Деформационная поляризация металлов под действием электрического тока.

В контексте рассматриваемого вопроса главной целью является выяснение природы электрической энергии , запасаемой в проводнике с током. Прежде всего, отметим, казалось бы, парадоксальную ситуацию, когда из закона Ома электропроводности металлов  (где  - вектор плотности тока, а  - вектор электрической напряженности) следует странный на первый взгляд вывод о том, что данный закон подчиняется архаичному принципу Аристотелевой механики, согласно которому v ~ F. Очевидно, что в рамках общепринятой механики Ньютона парадокс отсутствует лишь при условии равенства нулю суммарной силы действия на электроны проводимости, то есть существует некая ответная сила, компенсирующая действие поля сторонних сил источника электрического тока. Таким образом, необходимо выяснить, прежде всего, механизм возникновения поля этой некой силы в металлическом проводнике.

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].

Список литературы

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.