Техника - молодёжи 1991-09, страница 37

вом металла. Для этого конденсатор емкостью около 100 мкФ зарядим до напряжения 10 кВ, а затем разрядим его через металлический проводник диаметром 0,5 мм и длиной 10 см. Результат поразительный: проводник взрывается, оглушая мощным звуком и ослепляя яркой вспышкой света. Если же эксперимент проводится в наполненном водой сосуде, то возникающая ударная волна деформирует или разрушает его стенки (электрогидравлический эффект Ютки-на). Чем не Тунгусский «метеорит» в миниатюре? Не разгадаем ли мы его тайну, исследуя механизм такого взрыва?

Надо заметить, что познать характер поведения «взрывающихся проволочек» удалось лишь после многочисленных проб с применением различных методов анализа быстропро-текающих процессов (рис.2). Оказалось, для «нормального» взрыва необходим ряд условий: энергия заряженного конденсатора должна быть не меньше теплоты испарения проводника; тот должен нагреваться одиночным импульсом тока (апериодический режим разряда); время нагрева до начального момента взрыва должно быть менее 10 мкс; скорость нагрева — более 10⁹ град./с; плотность нагревающего тока —более 10⁴ А/мм² . В таком режиме проводник сначала раскаляется в твердом состоянии; затем плавится; сохраняя свою форму, нагревается до точки кипения металла; без существенного изменения объема перегревается на несколько тысяч градусов выше этой точки; наконец, взрывается, интенсивно расширяясь, порождая в окружающей среде ударную волну. Самое удивительное в этой цепочке процессов — перегрев металла выше точки кипения и его последующий взрыв. Например, температура перегрева жидкого железа в начальный момент взрыва достигала 5400° С, тогда как закипает оно уже при 2880° С.

Почему металл столь сильно перегревается? Что происходит с ним после начального момента взрыва? Ответы на эти вопросы дает теория.

Более века назад нидерландский физик Я.Д. Ван-дер-Ваальс вывел уравнение состояния вещества, из которого следовало — точка кипения не является предельной для жидкости. Она при низком давлении может существовать и при более высоких температурах (в таком состоянии ее называют перегретой или метастабиль-ной). Известно, что вода кипит при 100° С, однако в некоторых опытах (при атмосферном давлении) ее удавалось перегреть и до 300° С. Словом,

Рис. 1. Форма зоны лесоповала в районе Тунгусской катастрофы. Показан круг, площадь которого равна площади зоны; его центр — точка пересечения линий повала отдельных деревьев. Стрелка — проекция скорости пролета космического тела на земную поверхность (по В.А. Золотову).

IB

еч

ai

¹¹ 1б

5 мкс

О

я >

Рис.2. Осциллограммы тока и напряж-ния, полученные в процессе электрического взрыва медного проводника; а и б — начало и конец его плавления, в —начальная точка взрыва.

если посмотреть на диаграмму давление — температура, то, помимо линии зависимости точки кипения жидкости от давления, можно увидеть еще другую линию — спинодаль, определяющую границу перегрева метастабильной жидкости (рис.3). Перегрев выше точки спинодали невозможен, так как при подходе к ней жидкость взрывообразно закипает. Чем же отличается это кипение от обычного?

Со школы мы знаем, что кипение воды в чайнике — это процесс образования и роста пузырьков пара на готовых центрах (воздушные пузырьки, неровности стенок чайника). Поскольку число центров, а значит, и число пузырьков мало, само кипение протекает спокойно. А при отсутствии таких центров вообще вода не закипела бы не только при 100, но и при 200° С. Дело в том, что возникновение пузырьков пара в «бездефектной» жидкости при ее небольшом перегреве запрещено законами термодинамики. На пути роста пузырька стоит фазовый барьер — работа образования «жизнеспособного» зародыша пара (рис.4). Барьер может быть

преодолен при случайном локальном разрежении жидкости, за счет теплового движения ее молекул (флуктуации плотности) При небольшом перегреве энергии флуктуаций не хватает для этого, и пузырьки пара не возникают. Однако при увеличении перегрева величина барьера снижается и в окрестности спинодали сравнивается с энергией флуктуаций. В такой области температур и давлений (рис.3) пузырьки могут возникать в любой точке объема жидкости, и частота их спонтанного (самопроизвольного) образования составляет миллиарды зародышей за секунду в кубическом сантиметре. То и есть фазовый взрыв — взрывное кипение перегретой метастабильной жидкой фазы. Он идет за счет тепла, которое было введено в жидкость при ее перегреве от точки кипения до околоспинодальной точки взрывного кипения. В процессе взрыва 40 — 50% жидкости превращается в пар, а остальная ее часть распыляется на мелкие капельки.

Все это — теоретические выводы. Однако как же такой взрыв осуществить в реальных условиях? Ответ и дают эксперименты со «взрывающимися проволочками». Если скорость нагрева жидкости достаточно большая, то процесс обычного кипения «не сделает погоды» и основная ее масса успеет перегреться до температуры взрывного кипения. Минимальная скорость нагрева, необходимая для получения фазового взрыва, зависит от свойств жидкости: чем ниже ее текучесть, тем ниже эта скорость. Потому фазовый взрыв вязких каменных расплавов можно осуществить при гораздо меньшей, чем для жидких металлов, скорости нагрева.

Для реализации фазового взрыва вещества вовсе не обязательно прибегать к электричеству; важен не способ, а скорость нагрева. Например, большие скорости в миллиарды градусов в секунду достигаются при облучении импульсами лазерного излучения. При плотности его потока более 20 МВт/см² экспериментально наблюдалось фазовзрывное разрушение поверхностного слоя металлов. Огромные скорости разогрева вешества развиваются и в зоне очагов ядерных взрывов.Поэтому можно ожидать, что взрыву атомной бомбы аккомпанирует фазовый взрыв окружающей среды. Ведь не зря же американские ученые из Лос-Аламо-са, где была создана первая атомная бомба, помимо ядерных взрывов, исследуют электрический взрыв проводников. Но вернемся к «тунгусско

35