Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ СВЯЗИ ИЗ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ
СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ СВЯЗИ ИЗ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ

СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ СВЯЗИ ИЗ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к области производства энергии, в частности тепловой, которая выделяется из электропроводящего материала как энергия, эквивалентная энергии связи атомов в проводнике, при термоэлектронном взрыве последнего. Техническим результатом изобретения является получение энергии ε (в виде кинетической энергии продуктов взрыва) в результате термоэлектронного взрыва холодного твердого металла. В результате использования предлагаемого изобретения получают энергию ε, выделяемую из электропроводящих материалов, которая во много раз больше, чем электрическая энергия w, затраченная на ее получение. При пропускании электрического тока через совокупность кристаллов, образующих электрический проводник, плотность электрического тока в проводнике увеличивают постепенно от меньшего значения к максимальному значению. Проводник принудительно охлаждают, а момент наступления термоэлектронного взрыва в проводнике регистрируют по возникновению термоэлектронной волны в проводнике. Для осуществления способа выделения энергии связи из электропроводящих материалов в устройстве, содержащем электропроводящий материал, источник электропитания, проводник выполнен в виде тонкой пленки, имеет развитую поверхность, которая принудительно охлаждается. 2 табл., 6 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2145147
Класс(ы) патента: H02N3/00, H02N11/00
Номер заявки: 99107553/06
Дата подачи заявки: 20.04.1999
Дата публикации: 27.01.2000
Заявитель(и): Марахтанов Михаил Константинович; Марахтанов Алексей Михайлович
Автор(ы): Марахтанов М.К.; Марахтанов А.М.
Патентообладатель(и): Марахтанов Михаил Константинович; Марахтанов Алексей Михайлович
Описание изобретения: Изобретение относится к области производства энергии, в частности тепловой, которая выделяется из электропроводящего материала как энергия, эквивалентная энергии связи атомов в проводнике, при электрическом взрыве последнего.
Изобретение предназначено для получения энергии из твердого проводника, в частности проводника тонкопленочного, который в силу своей геометрии может быть помещен в потребитель энергии с весьма малыми размерами, в котором иные виды источников энергии невозможно разместить, поскольку они имеют размеры большие, чем у предлагаемого источника.
Изобретение может быть использовано в микроэлектронике, машиностроении, измерительной аппаратуре, а также в приборах для получения тепловой энергии с возможным ее последующим преобразованием.
Известны способы получения тепловой энергии, а также энергии радиационного и рентгеновского излучения при электрическом взрыве проводников, включающие электрический проводник, источник электропитания и устройства, регистрирующие результаты электрического взрыва проводника ("Электрический взрыв проводников", пер. с англ.под ред. А.А.Рухадзе и И.С.Шпигеля. М.: Мир, 1965, 360 с., "Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках", В.А.Бурцев, Н.В.Калинин, А.В.Лучинский. М.: Энергоатомиздат, 1990, 289 с.).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ электрического взрыва проводника, включающий получение рентгеновского излучения с определенным уровнем энергии, и установление связи этого уровня с электрическими характеристиками взрывающегося проводника ("Электрический взрыв проводников", пер. с англ.под ред. А.А.Рухадзе и И.С. Шпигеля. М.: Мир, 1965, стр. 108). Устройство содержит батарею конденсаторов (в переводе опечатка, конденсаторы названы аккумуляторами, стр. 108), алюминиевую проволочку длиной 1,5 см и диаметром 0,075 мм, которая помещалась в закрытую камеру и взрывалась, а также оборудование для регистрации рентгеновского излучения. Взрывался также малый алюминиевый цилиндр диаметром 1 мм и толщиной стенок 0,0152 мм, длиной около 1,5 см.
