3.5 Термоэлектромагнитные эффекты

Слоны всегда изображаются меньшими,

чем они есть, а блохи – большими.

Дж. Свифт

Общеизвестно появление статического электричества на поверхности металлических и полимерных элементов фрикционных пар. Кроме того, при трении наблюдаются импульсные высокочастотные колебания потенциала в поверхностном слое [21]. Контакт в трибосистеме двух металлов с различ-ным давлением электроннного газа уравновешивается только при достиже-нии общего энергетического уровня Ферми. По-видимому, все поверхност-ные эффекты неразрывно связаны с тепловыми и электромагнитными, обус-ловленными строением металлических твёрдых тел.

В металлах электроны с достаточно высоким уровнем энергии вылетают за пределы тел и образуют над поверхностью отрицательно заряженное облако. Энергия выхода электронов различна для разных граней кристаллитов. Электроны, преодолевшие потенциальный барьер, отталкива-ют электроны с меньшим уровнем энергии внутрь тела. Так, на поверхности образуется двойной электрический слой толщиной порядка 10 мкм [21].

Каждый поверхностный атом оказывается при трении в набегающем на него дискретном электрическом поле смежной поверхности с периодом равным постоянной решётки.

Деформированные в процессе трения участки поверхности фактичес-кого контакта являются источниками волн упругих и пластических напряже-ний. Волновая энергия передаётся носителям заряда - электронам, которые смещаются в направлении движения волны. Этот механоэлектрический эффект возбуждает ЭДС [39] в следствие синфазности сил трения и электри-ческих импульсов. Повышение температуры трибоконтакта в связи с дисси-пацией энергии интенсифицирует процесс эмиссии электронов.

Испускание электронов нагретыми металлами (процесс начинается при 200-300 К) называется термоэлектронной эмиссией.

Для каждой температуры и металла существует наибольший по величине ток насыщения. Работа выхода электрона - это одна из энергети-ческих характеристик поверхностных свойств, показатель метастабильности поверхности.

Термоэлектронная эмиссия является температурным развитием экзоэлектронной эмиссии или эффекта Крамера (раздел 2.3.3).

Все термоэлектрические поверхностные эффекты объясняются взаимо-связью в металлах электрического тока и теплового потока. Так, эффект Зеебека - возникновение ЭДС (тока) в цепи из последовательных разнород-ных металлических проводников при разной температуре их контактов.

Внутренняя энергия цепи преобразуется в электрическую. Коэффи-циент полезного действия эффекта 0,1 - 0,2 % и при разности температур в 100⁰С ЭДС составляет несколько мВ.

Обратный описанному эффект носит название эффекта Пельтье. При этом ток, проходящий через контакты последовательной цепи из разнород-ных проводников, на одном контакте выделяет тепло, на другом - поглощает его. Следовательно, тепло Пельтье добавляется или вычитается (при проти-вотоке) из тепла Джоуля.

Эффект Томсона - это выделение или поглощение тепла в проводнике с током, вдоль которого существует градиент температуры. Выделение тепла происходит независимо от Джоулева. Электроны в проводнике движутся от горячего к холодному концу. Эффект Томсона - это как бы внутренний эффект Пельтье.

Термоэлектрические явления существуют в тесной взаимосвязи с галь-ваномагнитными и термомагнитными. Причиной их возникновения является взаимодействие магнитного поля с электрическим током и тепловым потоком. Эти эффекты принято разделять на продольные и поперечные.

Гальваномагнитный эффект Холла относится к поперечным. Он заключается в возникновении поперечного электрополя и разности потенци-алов в металлическом проводнике с током, помещённым в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока. Двигаясь в магнитном поле электро-ны отклоняются от действия силы Лоренца (действует на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле) в одну сторону, скапливаются там и образуют электрическое поле.

