона Ома, когда  j ~ E. При этом игнорируется воздействие собственного магнитного поля тока  на движущиеся носители заряда посредством магнитной компоненты силы Лоренца , величина которой в такой ситуации является квадратичной функцией тока. Здесь  - вектор магнитной индукции, зависящий от соответствующей напряженности, m - относительная магнитная проницаемость среды, m0  - магнитная постоянная. Это обстоятельство должно приводить к нарушению локальной электронейтральности среды () за счет ухода вглубь проводника части электронов проводимости, где их кулоновское отталкивание компенсируется действием магнитного поля тока. Данный вопрос подробно рассмотрен в работах [9, 10],  поэтому ограничимся только этим замечанием.

Однако именно таким нарушением электронейтральности можно объяснить наблюдаемую в условиях, близких к изотермическим, квадратичную нелинейность вольтамперной характеристики медного проводника на постоянном токе [6], аппроксимируемую строгой аналитической зависимостью , в которой квадратичное по току слагаемое заметно проявляет себя при плотности тока   j ~ 108 А/м2  и более. Поэтому при обычной плотности тока  j << 108 А/м2 эта нелинейность не может существенным образом повлиять на результаты наших рассуждений, что подтверждают также и выводы проведенного выше анализа уравнения энергетического баланса процесса электропроводности (5).

Сопоставляя соотношение (6) с законом Ома , получаем формулу указанного выше динамического смещения “центров масс” разноименных зарядов

                              ,                             (7)

вызывающего деформационную электрическую поляризацию металлического проводника с током. Интересно, что последнее соотношение (7) аналогично по виду формуле для среднего значения “длины свободного пробега” электронов проводимости в металле: , где vT   - их средняя тепловая скорость. Таким образом, процесс электрической проводимости порождает в металле электронейтральные микрообласти (), образно говоря, “полярные молекулы”, с дипольным моментом , ориентированным коллинеарно направлению тока.

Фундаментальность величины динамического смещения , по сути свой “длина релаксации” заряда в проводнике, состоит в том, что на участках  проводника такой длины падение электрического напряжения (разность электрических потенциалов)

                                                     (8)

равно отношению объемных плотности  электрической  энергии (3) к плотности носителей заряда в металле. Данный результат нетривиален, поскольку он в явном виде раскрывает физическую сущность разности электрических потенциалов в проводнике, представляющей собой последовательно ориентированную совокупность “элементарных ячеек” удельной электрической энергии (8), созданных током в локально электронейтральной среде.  

Численные оценки параметров “полярных  молекул”, отвечающих соотношениям (7, 8), дают по порядку величины их максимальный, ограниченный токами разупрочнения реального металла ( 109 А/м2 ) размер вдоль направления  дипольного момента  10–7 м, и, соответственно, значения момента  ~ 10–26 Кл×м  и напряжения 10–6 В.

Согласно выражениям (6-8), физически естественно ожидать, что даже при реализации тем или иным способом условий, близких к изотермическим при пропускании тока, электрическое поле в металле должно сопровождаться упорядоченной механической деформацией (удлинением вдоль тока) проводника, связанной с полем линейной зависимостью. Справедливость такого вывода подтверждена экспериментом [6], где феномен E(lj) условно назван электроупругим эффектом.

Заключение. 

Из результатов проведенных рассуждений непосредственно следует, что поле электрической поляризации металла порождается упорядоченным механически напряженным состоянием кристаллической решетки проводника, возникающим в процессе электрической проводимости. При этом описываемые законами электропроводности  и поляризации  электрические векторы напряженности  и смещения  сущностно различны, соответствуют и находятся в том же отношении друг с другом, как и растягивающие усилия и смещения частиц среды, а объединяющее их соотношение  по сути дела есть прямой аналог закона Гука в теории упругости. Следовательно, объемные плотности электрической и упругой энергий в проводящей среде, обусловленные нетепловым действием электрического тока, принципиально равны по величине, а физические механизмы их реализации тождественны.

Подводя итог, с необходимостью приходим к выводу, что нетепловое действие электрического тока фундаментально проявляет себя именно в законе Ома электропроводности металлов, где  реализуется неразрывным единством двух физических явлений: гальваномеханической деформацией металла lj  и вызванной этим явлением его электрической поляризацией, величина напряженности поля E(lj)  которой прямо пропорциональна удлинению проводника в таких условиях. При этом энергетически процесс электропроводности сопровождается не только выделением тепловой энергии по закону Джоуля-Ленца wT(j), но и созданием дополнительной потенциальной энергии we(j) за счет работы сторонних сил, запасенной в кристаллической решетке металла при изменении ее конфигурации, которая, в соответствии с соотношением (8), определяет физическую природу падения электрического напряжения в проводнике с током. Более подробно углубление в рамках классической электродинамики физических представлений о процессе стационарной электрической проводимости в металле и их современное полевое развитие рассматривается в работе [11].

1. Wertheim G.  Untersuchungen über die Elasticität // Ann. Phys. und Chem. - 1848. - Bd. 11/11. - S. 1-114; cм. также в кн. Белл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Часть I. Малые деформации- М.: Наука, 1984. - 559 с.

2. Спицын В.И.,  Троицкий О.А.  Электропластическая  деформация  металлов.   - М.: Наука, 1985. - 160 с.

3. Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов. В 2-х томах. ”Институт компьютерных исследований”, 2004.

4. Климов К.М., Новиков И.И. Особенности пластической деформации металлов в электромагнитном поле // ДАН СССР. - 1980. - Т. 253, № 3. - С. 603-606.

5. Сидоренков В.В. О механизме текстурирования металлов под действием электрического тока // ДАН СССР. - 1989. Т. 308, № 4. - С. 870-873.

6. Корнев Ю.В., Сидоренков В.В., Тимченко С.Л. О  физической  природе закона электропроводности металлов  //  Доклады РАН.  - 2001. - Т. 380, № 4. - С. 472-475.

7. Марахтанов М.К., Марахтанов А.М. Волновая форма электронного переноса теплоты в металле // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. - 2001. - №  4. - С. 84-94.

8.    Зоммерфельд А.  Электродинамика. - М.: ИЛ, 1958. - 501 с.

9. Мартинсон М.Л., Недоспасов А.В.  О плотности заряда внутри проводника с током // Успехи физ. наук. - 1993. - Т. 163, № 1. - С. 91-92.

10. Сидоренков В.В.  Об электромагнитной квадратичной нелинейности проводящей магнитоупорядоченной среды // Радиотехника и электроника. - 2003. - Т. 48, № 6. - С. 746-749.

11. Сидоренков В.В. Развитие физических представлений о процессе электрической проводимости в металле // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. - 2005. - № 2. - С. 35-46.