Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Зелени [590] первым предпринял экспериментальные исследо­ вания устойчивости каплеобразной поверхности воды под дейст­ вием электрических сил. Из капилляра, перпендикулярного метал­ лическому диску, выдавливалась капелька в виде полусферы. Раз­ ность потенциалов создавалась между капилляром и диском. При повышении потенциала до критических значений происходила сильная осцилляция поверхности водяного мениска, завершаю­ щаяся отрывом мелких капелек и появлением тока. На поверхно­ сти капли обнаруживался тихий разряд. Зелени [591] получил, что при понижении давления до 800 мб требуется меньший потенциал для возникновения тока. Опыты показали, что развитие процесса определяется в основном переносом зарядов мельчайшими капель­ ками, вырывающимися из поверхности жидкости. По грубой оценке радиусы капелек находятся в пределах 1—0,1 мкм.

Исследования Зелени повторил Инглиш [292], использовавший осциллограф вместо гальванометра, что позволило провести де­ тальное изучение процесса. При наложении на капилляр с каплей на конце положительного потенциала, равного 6800 В, он обнару­ жил тонкую струю воды, вырывающуюся из капли, и светящиеся стримеры коронирования, которые, по-видимому, связаны с ка­ пельками струи, так как обнаруживались на некотором расстоя­ нии от поверхности капли. При увеличении потенциала до 7100 В наблюдалось соответственное увеличение количества капелек, све­ тимости и пульсаций тока. При переходе к отрицательному потен­ циалу образование струйки капелек происходило при 6700 В, т. е. при таком же значении, как и при положительном потенциале. Однако возникавшее свечение было значительно слабее, чем при положительно!« потенциале.

Оценка критической напряженности горизонтального электри­ ческого поля, вызывающего разрушение капель при их свободном падении, была выполнена Ноланом [461]. Он получил для капель

мерного параметра, полученного Ноланом, близко к значению, вы­ численному Тейлором [547].

Более полные экспериментальные исследования поведения ка­ пель воды в электрическом поле были выполнены Мекки [411]. Для

безразмерного параметра, определяющего критическую напряжен­ ность поля, было получено также Аусманом и Бруком [217] для капель воды радиусом 1,2; 1,5 и 2,7 мм в пределах температур от 46 до —9° С. Оно оказалось равным (1,46± 0,10) • ІО5, т. е. хорошо согласуется с данными Нолана [461] и Мекки [411]. При умень­ шении давления от нормального до 350 мб не наблюдалось

45

каких-либо различий в значениях критической напряженности поля независимо от размеров капель. Мекки обнаружил также, что

46

Берг и Джордж [229], повторив опыты Дойля и др. [284], под­ твердили их результаты. При уменьшении диаметра вследствие испарения от 100 до 40 мкм заряженные капли становятся неустой­ чивыми в результате потери заряда. Однако были обнаружены не интенсивные скачки заряда, а сравнительно плавное его измене­ ние. Берг и Джордж пришли к выводу, что при испарении из по­ верхности капли вырываются капельки весьма малых размеров — в несколько микром, возможно, даже размеров тяжелых ионов.

постановки опытов. Дойль и др. [284] наблюдали каплю в одно­ родном электрическом поле, а в опытах Берга и Джорджа [229] капля находилась в весьма неоднородном и к тому же перемен­ ном поле. В таком, поле существуют благоприятные условия для возникновения неоднородностей в распределении зарядов на по­ верхности капли, что должно облегчить вырывание из нее мелких капелек вместо струек сравнительно крупных капелек.

Доусон [277], исходя из теоретических соображений, получил, что даже сравнительно небольшие внешние поля могут значи­ тельно повлиять на условия возникновения неустойчивости при испарении заряженных капель.

Все описанные выше эксперименты выполнялись при комнат­ ной температуре. Представляло интерес получить данные для тех значений температуры, при которых в грозовых облаках еще на­ блюдаются крупные капли, т. е. примерно до —10° С. Такое иссле­ дование при температурах от 46 до —9°С для капель радиусом 1,2; 1,5 и 2,7 мм было выполнено Аусманом и Бруком [217]. Они получили качественное подтверждение требования, согласно кото­ рому с понижением температуры должен происходить рост крити­ ческой напряженности поля неустойчивости капли, так как пони­ жение температуры сопровождается увеличением поверхностного натяжения. Однако количественное согласие отсутствовало. Ско­ рость изменения критической напряженности поля для капель

чия между экспериментальными и теоретическими данными они пытались качественно объяснить осцилляцией капель при падении в электрическом поле. Так, амплитуда осцилляции капли зависит от вязкости воды, которая в пределах температуры от 40 до —9° С изменяется в 4 раза. Кроме того, амплитуда сильно зависит от размеров капель.

До сих пор речь шла о неустойчивости незаряженных капель в электрическом поле. В грозовых облаках капли несут большие заряды, поэтому необходимо рассмотреть поведение крупных за­ ряженных капель в электрическом поле. Такое теоретическое и экспериментальное исследование было выполнено Аббасом и Леземом [208]. На рис. 14 представлены результаты вычислений кри­ тической напряженности поля неустойчивости капель как функции заряда и размеров. Как видно из рисунка, существует заметная

47

зависимость критической напряженности поля неустойчивости капли от заряда, причем тем большая, чем меньше размеры ка­ пель. Так, если для разрушения незаряженной капли с г0=1 мм требуется АКр~1,3-106 В/м, то для такой капли с зарядом 1,ЗХ ХЮ“10 Кл ЁКр~106 В/м, соответственно для капли с г0 = 2 мм имеем 8- ІО5 и 7,2- ІО5 В/м. Экспериментальные исследования Аб­ баса и Лезема показали хорошее согласие с результатами вычис­ лений как для положительных температур (20°С), так и для от­ рицательных (—8° С). Они пришли к выводу, что при точности

Рис. 14. Зависимость кри­ тической напряженности поля неустойчивости ка­ пель Екѵ от радиуса га и заряда q. По Аббасу и

Лезему [208].

Заряд q (Кл): /) 0,

2) 7 ■10-", 3) 1,3- ІО-10.

до 2% верно упрощенное выражение для условий нарушения рав­ новесия заряженной капли в электрическом поле.

Вибрация капель может привести к тому, что разрушение будет происходить при меньших напряженностях поля, чем требует тео­

разрушения капель, особенно малых размеров. Для оценки дейст­ вия флуктуирующего поля можно использовать деформацию ка­ пель, определяемую как отношение полуосей с/а. Было получено,

в флуктуирующем — около 6 • ІО5 В/м.

При сближении двух капель в электрическом поле, которое для простоты можно выбрать параллельным оси, соединяющей их центры, происходит усиление поля в зазоре между ними. Если считать капли сферическими, то величину усиления поля можно определить по Девису (см. табл. 2). Но если поле достаточно силь­ ное (>105 В/м), то капли еще до сближения друг с другом при­ обретут форму эллипсов с длинной осью, расположенной в направ­ лении поля. Это уже приведет к некоторому увеличению поля в зазоре между каплями по сравнению с рассчитанным для сфер. Кроме того, в зазоре появятся локальные искажения, имеющие

48