Наблюдалась энергия рентгеновских квантов порядка 5 кэВ, в то время как приложенное при взрыве напряжение изменялось от 265 до 325 кВ (т.е. это не "генератор" энергии рентгеновского излучения, а скорее потребитель электрической энергии, поскольку (265-325) кэВ >> 5 КЭВ). Проволочка питалась от вторичного контура с конденсатором емкостью C = 0,0041 μF и напряжением V= 300-400 кВ, которое подавалось непосредственно на проволочку. Ток разряда до 5·104 А, время взрыва ~2-8·10-8 с (см."Электрический взрыв проводников", пер. с англ. под ред. А.А.Рухадзе и И.С.Шпигеля. М.: Мир, стр.108-118).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству для осуществления способа электрического взрыва металлических пленок, является устройство, включающее конденсатор емкостью C=1,4 μF, напряжение разряда конденсатора на пленку 2000-3500 В, время взрыва пленки или время от начала до конца разрушения металла пленки 106 с при V=500 B, ~(7-8)-10-6 с при V=1000 V и более 14·10-6 c при V=2000 В. ("Электрический взрыв проводников", пер. с англ.под ред. А.А.Рухадзе и И.С.Шпигеля. М.: Мир, 1965, стр.281-298).
Алюминиевая пленка толщиной 2-20 нм, шириной 25 мм, длиной 50,8±1,6 мм, нанесенная на стекло. Аппаратура, регистрирующая продолжительность взрыва и электрические параметры цепи: пленка-конденсатор. Источник питания имеет высокое напряжение (обычно 2000-3500 В) и электрическую емкость, которая не позволяет плавно регулировать напряжение на взрывающемся проводнике от нуля до десятков вольт. Энергия, запасенная в конденсаторе, превосходит в несколько раз энергию связи атомов в металле или энергию, необходимую для перевода всей массы взрывающегося металла из твердого состояния в пар. Напряжение подается к проводнику заведомо высокое, что обеспечивает мгновенный бросок тока в проводнике, причем начальная сила тока заведомо превосходит ту, которая могла бы нагреть проводник до температуры плавления, а затем расплавить и испарить металл проводника.
Наиболее существенными недостатками известных способа и устройства выделения энергии связи из электропроводящих материалов является невозможность плавно повышать (от нуля) силу тока и электрическую мощность, вкладываемую в проводник, поэтому нельзя "аккуратно", подходя по мощности "снизу", точно измерять и дозировать ту минимальную мощность или энергию, которая необходима для электрического взрыва проводника. Проводник взрывается, пройдя последовательно через стадии нагрева, плавления, кипения и мгновенного испарения его металла. Энергия, необходимая для протекания этих стадий потребляется проводником от конденсатора как от источника электропитания.
Задачей предлагаемого изобретения является получение энергии ε (в виде кинетической энергии продуктов взрыва) в результате термоэлектронного взрыва холодного твердого металла. Величина энергии взрыва (максимальная) равна энергии связи атомов (ионов) в твердом кристаллическом проводнике. Она высвобождается полностью в результате нарушения баланса между кинетической энергией электронов проводимости и потенциальной энергией ионов (атомов), образующих узлы кристаллической решетки (см. Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела. М.: "Наука", 1978, стр. 112). Для нарушения баланса необходимо затратить электрическую энергию w.
В результате использования предлагаемого изобретения получают энергию ε, выделяемую из электропроводящих материалов, которая во много раз больше, чем электрическая энергия w, затраченная на ее получение. Полезный выход энергии ограничен и равен отношению β = ε/w = 66...2133, которое зависит от структуры кристалла, а также от физических свойств исходного материала (см. таблицу 2). При отношении β≫1 повышается выход энергии взрыва, предлагаемого в качестве источника энергии, по отношению к затратам энергии для инициирования этого взрыва. В известных способах генерации рентгеновского или ультрафиолетового излучения с помощью электрического взрыва доля выделенной энергии, например (εрентген), гораздо меньше вложенной электрической энергии w, т.е. β≪1.
Физической предпосылкой для достижения предлагаемого результата служит тот факт, что любой кристаллический проводник является, как правило, искусственным образованием и не встречается в природе в естественном виде. Требуется затратить энергию для производства, например, металлического проводника, т. е. для восстановления металла из природной руды или для создания устойчивой, энергетически сбалансированной системы, состоящей из разноименных электрических зарядов, которые образуют упорядоченную кристаллическую решетку.
