物理

麸皮效果揭示了它的秘密

一百多年前,爱德华·布兰利(ÉdouardBranly)发现,电火花在一定距离上作用于一簇金属颗粒的电导率。这种现象是第一个无线电力通信的基础,刚刚找到了令人信服的解释。

埃里克·猎鹰(Eric 鹘 )和伯纳德·卡斯塔(Bernard 流放 ) 用于科学N 340
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巴黎天主教学院,1890年。爱德华·布兰利(ÉdouardBranly)在该机构担任物理科学系主任,研究各种物质的电导率。一天,他将金属粉末(如铁屑)放在玻璃管中,然后测量其电阻。由于存在于晶粒表面上的氧化物(一种绝缘体),该值非常高(见图1)。但是,Branly观察到,通过在灯管几米处产生电火花,粉末的电阻下降了几个数量级!电阻的突然降低并不是最终的:在管子上的简单机械冲击足以恢复初始绝缘状态。

金属粉末的电导率变化是由火花发出的电磁波引起的,电磁波到达了锉屑管。这种现象在当时是检测此类波的唯一方法,并且在 ix e 世纪之初,意大利人Gugliemo Marconi在第一次无线通讯中将Branly管用作电波接收器。

法国物理学家被发现将近115年之后,人们对这种突然下降的电阻的Branly效应的起源仍然知之甚少。多年来,已经提出了许多解释,但是没有提供真实的证明:覆盖晶粒的氧化层的撕裂,通过与晶粒间的氧化物-晶粒接触而产生的电流的传导与量子物理学,晶粒之间的静电或分子性质吸引,由于焦耳效应加热而引起的微接触的局部焊接等。

布兰利效应是颗粒介质的电学特性之一,尽管这种介质仍然具有令人惊奇的行为,但自1990年代初以来,物理学家一直对此充满热情,对此现象的兴趣不仅是根本的。例如,布朗尼效应可能与固体燃料在雷电影响下远距离着火的风险有关。 1985年发生了一场大火,当时停在西德仓​​库中的美国“潘兴2”型导弹的燃料在附近的雷电作用下被意外点燃。但是,某些固体火箭或导弹燃料部分由铝颗粒组成,并覆盖有氧化铝绝缘层,事故引发了业界对该研究的重新兴趣。颗粒介质中的电传导,特别是布朗尼效应。

在我们位于里昂的高等师范学校的实验室中,我们最近迈出了了解这一现象的关键步骤。但是在了解我们的实验如何阐明布朗利效应的起源之前,让我们回顾一下这种现象的发现历史以及相关的研究。

从发现到遗忘

人们对布兰利的发现有很多期待。 1835年,瑞典人P.芒克·德·罗森舒尔德(Swede P. Munk DeRösenschold)注意到,金属粉末混合物的电导率增加了施加在粉末上的电流强度,因此电导率大大提高。 1879年,盎格鲁美国人戴维·休斯(David Hughes)观察到了类似的不完全接触现象,包括一根碳棒搁置在两块由电路封闭的碳块上,或者一根装有金属颗粒的管子(称为麦克风车)它最初旨在检测声波)。

似乎休斯还发现,重要的是,这种管对附近发出的电火花很敏感,如电导率的突然变化所表明的那样。但是,伦敦皇家学会并没有说服他,休斯的结果要等到20年后的1899年,即发现了电波和布兰利的电波之后,才发表。 1884年,意大利的TémistocleCalzecchi-Onesti进行了一系列实验,研究了金属粉末在电压作用下的行为。他观察到,在依次断开包括感应线圈和装满金属屑的管的电路后,电导率显着增加。

1887年,在詹姆士·克莱克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)的电磁学理论发表后不久,海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)进行了清楚地证明存在和传播电磁波的实验,如今以他的名字命名。他注意到火花(发出高频电磁波,大约100兆赫兹)可以在几米外的圆弧形金属线的空隙中感应出另一火花。

布兰利在1890年观察到的就是这种电磁波对金属粉末的远程作用。1875年底进入天主教学院,他在那里工作了65年以上,直到1940年去世,享年96岁。从1873年的论文开始,布兰利对各种物质的导电性很感兴趣。发现的那一年,他建立了一个电路,该电路包括一个电池,一个检流计(可以检测强度很弱的电流)和一个装满金属屑的玻璃管(见图3)。由于绝缘氧化物的高电阻,检流计的针几乎不会偏离,绝缘氧化物无疑存在于颗粒表面。在距离电路至少20米的另一个房间中,它会产生电火花。然后他注意到,锉屑“立即”导电(电流计指示电流通过),尽管“既看不到火花的光也不听”。灯管受到轻微冲击即可消除该电流,而发出新火花则可以恢复电流。

