3.1.2. Выбор подводимого типа энергии
Заполним таблицу 2.5. в соответствии с свойствами фторопласта-4 и меди.
вид энергии Характеристика материал Фторопласт-4 медь Механическая Кинетическая Внешние и внутренние силы Внешние силы энергия энергия трения трения Потенциальной Неприменимо Неприменимо энергией Электромагнитная Магнитное поле неприменимо неприменимо энергия Электрическое поле " " fi ТЕ де Ir, Т-Т2=~\ o - dE
*i 4лС? дТ закон Джоуля- Ленца Электромагнитное Только электрическая Электромагнитная поле составляющая поля:
" _ ТЕ дє
Z-T=-\ o-dE
1 2 *і 4лСЕ дТ индукция Внутренняя энергия Термоконтактный нагрев Термоконтактный нагрев
Проанализируем полученный результат, учитывая, что температура плавления меди trm=:1084,50C, а температура разложения фторопласта равна 415°С. Исходя из этой разницы нам необходимо применить метод, который обеспечивает как минимум в 2,5 раз больший подвод тепловой энергии к частицам меди. Исходя из этого, подвод тепловой энергии такими видами энергий как внутренняя и механическая считаем неприменимыми, т.к.
при подводе энергии с помощью термоконтактного нагрева мы не можем выборочно подводить энергию к различным частям системы прессованных порошков, а при использовании для нагрева механической энергии во фторопласте-4 будет выделяться даже больше энергии, т.к. помимо нагрева от внешнего трения он будет также нагреваться и от внутреннего.Электромагнитная индукция. Рассмотреть этот вариант, основываясь исключительно на теоретических сведениях чрезвычайно сложно, т.к. мы имеем дело не с одним или несколькими контурами, внесенными в электромагнитное поле. Мы имеем дело с разветвленной трехмерной структурой из медного порошка (см. приложение 4,2.). Поэтому можно только сказать, что этот метод воздействия должен рассматриваться дополнительно.
Электрическое поле. Применение исключительно электрического поля приводит к нагреванию, как меди, так и фторопласта-4, но этот процесс для них идет различными способами.
Кроме этого, имеется 2 способа воздействия на прессованную смесь порошков электрическим полем. Рассмотрим их.1 способ воздействия электрическим полем. Возьмем воздушный конденсатор с двумя обкладками и поместим между ними нашу прессованную смесь порошков фторопласта-4 и меди. Будем считать, что в этот момент заряда, и следовательно электрического поля между обкладками конденсатора, на
обкладках конденсатора нет. Включим конденсатор в цепь батареи постоянной электродвижущей силы. На обкладках конденсатора начнет накапливаться заряд и соответственно между обкладками появится постепенно возрастающее электрическое поле. Под действием этого поля фторопласт-4, как диэлектрик, начнет поляризоваться и вследствие электрокалорического эффекта начнет нагреваться. Также под действием этого поля произойдет перераспределение электронов в медных частицах и они также будут нагреваться вследствие закона Джоуля-Ленца. Рассмотрим этот момент на примере простейшего случая - возьмем 1 частицу меди и 1 частицу фторопласта одинаковых размеров и поместим их между обкладками воздушного конденсатора таким образом, чтобы они не соприкасались для исключения передачи тепловой энергии от одной частицы к другой. Будем считать, что поле этого заряженного конденсатора однородное. Вычислим теперь, какое значение должно принять напряженность электрического поля для расплавления медной частицы при условии квазистатического и адиабатического проведения процесса. Также вычислим температуру фторопласта-4. будем считать, что поле возрастает равномерно от нулевого значения до некоторого конечного значения Е.
Т.к. поле возрастает равномерно, то и движение зарядов в медной частице происходит в каждый момент одно и тоже - имеем постоянный ток.
Примем, что частицы имеют квадратную форму со стороной а.
Масса нити рассчитается как:
Сопротивление медного проводника рассчитывается по формуле -
KZ
где p - плотность меди, ,0=8930 -=-; а - длина стороны медной частицы, м.