Вид энергетической связи, с помощью которой разноименно заряженные электроны и ионы сохраняют форму кристаллической решетки, называется металлической связью. Энергия этой связи выделяется естественным путем в результате медленного окисления металла при его возвращении в естественное состояние руды, которое сопровождается постоянным разрушением металлических кристаллов. Так же греется урановая руда в результате медленного естественного распада ее радиоактивных веществ. Но хорошо известен способ мгновенного выделения ядерной энергии при взрыве обогащенных радиоактивных веществ в ядерной бомбе. (При промышленной переработке радиоактивной руды в обогащенный уран, способный к мгновенному взрыву, затрачивается во много раз больше энергии, чем ее требуется для восстановления того же количества кристаллических проводников из металлической руды).
До настоящего времени не известен способ искусственного разрушения кристаллической решетки, в результате которого энергия металлической связи могла бы выделяться мгновенно, подобно энергии ядерного взрыва. Наоборот, известные способы плавления и кипения металла являются продолжительными и требуют притока энергии извне для разрушения кристаллической решетки металла.
При обычном плавлении или кипении металла ионы (атомы) и электроны, составляющие его кристаллическую решетку, нагреваются одновременно до одинаковой равновесной температуры. При этом энергетический баланс между двумя группами этих разноименных зарядов, см. выше, изменяется слабо. Поэтому жидкий металл сохраняет свою кристаллическую структуру почти вплоть до температуры его кипения (В.А.Ватолин, Э.А.Пастухов. Дифракционные исследования строения высокотемпературных расплавов. М.: "Наука", 1980, 190 с.)
Кристаллический проводник есть система, в которой естественным образом поддерживается энергетический баланс между двумя группами разнородных заряженных частиц. Эти частицы резко отличаются друг от друга знаком заряда (положительные ионы и отрицательные электроны), массой частицы (mион >> mэлектр.), подвижностью зарядов в твердом теле (электропроводность металла определяется исключительно электронной подвижностью). Большая разница свойств зарядов ослабляет их энергетический баланс и позволяет предположить, что металлическую связь частиц можно нарушить, бездействуя избирательно на заряды одной из групп с помощью минимальной внешней электрической энергии. Тогда появится возможность изменять энергию одной группы частиц относительно энергии частиц из другой группы. В этом случае баланс энергий нарушается при различных температурах двух групп (неравновесные температуры ионов и электронов), и кристалл может разрушиться при низкой температуре ионов (атомов). Произойдет термоэлектронный взрыв холодного металла. Способы искусственного нарушения энергетического баланса в кристалле могут быть различными, но все они имеют "электрическую" основу. Например, можно увеличить кинетическую энергию свободных электронов, заставив их двигаться в металле направленным потоком с большой плотностью. Можно привнести в кристалл избыточный электрический заряд, внедрив в него посторонние ионы, и т.д.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом изобретении через проводник пропускают электрический ток, постепенно повышая его плотность или силу тока, причем проводник специально охлаждают, чтобы температура или кинетическая энергия его ионов оставалась неизменной и чтобы его кристаллическая структура не разрушилась до момента взрыва. Когда плотность тока достигает критической величины jе, тогда скорость дрейфа электронов в металле или скорость их направленного "токового" потока увеличивается примерно в 1000 раз по сравнению с обычным проводником. Соответственно кинетическая энергия этого направленного потока возрастает как квадрат дрейфовой скорости, т.е. в 106 раз. В результате подобного увеличения кинетической энергии электронов нарушается энергетический баланс разноименно заряженных частиц в решетке кристалла. Электроны перестают удерживать ионы (атомы) в узлах решетки, и металлический кристалл мгновенно разрушается или взрывается. Кристалл распадается на отдельные ионы (атомы), которые разлетаются под действием расталкивающих кулоновских сил. Если перед взрывом металл не успел нагреться, расплавиться, перегреться до температуры кипения, закипеть и начать испаряться, то суммарная энергия, необходимая для всех этих процессов, будет сообщена в виде кинетической энергии каждому атому, разлетающемуся в результате взрыва. Эта суммарная энергия называется энергией связи и составляет для меди 3,5 эВ/атом, для вольфрама 8,66 эВ/атом (см. таблицу 2). Когда кристаллы внутри проводника разрушаются, тогда вся потенциальная энергия связи атомов в кристаллической решетке переходит в кинетическую энергию разлетающихся атомов - бывших узлов решетки. Кинетическую энергию продуктов взрыва (энергию разлетающихся атомов, обладающих скоростью намного больше той, что они имели бы при испарении с поверхности кипящего металла) собирают и используют по назначению, например переводят в тепло.