布兰利以无线电导体的名义指定了他的灯管,以回想“在电火花产生的电辐射的影响下,粉末的电导率会增加”;当时,“无线电”是一个前缀,表示辐射或辐射。物理学家用弱或强压缩的各种类型的粉末进行了其他实验,发现相同的现象仅发生在两个球接触时,或者如休斯观察到的那样,两个导电棒一个放在另一个的上面。另一个:这种不完美的触点对附近发出的电火花非常敏感。

当布里顿·奥利弗·洛奇(Briton Oliver Lodge)在1894年使用布兰利管(Branly tube)复制赫兹的实验时,这一发现在科学界产生了重大影响。布兰利管是一种比赫兹使用的接收器回路更为灵敏的电波“接收器”。 。 Lodge对Branly管进行了改进,使其成为可靠且可重现的接收器,他设计了一种自动过程,在电导率突然增加后,使锉屑管受到较小的机械冲击,从而恢复到初始绝缘状态:第一台无线电报接收器( tsf ) 出生于。洛奇将其命名为管式连铸机(来自拉丁语cohaerere,粘贴),表示该碎屑在波浪作用下是“连贯的”,必须机械地“脱开”。

然后,Lodge和Branly着重于了解这一现象,并继续对粉末中电导率的机理进行基础研究。他们只是对这项发现预示的实际应用只是模糊的兴趣,尤其是无线传输无线电信号的可能性。然而,归档管能够显示电磁波的通过,在远距离传输消息的可能性,而无需在发射器和接收器之间建立实质性联系,这已成为现实:无线电报最早是由马可尼(Marconi)以及俄国亚历山大·波波夫(Alexander Popov)于1895年发送的。后者在250米的距离上将两个单词“ Heinrich Hertz”传送到圣彼得堡,随后他用布兰利管接收器检测了十公里外的大气放电,例如闪电。 。

各种解释

电信时代才刚刚开始。但是,既然选择了电视频道或打开车库门,谁会想到无线电传导的发现者和遥控器(机电)祖先的发明者布兰利?然而,正如她的孙女玛丽昂·图农·布兰利(Marion Tournon-Branly)想要提醒我们的那样,法国最大的电信天线埃菲尔铁塔就坐落在巴黎的…ÉdouardBranly码头,在这里提醒我们。

布朗利效应的起源是什么?当时,解释千变万化。有人认为,晶粒是通过熔化金属的方式将金属焊接在一起的,波通过的电流通过了这些金属,这些接触建立在非常小的表面上。根据其他物理学家的说法,谷物在波的作用下会变成电偶极子,并且会在静电力的作用下相互吸引。然后,晶粒将经历微观运动并“粘在一起”,从而形成易碎的导电链,只需很小的机械冲击就足以将其折断。

布兰妮从不相信这个假设。为了证明不需要谷物的运动,他用石蜡,蜡或树脂将它们囚禁,或者用承受重物的一列钢球或金属圆盘代替它们。 (见图3)。随着内聚作用的持续,他深信这种作用与接触的特性有关,特别是与使晶粒电绝缘的氧化物有关。正是本着这种精神,美国的Karl Guthe和Augustus Trowbridge于1900年开始用两块大理石进行实验。但是,约翰·弗莱明(John Fleming)和李·德·森林(Lee De Forest)在1904年发明的真空管逐渐取代了作为波接收器的相干器,从而使布兰利效应被忽视了。

然而,布兰利(Branly)在1905年6月30日在巴黎的童话世界上的Trocadéro公开展览之后,在机电的仙境中获得了一定的声望,在那里进行了实验,包括照明一系列从远至近的灯泡。 ''远程触发手枪射击或炮弹坠落。 1911年,他当选为科学院院士,他是提前用一个声音...居里夫人!然后一直到1950年代中期,才失去了连铸机的轨道,当时,日本申请了第一个遥控玩具的专利:一辆公共汽车,它使用Branly管检测遥控发出的电波(见图)。 4)。

