Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

значительной длины. Такой вид коагуляции характерен для осаж­ дения пылевых твердых частиц на проводящих телах в электриче­ ском поле — так называемая направленная коагуляция.

Для оценки влияния электрического поля на коагуляцию рас­ смотрим сперва силы, которые действуют на капельку радиусом гк, находящуюся вблизи проводящей сферы радиусом Ro, причем

Ro^>rK. Тогда напряженность в точке А, расположенной на рас­ стоянии R от центра сферы под углом Ѳ (угол между радиус-век­ тором этой точки и направлением поля), равна

где Ео — напряженность внешнего однородного поля.

Капелька, находящаяся в точке А, будет иметь в поле сферы

В момент, предшествующий соприкосновению капельки со сферой Ro, (32) принимает вид

73

Из выражений (32) и (33) следует, что сила притяжения ка­ пельки пропорциональна квадрату напряженности внешнего элек­ трического поля, т. е. весьма быстро растет с увеличением напря­ женности. Однако она проявляется только на сравнительно близких к сфере расстояниях. Так как ледяная сфера является диэлектриком, то вместо выражения (29) необходимо воспользо­ ваться выражением, учитывающим диэлектрическую проницае­ мость льда ел:

(34)

Если в постоянном электрическом поле при —20° С принять ел= 5,3- 10~и Ф/м и е= 8,85- ІО-12 Ф/м, то Е, вычисленное согласно (34), отличается от вычисленного по (29) всего на 3%. Таким об­ разом, сделанные выше выводы для проводящей сферы (капли) вполне применимы для диэлектрической сферы (замерзшей капли).

Для качественной оценки усиления поля на конце веточки инея можно воспользоваться значениями максимальной напряженности поля на полюсе вытянутого эллипсоида (табл. 45). Представим веточку инея вытянутым эллипсоидом, прикасающимся одним по­ люсом к сфере. Приближенно можно не учитывать усиление поля,

из приближенной теории острия, находящегося на плоскости в од­ нородном электрическом поле [186]. Если считать острие полови­ ной эллипсоида с большой полуосью с и меньшей а, то максималь­ ная напряженность электрического поля в вершине острия будет равна

оказалась такой же, как полученная ранее.

Сомнительно, чтобы в облаках на сферических частицах типа крупы могли расти длинные веточки инея, так как их будет сры­ вать поток воздуха. Для снежных кристаллов и хлопьев, которые отличаются малой скоростью падения, такое препятствие отсутст­ вует, и поэтому их рост за счет направленной коагуляции может быть значительным.

Выполненное выше рассмотрение действия электрических сил является качественной оценкой, показывающей значение этих сил. Более точные расчеты для ледяных частиц самой разнообразной формы являются очень сложной задачей, и поэтому для получения более точных оценок был выполнен ряд экспериментальных иссле­ дований с моделями разной конфигурации. Кроме того, возможно,

74

подтверждается экспериментами.

Вопытах Лезема и Сондерса [386] ледяные кристаллы при кон­ тролируемых отрицательной температуре воздуха и скорости по­ тока соударялись с ледяными шариками, неподвижно укреплен­ ными в трубе. Один из них находился под действием поля. До на­ пряженности поля 8 ■ІО4 В/м не наблюдалось различия в приросте массы шариков. При более высоких напряженностях поля, в пре­ делах от 1 • ІО5 до 3- ІО5 В/м, обнаружилась линейная зависимость между массой ледяных кристаллов, отлагающихся на шарике, и напряженностью. Они наблюдали направленную коагуляцию, вы­ ражавшуюся в образовании длинных цепей из кристаллов.

Вдальнейших опытах с той же установкой Сондерс [501] полу­ чил количественные зависимости прироста размеров ледяных сфер от напряженности поля и скорости потока (рис. 23). Как видно из

этого рисунка, даже сравнительно небольшая напряженность поля, порядка 3- 104 В/м, дает небольшое увеличение прироста размеров сферы по сравнению с приростом сферы, не находящейся под дей­ ствием поля. С увеличением скорости потока наблюдается умень­ шение объемного прироста с некоторым, как указывает Сондерс, увеличением плотности осадка. При больших скоростях потока отсутствуют длинные веточки инея, которые, по-видимому, сры­ ваются потоком. Эти опыты выполнялись при сравнительно высо­ кой температуре, —7° С. К сожалению, автор не приводит данных для более низких температур, хотя он сообщает, что опыты прово­ дились до —37° С. Надо полагать, что с понижением температуры интенсивность агрегации ледяных кристаллов на сфере должна уменьшаться.

Подобного рода опыты, но в натурных условиях были выпол­ нены Леземом [378]. Они проводились в Йеллоустонском парке (США) в зимнее время, когда облака, создаваемые гейзерами, были переохлажденными. При воздействии на эти облака кристал­ лизующими реагентами получали ледяные кристаллы у поверхно­ сти земли, которые соударялись с ледяными шариками, вращае­ мыми на коромысле. Один из шариков находился под действием электрического поля, другой, контрольный — вне поля. Начиная примерно с 5 -ІО4 В/м происходило значительное усиление роста ледяного шарика при соударениях с ледяными кристаллами. Это находится в согласии с данными лабораторных опытов В. М. Муч­ ника и Ю. С. Рудько [140], Лезема и Сондерса [386] (рис. 24), Сондерса [501]. В опытах Лезема могло происходить одновременное соударение ледяных кристаллов и переохлажденных капелек с по­ верхностью шарика. При температуре —7° С капельки, растекаясь по поверхности льда, могли усилить адгезию ледяных кристаллов и увеличить скорость роста ледяного шарика.

Лезем и Сондерс [387] исследовали силы адгезии между двумя ледяными сферами равных размеров в зависимости от напряжен­ ности поля. Они получили, что с увеличением напряженности поля

75

увеличивается сила адгезии. В частности, для разделения двух ледяных сфер радиусом 1,25 мм при температуре —15° С и отно­ сительной влажности 51% требовалась сила 8 -ІО-5 Н, а в поле напряженностью 1• ІО5 и 2 - ІО5 В/м потребовалось уже соответст­ венно 1 2 -ІО-5 и 25,6* ІО“5 Н. Авторы считают, что сила адгезии увеличивается за счет электростатического притяжения поляризо-

М од ель А В С D

Рис. 25. Конфигурации моделей для исследования увеличения сил взаимо­ действия между ледяными кристаллами по сравнению со сферами эквива­ лентного радиуса гэкв. По Сондерсу [501].

ванных сфер, так как не обнаруживалось увеличение ледяной пе­ ремычки между сферами.

Для оценки увеличения сил взаимодействия между ледяными кристаллами разной конфигурации по сравнению со сферами эк­ вивалентного радиуса Сондерс [501] выполнил экспериментальное

77