О величине энергии связи в кристалле можно судить, сравнивая ее с другими видами энергии. Так, энергия сгорания каменного угля составляет около ε3,3·107 Дж/кг, энергия взрыва нитроглицерина ε≈ 0,6·107 Дж/кг, энергия взрыва тротила ε ≈ 0,4·107 Дж/кг (см. БСЭ, том 19, стр.520-522, М.: 1953 и БСЭ, том 7, стр. 636-640, М.: 1951). Энергия взрыва, полученная в предлагаемом способе, кристаллической меди ε ≈ 0,5·107 Дж/кг, т.е. занимает промежуточное положение между нитроглицерином и тротилом. Время взрыва нитроглицерина или тротила составляет τ = 10-3 - 10-2 сек, тогда как время электрического взрыва металла равно τ = 10-6 - 10-5 сек (см. "Электрический взрыв проводника", пер. с англ. под ред. А.А.Рухадзе и И.С.Шпигеля. М.: Мир, 1965, стр.281-289). Поэтому мощность взрыва, равная N = ε/τ у кристаллического металла в 100 - 1000 раз выше, чем у нитроглицерина или тротила, см. пояснения на фиг. 6.
Плотность тока в проводнике увеличивают постепенно от меньшего значения к максимальному значению, вплоть до момента наступления электрического взрыва проводника, причем максимальную плотность тока в проводнике определяют по формуле:
jmax= e/mp·ρ/A ≈ 108ρ/A, (1)
где: jmax - максимальная плотность тока в проводнике, А/м2;
е = 1,6·10-19 кул - заряд электрона; mр = 1,67·10-27 - масса протона; ρ - плотность металла проводника, кг/м3; A - атомная масса металла проводника, а.е.м.
Приближение момента электрического взрыва холодного проводника, т.е. момента выделения энергии связи из металлических кристаллов, регистрируют по времени возникновения термоэлектронной волны в проводнике, длину которой определяют по формуле:

где: j - плотность тока в проводнике, вызывающая эффект термоэлектронной волны и близкая к максимальной, jw ≅ jmax, А/м2; ΔT = Tmax-Tmin, см. фиг.2 (B) - разность температур между гребнем и впадиной термоэлектронной волны, К; она принята примерно равной температуре T холодного взрывающегося металла; σ электропроводность металла проводника, Ом-1·м-1; λ - - теплопроводность металла проводника, Вт/(м·К). Все три величины (T,σ и λ) связаны законом Видемана-Франца.
Проходя через физическое состояние термоэлектронной волны, металлический проводник, несущий эту волну, или диэлектрический материал, в котором волновые колебания температуры индуцируются с помощью, например, теплового контакта с металлическим проводником - источником волны, оказываются под действием "Закона термодеформационной индукции в твердом теле" и изменяют свои объем и форму как во времени, так и в пространстве в соответствии с их положением относительно участков термоэлектронной волны.
Одна из форм проявления этого закона хорошо известна. Если твердый стержень, выполненный, например, из металла, периодически деформировать, перегибая его поочередно то в одну, то в другую сторону, то периодическая деформация стержня вызовет изменение его температуры или нагрев в месте деформации. Стержень нагревается "порциями" тепла, которые он получает во время каждого периода деформации, поскольку, как показывает опыт, его температура увеличивается быстрее, если в единицу времени он получает больше порций тепла, т.е. если мы чаще перегибаем стержень.
