The nonthermal interactions between electrons and metal crystalline lattice

• Autorzy: Pike-Biegunski M. J.

Warianty tytułu

PL

Nietermiczne skutki oddziaływania elektronów przewodnictwa metali z siecią krystaliczną

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper proposes new theoretical explanation, and the experimental evidence, about the longitudinal forces in wires conducting electrical currents with high densities. Traditionally, from the times of Ampere, such forces were always thought to be electrodynamics in nature. The still existing opinion prevailed, that these longitudinal forces help to understand the nature of current/wire interactions: from wire stretching to explosion. Some researchers proposed what they called "Newtonian Electrodynamics", a peculiar new form of electromagnetism with rules differing from those of classical, Maxwellian electrodynamics. Such forces would be, accordingly to this concept, created under the high current density conditions. We abandoned this concept since it is not needed to explain the nature of the longitudinal forces in wires. We also developed a new concept, based not in electromagnetism, but in quantum mechanics instead. Accordingly to this new concept, there are two components, which pertain to the transport of energy from electrons to metal crystalline lattice: their kinetic energy and momentum. From a general perspective, kinetic energy is known to be transformed into a Joule's heat. On the other hand, the electrons' momentum allows for creating forces acting on the lattice. These two components must exist always, but they become visible under high current densities in conjunction. This in turn creates a new picture about the common laws of the electrical current. Such a novel approach is based on quantum mechanics, but also shows, that the electrical current phenomena must be always treated with the understanding of the atomic metal structure, known under the "crystalline - metallic" name. Once Joule and Ohm's old concept of the "uniform electrically conducting body" is applied, there remains no place for quantum mechanics. Without quantum mechanics, physics of electricity becomes the unreal science of the past, and the understanding of the electrical current phenomena in metals becomes artificial. The new findings presented here create a modified concept in the science of electricity, which requires a reexamination of some old rules, such as the laws of Ohm and Joule.

PL

W niniejszej pracy poddano weryfikacji prawa Ohma i Joulea. W oparciu o zebrany materiał fenomenologiczny, bazując na zasadach zachowania pędu i energii elektronów w przewodniku metalicznym wykazano ograniczoność owych praw w ich istniejącej postaci. Wnioski oparto o rozważania kwantowo-mechaniczne, podbudowane wynikami doświadczeń. W szczególności wykazano, iż przekaz pędu elektronów do sieci krystalicznej metalu prowadzi do powstawania siły podłużnej w przewodniku, wiodącej do wystąpienia deformacji sprężystych lub niesprężystych jako funkcji gęstości prądu elektrycznego. Takie deformacje pochłaniając znaczną energię źródła prądu wiodą do powstawania pracy sił elektrotensometrycznych. Omawiane efekty są małe bądź zgoła niezauważalne w typowych utylitarnych zastosowaniach metali w elektrotechnice czy elektronice, kiedy to gęstość prądu nie przekracza wartości 5 x 103Acm-2. W przypadkach jednak prądów o dużej gęstości generowana jest fala dźwiękowa podłużna, przewodnik ulega rozciąganiu, zerwaniu jedno-punktowemu lub segmentacji, wreszcie może on nawet eksplodować. Prawa Joulea i Ohma w ogóle nie uwzględniają tych zjawisk, mimo iż Ampere i de la Rive już w roku 1822 opublikowali wyniki eksperymentów, w których demonstrowano istnienie oddziaływań podłużnych prądu z przewodnikiem. Takie nowe rozumienie oddziaływania prądu z metalem nie tylko w formie wydzielanego ciepła, ale także generowanych sił podłużnych modyfikuje fundamentalne zasady, na których opiera się fizyka prądu elektrycznego. Badania efektów wielkoprądowych będą zdaniem autora miały ogromny wpływ na dalszy rozwój nauki o prądzie elektrycznym oraz na postać elektrotechniki i elektroniki w 21 wieku.

Słowa kluczowe

EN

law of Ohm; law of Joule; verification of rules

PL

prawo Ohma; prawo Joulea; weryfikacja praw

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Elektryka / Politechnika Łódzka
• Rocznik: 2001
• Tom: z. 95
• Strony: 17--40
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz.

Twórcy

autor

Pike-Biegunski M. J.

• AT Research and Development

Bibliografia

• [1] Blondei C.: Ampere et la creation de l’electrodynamique - Bibliotheque Nationale Paris, 1982.
• [2] Grenau P.: First indication of Ampere tension in solid electric conductors, Phys. Lett. A, V. 97, 1983, p. 253-255.
• [3] Hering C.: Electrodynamics forces in electric furnaces Trans. Amer. Electrochemical Soc. V. 39, 1921, p. 313-330.
• [4] Hering C.: Electromagnetic Forces; a Search for More Rational Fundamentals; a Proposed Revision of the Laws, Trans, of the A.I.E.E. V 42, 1923, p. 311-340.
• [5] Grenau P.: Neal Grenau Newtonian electrodynamics, World Scientific, London, published 1996/97.
• [6] Nasiłowski J.: Phenomena Connected with the Disintegration of Conductors Overloaded by Short-Circuit Current (Polish language) Przegląd Elektrotechniczny (Review of Electrotechnics) 1961, p. 397-403.
• [7] Nasiłowski J.: Unduloids and striated Disintegration of Wires, Exploding Wires, W.G. Chase, H.K. Moore Eds., Vol. 3, Plenum, NY - NY 1964.
• [8] Nasiłowski J.: Investigation of Spacing of Disintegration of Fuse Wires (Polish language with Summary in English) - Doctors Dissertation at the Polish National Institute of Electrotechnics in Warsaw, Poland 3.12.1965 p. 113-143.
• [9] Nasiłowski J.: A Contribution to the Theory of Skin - Effect, Electromagnetic Fields in Electrical Engineering Plenum Press NY-NY, London 1988 p. 31-36.
• [10] Jakubiuk K.: Mechanism of the Strated Exploding Wires (Polish language) Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej - Elektryka LXXV, Gdansk, 1994, no. 514, p. 1-75 (source: Scientific Reports of the Gdansk Politechnical University - Elektryka 1994).
• [11] Johansson L.: Longitudinal electrodynamics forces - and their possible technological applications, Department of Electromagnetic Theory, Lund Institute of Technology Lund, Sweden P.O. Box 118, S-222100 Lund, p. 1-55.
• [12] Pike-Biegunski M.J.: US Patent 5,609,683, Mar. 11,1997 “Apparatus for Making Industrial Diamond”.
• [13] Pike-Biegunski M.J.: US Patent 5,437,243, Aug. 1, 1995 “Process for Fabricating Diamond by Supercritical Electrical Current”.
• [14] Pike-Biegunski M.J.: “Electromagnetic Radiation from the Termination Points of Metallic Connector” 41 st. Holm Conference on Electrical Contacts IEEE, Montreal - Canada, Radisson Gouverneurs Hotel, Montreal, Oct. 2-4 1995, Proceedings p. 165-174.
• [15] Pike-Biegunski M.J.: “Damage to Electrical Connections by the Electrotensometric Forces” 29th Annual Symposium of the International Institute of Connectors and Interconnection Technology (HOT) Boston, MA, September 16-18 1996, Boston Plaza Hotel. Proceedings p. 369-396.
• [16] Pike-Biegunski M.J.: “Wire Disintegration by Explosion” (Polish language) Przegląd Elektrotechniczny 1, 1999 p. 11-15 (Review of Electrotechnics).
• [17] Kittel Ch.: “Introduction to Solid State Physics” John Willey and Sons, NY-NY 1956 Chapter 10, p. 238-274.