Электрический взрыв проводника. НИР_Зинчук_Е.Д._Электрический взрыв проводника_гр.Д-238п_отчет. электрический взрыв проводника

• Название: электрический взрыв проводника
• Анкор: Электрический взрыв проводника
• Дата: 31.10.2021
• Размер: 1.82 Mb.
• Имя файла: НИР_Зинчук_Е.Д._Электрический взрыв проводника_гр.Д-238п_отчет.docx
• Тип: Документы; #259898
• страница: 4 из 9

4 Классификация режимов электрического взрыва проводника

Необходимые масштабы времен определим следующим образом:

• τMHD = rw/(cA 2 + cs 2 ) 1/2 − МГД оценка времени развития перетяжки по радиусу проволочки и скорости магнитного звука (для больших и малых отношений магнитного и термодинамического давлений она переходит в известные пределы rw/cA и rw/cs времен магнитного сжатия и проникновения фронта разрежения к оси проволочки);

• τΛ = ρcs 2 σ/j 2 − верхняя оценка времени, необходимого для омического введения энергии сублимации Λs ≈ mics 2 на каждый атом металла.

В качестве скорости звука здесь фигурирует ее «холодное» значение cs = (2ZaεF/3mi) 1/2, где Za − валентность металла, εF − энергия Ферми свободных электронов. Величина cA есть альвеновская скорость, посчитанная по значению магнитного поля на поверхности металла: cA = (2I/crw)/(4πρ) 1/2. Далее опустим несущественные численные множители, а масштаб τMHD далее будем брать как max(rw/cA , rw/cs).

Действия на проводник сил магнитного поля тока и давления вещества противоположны по направлению. Переход от преобладания первых к доминированию вторых связан с одновременным выполнением соотношений cA = cs и τMHD = τΛ . Отсюда найдем граничные значения плотности тока и радиуса:

j∗ = ρ1/2 cs 2 σ/c , r∗ = c 2 /csσ . (∗)

Они позволяют выделить следующие области параметров разрядов через проволочки:

1) cA > cs и rw/cA < τΛ − доминирование магнитных сил сжатия при токах j < j∗ в толстых проволочках с rw > r∗;

2) cA < cs и rw/cs > τΛ − обратная ситуация с преобладанием термодинамического давления в тонких проволочках;

3) cA < cs и rw/cs < τΛ ограничивают сверху значения параметров j rw < ρ1/2 cs c и j 2 rw < ρ1/2 cs 2 σ/c;

4) cA > cs и rw/cA > τΛ − то же, но ограничение теперь снизу.

Режимы ЭВП, возникающие в двух первых случаях, различны по природе. В первом случае сжатие жидкого металла обгоняет ввод в него тепла, ведя к кумуляции вводимой в проводник энергии. Это − медленный ЭВП. Во втором случае область расширения металла локализована вблизи поверхности, а центр способен перегреться выше кипения, и в его объеме может начаться бурный рост зародышей пара. Это − быстрый ЭВП. Из-за скорого расширения, или, наоборот, медленного сжатия, взрыв невозможен в третьем и четвертом случаях.

Проанализируем выражения (∗). Записав второе из них как r∗ 2 σ/c 2 = r∗/cs, получим утверждение о равенстве масштаба τMHD и времени τs = rw 2 σ/c 2 диффузионного проникновения магнитного поля в объем проволочки. Поэтому величина rw/r∗ характеризует отношение этих времен, и в соотношение двух принятых нами масштабов времени нужно ввести третий. В быстром ЭВП можно различать два типа реализации условия rw/cs > τs, когда τs < τΛ < rw/cs либо τΛ < τs < rw/cs. В первом из них поле и ток быстро проникают в объем металла, и далее ЭВП развивается по описанному выше сценарию. Во втором же такое проникновение не успевает завершиться к моменту взрыва, тепло выделяется лишь внутри скин-слоя, и возникают условия, необходимые для скинового режима. Но еще нужно иметь плотность тока, достаточно большую для возникновения скинового режима. В условиях медленного ЭВП rw/cA < τs, где также имеет две возможности реализации rw/cA < τs < τΛ и rw/cA < τΛ < τs, плотность тока недостаточна для скинового режима.

4.1 Медленный режим

ЭВП В медленном режиме ЭВП магнитное давление превышает термодинамическое, и развитие МГД неустойчивости, возникающее по завершении плавления, опережает ввод энергии. Резкие рост омического сопротивления и расширение здесь вызваны ГД процессом дробления проводника на разлетающиеся макроскопические капли жидкого металла. Причины данного явления связаны с действием капиллярных сил на неровной поверхности. С развитием сильных изгибов поверхности близкие участки приобретают разные скорости, и в нелинейной стадии происходит распад жидкого проводника на капли. Важно, что затравочные неоднородности типа расширения-сжатия сечения проволочки появляются при вводе энергии еще до завершения плавления.