м
Подставляя значение р получим
Количество теплоты, необходимое для расплавления нити, рассчитается в соответствии с формулой:
КЛЗІС
где: Я - удельная теплота плавления меди, Я = 213--; m - масса нити,
кг
подлежащей расплавлению.
Подставляя значение массы, выраженное формулой (3.2), и значение константы Я в формулу (3.3) получим выражение для количества теплоты, которое необходимо сообщить медной частице для ее расплавления:
Количество теплоты, выделяемое электрическим током в проводнике, рассчитывается согласно закона Джоуля - Ленца:
где I - сила тока; U - падение напряжения на проводнике; t - время протекания тока.
Т.к. согласно закона Ома V - IR, то подставляя это значение в (3.5) получим:
Таким образом, приравнивая правые части уравнений (3.6) и (3.4) получим:
Физический смысл этой формулы заключается в следующем: для расплавления медной частицы необходимо обеспечить протекание тока силой
в течение времени t За время t током силой
будет перенесен заряд q = It.
Сосредоточение этогоКак известно, равномерно заряженная бесконечная плоскость создает электростатическое поле, модуль которой равен в вакууме (или в воздухе с большой степенью приближенности):
Подставляя в (3.12) значение плотности заряда полученное в (3.11) получим:
Рассматривая напряженность электрического поля вблизи торцов нашей медной частицы, будем считать, что электрическое поле описывается формулой (3.12).
Полученное необходимое значение напряженности электрического поля является чрезвычайно высокой величиной. Чтобы составить представление о таком поле, заметим, что для получения электрической искры между двумя металлическими шариками диаметром 2,3 см каждый, находящихся на расстоянии 1 см друг от друга, в сухом воздухе требуется разность потенциалов
-30000 В/см, т.е. напряженность поля Е^ЗОООО В/см. Если принять за допустимое значение напряженности тока Е=1000 В/м, то подставив это значение в (3.13) получим:
выражая время заряда t получим:
Осуществить заряд конденсатора за такое время невозможно, т.к. даже свет за это время преодолеет лишь 8.3 o 10 -25 м.
Но заставить двигаться электрические заряды в медной частице можно также изменяя периодически напряженность электрического поля конденсатора. Проработаем этот вариант. Примем Е - как напряженность поля между обкладками конденсатора. Это поле будет индуцировать на торцах медной частицы заряды с поверхностной плотностью о. Выражая а из (3.12) и приравнивая к (3.10) получим:
Головина периода колебания; v - частота колебаний; Т - период
Заменяя сопротивление R выражением (3.1) и выражая Woens получим:
Принимая, например, Е=1000 В и v=l МГц (весьма большие значения)
ПОЛУЧИМ tHarpeBa=8,9 o 1019 С ЧТО ЯВЛЯЄТСЯ НЄПрИеМЛеМЬІМ.
2 способ воздействия электрическим полем. Этот способ заключается во включении прессованной смеси порошков фторопласта-4 и меди в электрическую цепь, подключенную к источнику электродвижущей силы. Т.к. в прессованной смеси порошков образуются нити, состоящие из частиц меди, то они будут проводить ток.
Соответственно в них будет выделятся тепловая энергия в соответствии с законом Джоуля-Ленца.Рассчитаем энергию необходимую для расплавления проводника длинной L (длина нити) и диаметром поперечного сечения D (диаметр частиц, из которых состоит нить).
Масса нити рассчитается как:
где р - плотность меди, р -893G -г ; L - длина проводника, м; D - диаметр
м
проводника, диаметр приравняем к диаметру частиц образующих нить. Подставляя значение р получим
Количество теплоты, необходимое для расплавления нити, рассчитается в соответствии с формулой:
кЛэю
где: Л - удельная теплота плавления меди, Л = 213-=-; m - масса нити,
кг
подлежащей расплавлению.
Подставляя значение массы, выраженное формулой (3.16), и значение константы Л в формулу (3.17) получим выражение для количества теплоты, которое необходимо сообщить 1 нити для ее расплавления:
Количество теплоты, выделяемое электрическим током в проводнике, рассчитывается согласно закона Джоуля - Ленца (формула (3.6)). По сути, необходимое количество теплоты является энергией W которая необратима преобразуется за время t в объеме проводника из электрической формы в тепловую.