自1960年代初以来,几个研究人员团队对理解以布兰利效应表示的旧问题感兴趣,这就是本文开头提到的几种可能的解释的出现方式。但是,在此研究框架内进行的任何实验都无法清楚地说明控制这种作用的机制是什么。

在金属颗粒介质中观察到的导电过渡是一个复杂的问题。涉及到许多参数,这些参数与晶粒的组装有关(晶粒的大小和形状的统计分布,力的空间分布),还与两个晶粒之间的接触(氧化程度,表面条件,粗糙度)有关)。为了更清楚地看到,我们进行了各种实验,涉及金属球的接触链,球的二维网络和金属粉末。

球链实验

最初,我们必须将两个晶粒之间的接触的局部效应与可能导致布兰利效应的晶粒集合的集体效应区分开。不难看出,某些提议的机制仅在次要基础上做出贡献。例如,布兰利本人(Branly)自己观察到,仅在两个谷物之间接触时,其效果仍然存在。因此,集体渗流类型的过程(即取决于所有触点形成的网络的几何形状或多或少容易使电流循环)不能成为主要机制。

此外,当直接向金属粉末(或两个接触的球)直接施加电压时,会观察到类似于在距波动或火花一定距离处获得的效果。电压达到一定阈值:这种现象称为连续布朗尼效应。因此,我们依靠模型实验来故意减少问题的参数数量,而又不会失去一般性:对直接受电压(或电流)作用的金属球链的电行为的研究)继续(请参见图5)。请注意,在历史性的布兰利效应的情况下,由火花产生的波提供了交变场,而不是连续场。但是,电压的交变特性的影响,即电磁波的频率,可以稍后进行研究。

因此,我们施加了直流电通过大约五十个直径接近厘米的钢球的链,并测量了该链末端的张力。这提供了电阻,根据欧姆定律,电阻被定义为电压与安培数之比。滚珠没有特别注意,触点不是金属的:表面有几纳米厚的氧化物或污染物绝缘膜。然而,当所施加的电流的强度增加时,观察到从绝缘状态到导电状态的转变:电阻急剧减小了接近一百万的因数(见图5)。就其本身而言,电压达到每个球0.4伏量级的饱和值,该值几乎不依赖于制造球的材料。

值得注意的是,这种行为是不可逆的:当电流强度增加后电流强度降低时,链的电阻保持较低且几乎恒定。换句话说,在电阻强度平面(或电压电流平面)中描述系统行为的点在向外和返回侧描述了不同的曲线。在强度的每个循环之后(先增大然后减小),我们将消除压缩球的力,然后沿链的轴滚动这些球以更新接触。通过这种方式,我们每次都观察到电阻的下降(连续的布朗尼效应或相干效应)和饱和电压的下降,并且这种下降的再现性非常好。

如何解释这些观察?为了解释粒状材料中的电现象,洛奇和日内瓦大学的托马斯·汤马西纳(Thomas Tommasina)早在1898年就提出,晶粒之间接触的表面是如此之小,以至于通过它们的电流密度很大,并且会引起局部发热,从而导致聚变。金属,从而改善导电性。巴黎市工业物理和化学高级学院的达米安·范德姆布劳克(Damien Vandembroucq),克劳德·博卡拉(Claude Boccara)和斯特凡·鲁(StéphaneRoux)于1997年采用了这个想法,斯特凡·多博罗(StéphaneDorbolo)和他的同事在列日大学(LiègeUniversity)于2000年提出了这一想法,但并没有证明这种机制支配了布朗尼效应。另一方面,我们在珠链上的实验在定性和定量方面都提供了足够令人信服的证据。我们确实已经表明,实验结果与我们考虑两个粗糙表面之间的接触时所预测的结果吻合。

微动开关通过焦耳加热焊接

这种理论模型的主要思想是什么?尽管外观光滑,但是每个珠在微观尺度上是粗糙的,粗糙度的大小为十分之一微米的数量级。两个球之间的视在接触区域大约为100微米宽,但这只是一个视在接触,由一组尺寸小得多且分布稀疏的微接触组成(见图1)。 。当电流通过微动开关时会发生什么?它产生的热量与导体的电阻和电流强度的平方成正比。然而,该电阻与微动开关的表面成反比,因此该表面越小,导体中散发的热量越大。因此,在球之间的微接触附近发生电热耦合:电流在那里产生局部加热,这导致接触面积增加,从而导致其电导率增加(即降低电阻),从而降低温度。在微秒级的时间内,建立了热平衡。计算表明,达到的最高温度与施加在球链上的电压成正比,并且与金属或触点的几何形状几乎没有关系。