Ход такого процесса сильно зависит от диаметра проводника dw, и при большой толщине полное разрушение не происходит. Например, проволочка с dw = 77 мкм распадается на капельки, а при dw = 100 мкм − только оплавляется. Такое различие объясняется тем, что с ростом диаметра увеличивается время деформации поверхности проволочки, и для больших dw капиллярные силы перестают преобладать над магнитными. Заметим, что вопрос о природе сил, разрушающих проводник, не столь уж прост. Так, что от ЭВП следует отличать разрушение проволочек, вызванное развитием МГД неустойчивостей винтового типа (моды m ≥ 1), а также ГД неустойчивостей, связанных с силами поверхностного натяжения в расплавленных проволочках. Хотя осциллограммы тока и напряжения здесь подобны ЭВП, все же отсутствует характерная вспышка света, а при наличии внешней среды − также и ударной волны. Только наличие моды m = 0 МГД неустойчивости (перетяжки) порождает полный набор эффектов медленного ЭВП. Но реально одними лишь МГД эффектами нельзя объяснить природу столь сложного процесса. Возникшие путем дробления капли жидкого металла разбрызгиваются, в промежутках между ними возникают электрические дуги, и капли испаряются за счет поступления выделенной в дугах энергии. Другой эффект появления перетяжек заключается в дальнейшей неоднородности ввода энергии в объем проводника, усиливающегося в сужениях и, наоборот, ослабляющегося в расширениях. Это интенсифицирует испарение в сужениях и обусловливает рост здесь омического сопротивления. В высокоимпедансных слоях образованного пара сильные электрические поля могут порождать дуговые разряды, инициируя процесс образования страт. В настоящее время высказаны несколько точек зрения относительно причин разрушения проводника. Помимо всегда присутствующих исходных неоднородностей таковыми принято считать сила поверхностного натяжения, неоднородности, возникающие в самом процессе сжатия металла , развитие МГД неустойчивости.

Авторы статьи подробно исследовали ход медленного ЭВП на различных стадиях разрушения проводника, отключая воздействие на металл электрического и магнитного полей протекающего по нему тока. Это достигалось резким прерыванием тока на различных стадиях взрыва. Критерием служило отношение K = ∆Ql /∆Q0 изменения заряда емкостного накопителя в случае отключения тока к той же величине без выключения. В проведенных экспериментах K менялось от 0.77 до 1. При этом были выделены три диапазона значений K, в каждом из которых процесс разрушения проволочек (диаметр dw = 500 мкм) обладал характерными особенностями:

1)При K = 0.77÷0.83 вдоль проволочки формируются перетяжки, что вызвано следующими причинами:

• непродолжительное воздействие магнитных сил;

• развитие больших осевых сил давления в нагреваемой проволочке;

• неравномерное распределение механических напряжений из-за осевой неоднородности нагрева. Последнюю из них авторы считают превалирующей в потере устойчивости: наиболее деформированы те части проволочки, где позже происходят объемное вскипание и переход металла сначала в пенообразное, а потом − в капельно-паровое состояние. Надо сказать, что деформация взрываемой проволочки наблюдалась лишь тогда, когда введенная в нее энергия была ниже необходимой для интенсивного испарения. Тем не менее, хотя и локально, в этих условиях все же наблюдалось объемное вскипание. Объяснить это можно неравномерностью по объему выделения энергии: оно локализуется вблизи мелких пор и дефектов в металле, где и происходит сначала более раннее плавление, а затем − и интенсивное испарение.

2) При более позднем отключении тока на стадиях взрыва с K = 0.83÷0.89 число таких перегретых точек возрастает, а их распределение по длине проволочки становится более равномерным. Поэтому зарождение в объеме и расширение пузырьков пара, превращение металла в пену, а затем − в аэрозоль, происходят вполне равномерно по длине проволоки. Дальнейшее интенсивное расширение вещества опережает развитие изгибов поверхности.

3) Наконец, при K > 0.89 из-за перегорания части жидкометаллических пленок, отделяющих области пара в пене друг от друга, могут возникать поперечные структуры (страты). Тем самым, объемное вскипание играет важную роль в разрушении проводника в ходе ЭВП. Качественная картина испарения, изложенная выше, полностью согласуется с экспериментом, описанным в статье. В ней исследовались нагрев и испарение медных и латунных проволочек с диаметрами dw = 1 и 0.78 мм. Максимальная скорость ввода энергии составляла 0.25⋅10-3 кДж/г⋅нс. По мере нагревания количество поперечных паровых слоев возрастало, и образец дробился на поперечные слои конденсированного вещества. Эксперимент показал, что при достижении материалом температуры кипения скорость испарения была относительно мала (к моменту максимума напряжения испаряется около 15% вещества). Образование парового слоя начиналось в сечении с наибольшей температурой. В этом месте из-за роста сопротивления скорости повышения температуры и испарения увеличивались, а это вело к резкому притоку энергии от магнитного поля и, как следствие, вызывало быстрое уменьшение сечения. Далее в этом сечении развивалась сильноточная электрическая дуга. Большое давление пара в таком слое вызывала расширение сечения и уплотнение в соседних с ним областях. Протекая по всей длине проволочки, этот процесс порождал почти периодическую слоистую структуру продуктов взрыва.

Медленно ввести энергию в металл можно и без развития МГД неустойчивостей. Так, в работе исследовался взрыв W проволочек диаметра dw = 2rw ∼10 мкм при скорости ввода энергии 10 Дж/г⋅нс. Авторы использовали оценку τMHD = rw/cA времени развития перетяжки (МГД моды m = 0; высшие, винтовые, моды m ≥ 1 медленнее), взяв максимальное значение инкремента. Здесь cA = Bs(4πρ) -1/2 − альвеновская скорость, Bs = 2I /crw − магнитное поле на поверхности проволочки, ρ − плотность. Если за время τ в проводник удается ввести энергию, близкую к энергии сублимации, то неустойчивость развиться не успеет. Это подтвердили фотоснимки, показавшие практически однородное свечение проволочки.