Уравнение энергетического баланса процесса электропроводности в металлах.

Закон Ома электропроводности металлов как фундаментальное 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 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 . Поскольку в рамках классической электродинамики физический механизм возникновения магнитного поля тока объяснятся лишь формальным релятивизмом (истинный магнетизма – это спиновый магнетизм), то далее этот вопрос не обсуждается.

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.