Другая форма проявления этого закона не была известна раньше. В соответствии с понятием "индукция" эта форма должна быть "симметричной" по отношению к первой. Действительно, когда в твердом теле (в металле или в соединенном с ним диэлектрике) устанавливается термоэлектронная волна, т.е. температура твердого тела начинает периодически изменяться (продолжительность периода около одной и менее одной секунды) на коротком расстоянии длины волны χ ≅ 10 мм, см. формулу (2), то твердое тело начинает деформироваться и изменять свои объем и форму так, как говорилось выше.
Естественная взаимная связь двух указанных форм, а именно: периодическая деформация твердого тела вызывает его нагрев, а периодический нагрев твердого тела приводит к его деформации, - являются сущностью "Закона термодеформационной индукции в твердом теле", выявленного и сформулированного нами.
Проводник и его "диэлектрическое окружение" имеют три фазы состояния при пропускании электрического тока через совокупность металлических кристаллов и при увеличении плотности тока в проводнике от меньшего значения к максимальному значению, а также при охлаждении проводника до температуры, значение которой намного меньше температуры плавления металла проводника, как то:
1. Тепловая волна в проводнике как предвестник взрыва.
2. Деформация и твердого проводника, и прикрепленного к нему (или связанного с ним) диэлектрика как следствие воздействия тепловой волны.
3. Электрический взрыв и выделение энергии ε.
Электрическая энергия w, необходимая для электрического взрыва холодного металла, измерена у шести элементов Ni, Ti, Sn, W, Al, Cu и для всех этих металлов отношение энергий β = ε/ω ≫ 1, причем для вольфрама оно максимально и равняется 2133.
Для осуществления способа выделения энергии связи из металлических кристаллов предложено устройство, содержащее источник электропитания, металлический проводник, выполненный в виде тонкой пленки, где ее развитая поверхность охлаждается, например теплопроводностью, при протекании тока через проводник, причем устройство снабжено регулятором силы тока источника, а тонкая металлическая пленка имеет участок с ограниченным поперечным сечением, причем и пленка и ее ограниченный участок находятся на подложке, выполненной, например, из стекла; тепловой контакт пленки с подложкой близок к идеальному, так что температуру пленки можно принять равной температуре подложки.
Поскольку толщина пленки мала 30 нм 3·10-8 м, то тепло не задерживается в ее металле, и пленка подогревается равномерно на всю толщину, а тепло уходит с ее поверхности в окружающий воздух и в стеклянную подложку. Пленка или проводник из кристаллического металла остается холодной (<180>oC), твердой и кристаллической вплоть до наступления момента искусственного термоэлектронного взрыва в ней при плотности тока jс = 1010 А/м2, в то время как в обычном медном проводнике j 4·106 А/м2. Плотность тока при взрыве примерно в 103 раз больше, чем в обычном медном проводнике. Она-то и взрывает металл проводника, пребывающий в холодном состоянии, причем электрическая мощность, которую необходимо затратить для инициирования этого взрыва, намного меньше, чем мощность, необходимая для нагрева, плавления, перегрева в жидком состоянии, кипения и испарения той же массы металла. В то же время все предыдущие авторы считают, что плавление и испарение кипящего металла являются необходимыми фазами электрического взрыва проводника.
Перед термоэлектронным взрывом в холодном металле (t<180>oC) происходят явления прежде неизвестные. Они возникают при достижении плотностью тока j определенной величины. Когда плотность тока увеличивают до значения jw, см. формулу (2), в проводнике возникает термоэлектронная волна. Если это происходит в проводнике, покрытом слоем диэлектрика, например лака, то в последнем возникает объемная деформация согласно предлагаемому "закону термодеформационной индукции". При этом и диэлектрик и проводник остаются холодными (20oC < t < 180oC). Возникновение данных явлений указывает на приближение момента термоэлектронного взрыва холодного металла, который наступает при плотности тока в проводнике jmax, определяемой по формуле (1).
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1-6.
