Электрический взрыв проводника. НИР_Зинчук_Е.Д._Электрический взрыв проводника_гр.Д-238п_отчет. электрический взрыв проводника
 Скачать 1.82 Mb.
|
4.2 Быстрый режим ЭВПВ быстром ЭВП магнитное давление ниже термодинамического, и развитие МГД неустойчивостей замедленно. Реализуется такой режим, если время ввода энергии τ короче гидродинамического τMHD = rw/cs. Иначе говоря, волна разгрузки, идущая с поверхности, не должна проникнуть к оси проволочки. Тогда сердцевина проволочки перегреется выше температуры кипения, и объем возникшей метастабильной жидкости вскипит. Представления о подобном механизме берут начало с работ, где развитие инициирующих взрыв процессов отнесено к окрестности спинодали (граница метастабильной области). Как следствие, вещество резко расширится, и нарушится физический механизм электрической проводимости. В противном случае, при τ > τMHD, металл будет плавно испаряться, без взрыва, но с ростом импеданса. Таким образом, поведения вещества в быстром режиме ЭВП связано с физическими законами в области экстремальных состояний. При этом возможны несколько путей превращения жидкого металла в пар. Так, если давление все время выше значения на жидкостной ветви бинодали, непрерывное понижение плотности металла идет без разделения на фазы. Реально такой однородный переход осуществим при наличии окружающей проволочку плотной среды. В противном случае, вещество разделяется на фазы различной плотности в процессе поверхностного испарения и объемного вскипания. В статье исследовался ЭВП на той стадии плавления, когда время процесса плавления было много ниже характерного времени релаксации температуры. Процесс плавления начинался на внешней поверхности проводника, после чего основное тепло выделялось внутри и нагревало выше точки плавления твердую центральную часть проволочки. После отключения тока процесс плавления не прекращался, а шел за счет притока тепла к внешним слоям9 из перегретых внутренних областей. В зоне расплава были обнаружены вкрапления металла, не претерпевшие фазового превращения. Таким образом, при быстром нагреве проводник может оказаться одновременно в нескольких агрегатных состояниях, причем центральная его часть может быть перегрета значительно выше температуры плавления. Для таких важных целей, как измерение термодинамических параметров экстремального состояния вещества, важно обеспечить однородность нагреваемого проводника вплоть до резкого роста сопротивления. Этому отвечают условия быстрого ЭВП; они позволяют так подобрать величину плотности тока j = I /πrw 2 и радиус проводника rw, когда нагрев металла может обогнать рост неоднородностей. Основные причины их развития связаны с быстрым тепловым расширением, скин-эффектом и действием пондеромоторных сил, созданных протекающим по проводнику током. Неоднородное радиальное распределение давления возникает, если время нагрева τ < τHD − времени распространение упругого возмущения в глубь проволочки. Фиксируя значения параметров состояния исследуемого металла, степень их неоднородности по сечению проволочки можно характеризовать величиной rw j 2 ; чем она ниже, тем меньше неоднородность. Поэтому радиальные неоднородности проявляются тем сильнее, чем больше исходный радиус проводника и плотность тока. Роль скин-эффекта можно оценить, сравнив толщину δ = c(τ /4πσ) 1/2 области протекания тока с радиусом проводника rw . Время τ определяет длительность нагрева. Поскольку при фиксированных параметрах состояния металла τ ∼ j-2 , условие rw << δ равносильно требованию малости величины rw j, что качественно родственно предыдущему. Амперовапондеромоторная сила, созданная протекающим по проводнику током, вызывают появление в нем радиально неоднородного давления. В квазистационарном режиме с однородным распределением тока по сечению круглой проволочки давление квадратично нарастает от нуля на поверхности до максимума πrw 2 j 2 /c 2 на оси. Здесь вновь возникает требование малости величины rw j. Среди явлений, сопровождающих быстрый ЭВП, важен шунтирующий разряд, вспыхивающий вдоль поверхности проводника. Его появлению помогает повышение электрического напряжение вдоль проволочки и температуры. В опытах с тугоплавкими металлами в вакууме шунтирующий разряд вспыхивает в продуктах испарения еще до начала плавления, если же взрыв идет в окружающей среде, то это происходит области жидкого состояния, тем дальше от ее начала, чем выше внешнее давление. 4.3 Cверхбыстрый скиновый режим ЭВПВ быстром режиме ЭВП проводник не успевает заметно изменить свою форму в процессе перехода из жидкого состояния в пар, и темп энерговыделения в металле ограничен скоростью диффузии магнитного поля. Если время I / İ нарастания тока в проводнике существенно ниже времени скинирования τs = 4πσrw 2 /c 2 , то ЭВП развивается неоднородно по объему: ток и энерговыделение локализуются во внешних слоях металла. Это позволяет интенсифицировать процесс испарения, заменив поверхностный механизм объемным путем взрывного вскипания перегретой жидкости в тонком слое абляции. В ходе последовательного взрыва токонесущих слоев вблизи границы металла образуется практически непроводящий пар, выталкивающий ток перед собой. Возникает распространяющаяся в глубь проводника волна диффузии поля, вслед за которой движется фронт потери металлической проводимости; глубинные области остаются холодными. Постепенный при слабых токах этот процесс при сильных токах развивается в режиме обострения: интенсивная абляция на границе металла и пара выталкивает ток в металл, проводимость которого улучшается по мере снижения температуры. Скорость формирующейся волны тока превышает скорость диффузии поля при постоянной проводимости, что и дало основание назвать такой режим сверхбыстрым.[6] |