触点两端的电压低至0.4伏,会导致温度升高超过1000度,足以熔化大多数金属。因此,通过微焊接可以形成小的金属桥,而简单的机械冲击就足以使它们断裂。这种情况在与球链有关的实验结果中找到了对应关系。因此,当接近饱和电压时,局部加热足以软化微动开关(见图1和5)。它们的接触面积相应增加,这导致电阻降低。当达到饱和电压时,金属熔化并且微型开关焊接在一起,从而稳定了微型开关的面积,电压及其温度。因此,该现象在电压和温度上是自调节的。

除了与饱和电压的实验值一致以外,这种通过焦耳效应进行微焊接的连续布兰利效应的解释还解释了为什么实验中的相关参数是饱和电压而不是电流强度。施加。进一步解释了,当电流强度增加后减小电流强度时,由于微焊缝是不可逆的(除非发生机械冲击),初始电阻无法恢复。它还可以在系统的电压-电流特性中获得返回轨迹的理论表达式,与实验结果非常吻合。

应该记住,我们的实验与持续的布朗尼效应有关。如果我们把控制这种现象的机理推论到在无线电波或火花的作用下电导的改变的情况下,布兰利的发现情况,我们可以认为是振幅与波相关的电场强度,而不是其频率。但这仍有待研究。

电,颗粒介质的探针?

除了基本方面之外,这些粒状物质的非典型电学性质又有什么用?我们已经指出了它们可能与雷电作用下火箭中固体燃料的远程点火有关。冶金学中的一个众所周知的应用出现了另一种联系:两种材料之间的电阻焊接或“冷焊”,这包括使电流通过要组装的零件以及通过施加在焊接头上的碳尖端。要焊接的零件。尖端的接触表面非常小,电阻很高,并且电流的通过会产生热量,从而可以迅速达到熔化接触材料所需的温度。一种类似的技术,称为电烧结,用于使压缩的金属粉末聚结,焊接是通过通电进行的。

此外,还有一种电子元件,其电压电流特性与我们的实验所示相同。这是变阻器,其电阻会随着施加到其端子上的电压而变化,并且被广泛用于保护电气设备免受过电压影响。当人们知道这种成分是由导电晶粒和金属氧化物组成的陶瓷时,这种特性应该不会太令人惊讶。

人们还可以考虑使用粒状材料的电特性来研究粒状介质本身。换句话说,电将使探测颗粒状物质成为可能,这种前景似乎是有希望的,因为与现有的声学方法相比,它将提供更多的局部探测技术。例如,颗粒状介质中的机械力分布非常不均匀,其中大多数由一小部分颗粒支撑,这些颗粒形成了力链。是否可以通过测量谷物堆的电阻来确定这些力链的演变?粉末内的机械重排会引起电阻波动吗?如果存在这样的相关性,那么我们可以使用在粒状簇上全局进行的简单电阻测量来更好地理解,检测并可能阻止这些拱形或“拱顶”的出现例如,在筒仓出口处有谷物流(假定略有传导性……)。

研究噪音和老化

在珠链上进行的实验无法研究粒状物质对电传导的集体影响。但是这些效果可以通过与二维微珠阵列或金属粉末样品有关的实验来观察。我们已经进行了这样的实验。例如,如果在金属粉末的端子上施加恒定的电压,则在一定条件下,流经金属粉末的电流的时间变化会非​​常嘈杂。这种电噪声(电阻随时间的变化)具有潜在的机制,即晶粒的热膨胀,局部产生并破坏接触的膨胀-再次,散热起着关键作用。它与湍流中流体粒子的不稳定运动具有惊人的相似性。他的研究使人们可以更好地了解环境,例如,一位机修工会聆听汽车发动机的噪音以改善其性能。

最后,让我们提及颗粒介质的电阻随时间缓慢变化。对这种演变的分析突出了“衰老”的一般特征,即缓慢恢复到平衡状态。这种现象所涉及的时间尺度变化很大,范围从不到一毫秒到一天甚至更长。在这种松弛过程中测得的波动非常丰富。它们使在新的情况下测试在其他物理领域中发展的思想成为可能,例如流体动力湍流或非平衡系统的老化。因此,除了布朗尼效应以外,还有更多需要了解的东西...

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