На фиг. 1 представлена общая схема осуществления способа с помощью термоэлектронного взрыва тонкой металлической пленки в узком сечении 2 на открытом воздухе, при подаче тока на утолщенные контакты 5 и измерении напряжения между точками 1-3, когда ток предварительно распределяется в широком сечении пленки 4, а стеклянная подложка 6 искусственно охлаждается окружающим воздухом.
На фиг. 2 показаны результаты действия "закона термодеформационной индукции" в твердом металлическом проводнике - молибденовой проволоке диаметром 0,5 мм, в которой средняя плотность тока равна jw = (6,1-7,6)·107 А/м2 (I = 12-15 А). Эта величина намного меньше максимальной плотности тока jmax, при которой холодный металл взрывается, см. таблицу 2 и формулу (1). На фиг.2 показано: (A) - начало деформации твердого металла, которая индуцирована термоэлектронной волной; (B) и (C) - последующие стадии деформации твердого металла; Tmax и Tmin - соответственно максимальная и минимальная температуры в термоэлектронной волне, χ - - длина волны; (E) - заключительная стадия волны, расплавленные перемычки 1 между твердыми бусинками 2 не разрываются от силы тяжести благодаря действию сил поверхностного натяжения жидкого молибдена; (D) - деформированные шарики-бусинки, форму которых принимает твердая молибденовая проволока в результате воздействия термоэлектронной волны, внизу масштабная линейка, одно деление - 1 мм.
На фиг.3 показаны результаты действия "закона термодеформационной индукции" в твердом диэлектрике - слое диэлектрического лака толщиной 65±10 мкм, который был нанесен на металлическую пленку (см.схему фиг. 1); по металлической пленке протекал ток плотностью jw.
Здесь представлены фотографии деформации лака:
(A) - на вольфрамовой пленке, начальная стадия деформации;
(B) - на вольфрамовой пленке после холодного электрического взрыва одного из ее участков;
(C) - на титановой пленке, конечная стадия деформации.
На фиг. 4 показана форма 4 деформационной волны холодного твердого диэлектрика (лаковый слой) 1, нанесенного на тонкую металлическую пленку 2 при пропускании электрического тока через последнюю. Участок 5 "толстого" лакового слоя, δ ≈ 300 мкм, не деформируется, в то время как "тонкий" слой 6, δ ≈ 65-90 мкм, деформируется, когда по пленке 2 течет один и тот же ток с плотностью jw.
На фиг. 5 показаны микрофотографии поверхности металлической пленки, часть которой (черные участки 1,2 и 3) была разрушена в результате термоэлектронного взрыва: (A) - алюминиевая пленка; (B) - вольфрамовая пленка.
На фиг.6 показана фотография (А) результата взрыва тонкой металлической вольфрамовой пленки 2, имеющей толщину δ 0,045 μm. Видно, что волна деформации распространяется от взрыва пленки в стеклянную подложу 4 на глубину y ≈ 910 мкм и разрывает стекло. Длина взрывной волны 3 (волны деформации) в стекле χ ≈ 120 μm. Волна "дробится" по мере углубления в стекло.
Предлагаемый способ выделения энергии связи из металлических кристаллов осуществляется следующим образом.
Электрический ток пропускают через тонкую металлическую пленку, узкий участок 2 на фиг.1 (на открытом воздухе). Силу тока увеличивают постепенно от нуля до критической величины Icrit, при которой происходит взрыв пленки (см. таблицу 1). Толщина пленки составляет δ = 9-45 Нм для испытанных металлов Al, Cu, Ni, Ti, Sn и W соответственно. Ток можно пропускать и по проволоке, например молибденовой, диаметром 0,5 мм, сила тока I = 12-15 А (фиг. 2).