Продольный эффект Холла называют гальваномагнитным эффектом. Он заключается в изменении сопротивления проводника с постоянным током, помещённом в поперечное магнитное поле, то есть появляется вторичная разность потенциалов.

Эффект Эттингсхаузена заключается в возникновении градиента температуры в проводнике с током под действием перпендикулярного магнитного поля. Это поперечный эффект. Соответствующий ему продольный аналог носит название эффект Нернста.

Он проявляется в появлении продольной разности температур в проводнике с током, помещенном в перпендикулярное току магнитное поле.

Термомагнитный эффект Риги-Ледюка заключается в том, что в проводнике, на концах которого создана разность температур и который помещён в перпендикулярное магнитное поле, создаётся поперечная разн6ость температур.

Аналогичный продольный эффект - это эффект Маджи-Риги-Ледюка. Он проявляется в возникновении дополнительной продольной разности температур в термически неоднородном по длине проводнике, помещённом в поперечное магнитное поле.

Эффект Нернста-Эттингсхаузена может быть как поперечным, так и продольным. Это аналог эффекта Холла, но электрический ток заменяется тепловым потоком. В проводнике с разностью температур на его концах, помещённом в перпендикулярное тепловому потоку магнитное поле, появляется разность потенциалов.

В продольном варианте этого эффекта при разности температур вдоль проводника, помещённое в поперечное магнитное поле, возникает продольная разность потенциалов.

Все перечисленные эффекты имеют низкий КПД и относительно слабы. Однако, любой электрический ток значительно интенсифицирует целый ряд химических реакций (например, окислительных). Известно плас-тифицирующее действие тока. Кроме того, граница раздела между телами в паре трения - это двусторонний дефект структуры, насыщенный дислока-циями. Их торможение или ускорение электроимпульсами существенно влияет на физико-механические свойства металлов и силу трения. Так, механоэмиссионные явления сопровождаются снижением микротвёрдости и модуля упругости на 10-60 % [21]. Размыкание цепи термотока при механической обработке повышает стойкость лезвийного инструмента до 2,5 раз [7].

Электромагнитные эффекты играют существенную роль и в металлополимерных трибосистемах. Достаточно сказать, что, электризуясь в процессе трения, полимерные материалы могут приобретать положительные заряды и тогда "намазываться" на металлическое контртело. Приобретая отрицательные заряды полимер подвергается намазыванию металла на свою поверхность.

Электризация полимеров при контакте с металлом происходит путём перехода с металла на полимер при малых нагрузках электронов, при больших - ионов. Кроме того, электризация полимеров осуществляется благодаря ориентационному механизму и в результате удаления с поверх-ности адсорбированного компенсационного слоя при трении.

С повышением температуры снижается работа выхода электронов (Рис.33). Если она меньше, чем у металла, то заряд полимера стремится к изменению знака (инверсии).

Рис.33. Зависимость трибоЭДС от температуры: 1-капрон, 2-эпоксид, 3-полиэтилен (Р=0,1МПа, V=0,5м/с)

Эта закономерность сохраняется как для электроположительных (капрон, эпоксид), так и для электроотрицательных (полиэтилен) полимеров. Появляется определённая возможность управлять трением металлополимерных пар (Рис.34) путём подачи на полимер соответствующего напряжения.

Рис.34.Зависимость износа стали (кривые 1, ) и материала 8-1-66 (кривые 2, ) от времени при подаче на полимер потенциала + 30В (кривые , ) и -30В (кривые 1,2).

Так, при подаче на полимер потенциала -30В величина износа в 2-2,5 раза меньше.

Эффекты трибоэлектризации характерны для любых диэлектриков. Электризация керамических диэлектриков при их контакте с металлическими проводниками, например, при пескоструйной или абразивной обработке, увеличивает съём металла (абразивный износ) в 1,5-4 раза [21].

Таким образом, общим для трибосистем любого состава является использование электромагнитных эффектов и взаимодействий в качестве одного из каналов диссипации механической энергии [44].