Эффект взрыва холодного металла на фиг. 1. Во время повышения тока I или плотности тока j = I/a·δ (a - ширина пленки, δ - ее толщина) пленка интенсивно охлаждается, путем отвода тепла в стеклянную подложку 6 и в окружающий воздух. Благодаря малой толщине δ, "сердцевина" пленки не успевает нагреться до температуры плавления, как это бывает при обычном электрическом взрыве пленок и проволок. В тот момент, когда плотность тока в проводнике достигает величины, равной
jкрит≅ e/mp·ρ/A ≈ 1010A/м2, (3)
разрываются (нарушаются) силы - связи атомов (ионов) в узлах его кристаллических решеток и холодный металл взрывается, см. таблицу 2. При этом выделяется тепловая энергия, равная энергии связи, удерживающей прежде атомы в кристаллической решетке. В формуле (3) обозначения те же, что и в формуле (1).
Эта волна деформирует металл с определенным периодом регулярности, который совпадает с длиной волны χ. Результат деформации - регулярные утолщения молибденовой проволоки (фиг.2), а также регулярные разрывы 1 тонкой алюминиевой пленки, фиг. 5 (A).
Температура пленки при деформации T ≅ 180oC, температура молибденовой проволоки ≈ 1600K << Tплавлен., поэтому можно утверждать, что металл деформируется в твердом кристаллическом состоянии.
Если металлическую пленку покрыть тонким (65 мкм) слоем лака, поз. 1 на фиг. 4, то при токе jw (взрывающем термоэлектронную волну в металле пленки) возникает волна деформации холодного твердого лака, фиг.3 и позиц.4 на фиг. 4. Длина этой волны практически совпадает с длиной χ волны в металле. Поскольку исследованный лак является диэлектриком, то его деформация не может быть вызвана электрическим током, который протекает по металлической пленке. Вместе с тем лак имеет отличный тепловой контакт с металлической пленкой, и температура лака колеблется точно так же, как и температура пленки. Поэтому единственной причиной деформации лака (в холодном твердом состоянии) являются периодические колебания температуры металла пленки, которые передаются внутрь объема лака-диэлектрика практически без изменения.
Период τ колебаний температуры металлической пленки соответствует периоду τ установления волнообразной формы 4 поверхности лака, фиг.4. В начальный момент поверхность 4 параллельна поверхностям металлической пленки 2 и стеклянной подложки 3. Когда плотность тока в пленке 2 достигнет величины jw и когда температура металлической пленки 2, а равно и температура лакового слоя 1, начнет колебаться со скоростью ΔT/τ, тогда плоская поверхность 4 лака придет в движение. За многократно повторяющиеся периоды τ, продолжительность которых составляет доли секунды, объем лакового слоя 1 деформируется на длине χ пока его плоская поверхность не примет волнообразную форму 4.
Таким образом, волновое изменение температуры или внутренней энергии твердого тела индуцирует волну деформации этого тела, независимо от того, является оно проводником или диэлектриком,
ΔT/τ _→ ΔV/χ.
Это обнаруженный нами "закон термодеформационной индукции в твердом теле".
Действительно, сравним фотографии на фиг.2 (A), (B) и 3 (C), где явно виден результат одного и того же действия: колебания температуры в твердом теле со скоростью не меньше ΔT/τ, где а τ период, время которого меньше 1,25 сек, перераспределяют часть объема ΔV этого тела на расстоянии длины волны χ. Перераспределение объема твердого металлического проводника происходит в виде бусинок, фиг.4 (E), (D), а твердого диэлектрика - в виде волн, фиг. 3, 4. Термоэлектронная волна всегда предшествует электрическому взрыву холодного проводника.
На фиг.6 показаны результаты такого взрыва. Взрыв металлической пленки, толщина которой δ 0,045 мкм, разрывает стекло 4, возбуждая в нем взрывную волну 3. Эта волна разрушает стекло, внедряясь в него на глубину y = 910 мкм. Отношение δ/y = 0,045/910 = 1/20000. Аналогичный показатель для обычных взрывчатых веществ составляет 1/30-1/100, если δ поперечный размер взрывчатки, а y - радиус воронки.
Продолжительность электрического взрыва металлических пленок, аналогичных нашим, была измерена в работе "Электрический взрыв проводника", пер. с англ. под ред. А. А. Рухадзе и И.С.Шпигеля, М.: Мир, 1965. Она составляет 10-6 сек. Эта величина была использована нами для определения критической величины εкр электрической энергии, которую необходимо затратить на то, чтобы инициировать взрыв металла.
Критическая энергия εкр определялась следующим образом. Измеряли напряженность Eкр. и плотность тока jкр. в пленке, предшествующие взрыву или почти в момент взрыва. Определяли критическую плотность мощности и затем по уравнению
β ≈ ε/εкр≈ 108·(ρ/A)·[ε/(Aкр·Δτ)] (5)
определялся коэффициент преобразования энергии (см.таблицу 2). Здесь 108 e/mp = 1,6·10-19/1,67-10-27 кул/кг, ρ - плотность металлической пленки кг/м3, ε - энергия связи атомов в кристаллической решетке соответствующего металла, эВ/атом; A - атомная масса металла, а.е.м.; Aкр - критическая плотность электрической мощности, введенной нами в металл, инициирует взрыв, Вт/м3; Δτ - продолжительность взрыва, сек, см. выше. Время Δτ взято нами умышленно завышенным в 10 раз по сравнению с тем, что было измерено в известных источниках. Мы брали 10-5 сек, там 10-6 сек. Поэтому величина β у нас (таблица 2) получена заниженной по сравнению с опытом.
Коэффициент β показывает во сколько раз больше выделяется энергии ε при взрыве металла по сравнению с той электрической энергией εкр, которая была затрачена на инициирование этого взрыва. Энергия дается в расчете на один атом, связанный в кристалле, и составляет ε = 3,34-8,66 эВ/атом, см. таблицу 2. Электрическая энергия εкр, затраченная на инициирование этого взрыва, равна
εкр= (A·Aкр·τ)/(108·ρ) (6)
и составляет εкр= 0,051-0,004 эВ/атом для алюминия - вольфрама соответственно, см. таблицу 2.
Поскольку весь взорванный объем металла, а он составляет лишь часть пленки, превращается в пар или в отдельные атомы непосредственно из холодного твердого состояния, то это означает, что вся энергия ε связи атомов в кристалле, переходит целиком в кинетическую энергию каждого отдельного атома, входящего в состав паров - продуктов взрыва.
Электрическую энергию, инициирующую взрыв, мы измеряли достаточно точно. Но даже будь у нас велики погрешности измерения, они не смогли бы превзойти величину значения β (см. таблицу 2). Т.е., действительно, на инициирование взрыва металлических кристаллов затрачивается в 66-2133 раз меньше энергии, чем ее выделяется при взрыве. Для Al β равен 66, для Cu - 401, для W - 2133.
Таким образом использование предлагаемого изобретения позволит разрушать твердые кристаллические электропроводящие материалы, минуя их жидкое расплавленное состояние. В результате подобного разрушения выделяется энергия внутрикристаллической связи атомов и выделяется в таком количестве, которое в сотни и тысячи раз превосходит энергию, потребляемую на инициирование этого разрушения.
Формула изобретения: Способ выделения энергии связи из электропроводящих материалов путем разрушения последних, включающий пропускание электрического тока через совокупность кристаллов, образующих электрический проводник с ограниченным поперечным сечением, отличающийся тем, что пропускание электрического тока ведут с плавным увеличением его плотности от нуля до максимального значения, характеризующего термоэлектронное разрушение внутрикристаллических связей в проводнике, при этом последний постоянно охлаждают до температуры ниже температуры кипения его материала, а максимальное значение плотности тока предварительно определяют по зависимости
jmax = 108ρ/A,
где jmax - максимальное значение плотности тока в проводнике, А/м2;
ρ - плотность материала проводника, кг/м3;
A - атомная масса материала проводника, а.е.м.,
причем выделение энергии связи регистрируют по возникновению термоэлектронной волны в проводнике, длину которой предварительно определяют по зависимости
χ = 6,4·103·λ/jmax,
где χ - длина термоэлектронной волны, м;
λ - теплопроводность материала проводника, Вт/м · гр. К.