Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Г, Л. Натансоном [149] специально для амикроскопических ча­ стиц. Наиболее полное решение этой задачи было дано Н. А. Фук­ сом [190].

Ю. С. Седунов [165] показал, что при электризации частиц про­ извольной формы устанавливается стационарное распределение за­ рядов вида

п — общее число частиц; р — количество элементарных зарядов на ионе; С — емкость частицы.

Из (60) и (61) следует, что дисперсия распределения зарядов пропорциональна характерному размеру частиц в первой степени:

причем С—г для капель радиусом г.

Б. Е. Фишман [184] рассмотрел электризацию'коллектива облач­ ных капель и получил, что дисперсия распределения зарядов может более сложным образом зависеть от размера капель. Так, если в пределах облака парциальные проводимости Х+ и X- заметно ме­ няются, дисперсия зарядов должна быть значительно больше ве­ личины, даваемой (62).

П. В. Лисовский [398], измеряя заряды капелек минерального масла радиусом от 0,15 до 2 мкм, получил, что они удовлетвори­ тельно описываются распределением (60).

Экспериментальные исследования заряжения капель воды в ионной среде не подтверждают представления Я. И. Френкеля, хотя и не опровергают их полностью. Так, было замечено, что_ свежеобразованный водный аэрозоль внячалр-п-реимунгест-венно заряжается отрицательно и только затем распределание,-за.рядов по размерам становится симметричным (А. П. Сергиева [169]). К со­ жалению, в опытах Сергиевой неизвестна концентрация ионов, но то, что вначале процесса заряжения капли приобретают преимуще­ ственно отрицательные заряды, можно истолковать как большее сродство капель воды с отрицательными нонами. С другой стороны, если в этих опытах полярные проводимости в камере (объем 500 м3) были близкими, т. е. Х+^Х-, то можно ожидать преимущест­ венного заряжения капелек отрицательными ионами в начальный период вследствие большей подвижности последних. Вместе с тем опыты Сергиевой являются подтверждением того, что в начале про­ цесса заряжения капельки приобретают преимущественно отрица­ тельные заряды. В опытах Гилеспи и Ленгстрита [308] изучалась зависимость электризации порошкообразного кремнезема, который не является полярным веществом, от времени. Было получено со­ вершенно симметричное распределение зарядов независимо от времени (от 6 до 200 мин), т. е. вещество частиц не влияло на

171

распределение зарядов на них. В этих опытах соотношение поляр­ ных проводимостей не было известно.

В опытах Филипса и Ганна [325] изучалось заряжение медных шаров (диаметром 0,64 и 1,27 см) в ионном потоке известной ско­ рости. При равных концентрациях положительных и отрицательных ионов шары заряжались отрицательно. Причиной такого заряжения является различие в подвижности отрицательных и положительных ионов. Действительно, покрывая поверхность медных шаров разно­ образными веществами и чистым льдом, авторы не обнаружили ка­ ких-либо заметных изменений в электризации. Основным в про­ цессе заряжения частиц, в том числе водяных капель, в среде

ск+Фк- является отношение ионных концентраций. Поэтому если

исуществует двойшіДэлектричещедц.цсл.ой на поверхности водяной капли, то "скачок^потенциала в нем невелик и не является определяющим в заряжении капёль.'вбдьі в ионной среде.

Готт [313] экспериментально получил качественное подтвержде­ ние зависимости заряжения капель от скорости потока и отноше­ ния полярных концентраций ионов. Аббас и Лезем [207] нашли хо­ рошее количественное согласие между теорией заряжения падаю­ щих капель в электрическом поле и экспериментальными данными для среды, содержащей ионы в любых концентрациях. Ледяные сферы с шероховатой поверхностью показали несколько увеличен­ ную степень электризации, по-видимому, из-за особенностей строе­ ния льда на поверхности.

3.1.3. Электризация при контакте и трении ледяных частиц

Согласно Гельмгольцу, при контакте двух тел разной химиче­ ской природы на поверхностях соприкосновения образуются заряды в виде двойного электрического слоя, которые при разделении тел могут остаться на них уже как свободные. В этом случае разность потенциалов двойного электрического слоя пропорциональна кон­ тактной разности потенциалов тел. Эти верные в основе своей пред­ ставления все же совершенно недостаточны для описания меха­ низма образования зарядов при контакте, так как их величина за­ висит от многих факторов: кроме химического состава тел, от их кристаллической структуры, геометрии, упругости, теплового со­ стояния, молекулярных сил сцепления, относительной скорости и условий соударения, электропроводности и диэлектрической про­ ницаемости, плотности окружающей среды и пр. Именно поэтому происходит электризация также при контакте тел одинаковой хи­ мической природы.

Согласно Харперу [333], М. М. Бредову и И. 3. Кшемянской [16], И. М. Имянитову [59] и др., величина зарядов определяется усло­ виями, существующими в момент разрыва контакта. При контакте происходит обмен электронами и ионами между телами до тех пор, пока не наступает термодинамическое и электростатическое равно­ весие, которому будет соответствовать разность потенциалов,

172

равная контактной разности потенциалов. При быстром разрыве контакта происходит нарушение термодинамического равновесия, которое вызывает возникновение некоторой разности потенциалов, зависящей от общей емкости тел в новом положении и зарядов, образовавшихся при контакте и не успевших стечь.

Если считать, что расстояние, на котором прекращается обмен зарядами между плохо проводящими телами, при разрыве кон­ такта имеет порядок ІО-8—-ІО-9 м (И. М. Имянитов [59]) и что от­ носительная скорость их движения после контакта лежит в преде­ лах 10_|—10 м/с, то время, необходимое для разлета их на такое расстояние, оказывается равным ІО-7—10_|° с. Для льда на осно­ вании (51) было получено время, 'необходимое для растекания за­ ряда в случае постоянного поля, т~10-2 с (см. стр. 168), величина, на много порядков превышающая время разлета тел. Но при раз­ лете происходит быстрое изменение напряженности поля в зазоре между телами, т. е. поле является не постоянным, а переменным. Для высокочастотных электрических полей при Ѳ= —10° С можно принять для льда е~3- ІО-11 Ф/ми%=2> Ю-5 См/м. Тогда т«П0-6 с, т. е. по крайней мере на порядок больше времени разлета тел. На основании этой оценки можно считать, что для случая соударения ледяных частиц требование, чтобы заряды за время разлета тел не успели стечь с места образования, полностью выполняется.

После разъединения тел термодинамическое равновесие восста­ новится по отношению к среде, в которой находятся тела. В ко­ нечном счете между поверхностями этих тел установится разность потенциалов, равная разности работ выхода электронов и ионов. При разрыве контакта до расхождения тел на такое расстояние, при котором прекращается перенос зарядов с одного тела на дру­ гое, осуществляется перенос электронов в зазоре за счет газового разряда или туннельного эффекта.

При соприкосновении двух частиц с разной химической при­ родой в месте контакта устанавливается разность потенциалов 1/к, которая зависит от работы выхода электронов Ѵ\ и Ѵ2. В случае диэлектриков поле зарядов будет проникать на некоторую глубину под поверхность частиц, зависящую от их свойств, и для каждой частицы установится некоторая разность между потенциалами на

реход электронов из одной частицы в другую, поле которых ском­ пенсирует эту разность потенциалов. В случае соприкосновения металлических частиц, у которых поле практически не проникает внутрь тел, U\ ~ U2 = 0 и Ѵк= Ѵ\ — Ѵ2.

Если предположить, что частицы соприкасаются в пределах не­ которой площади 5 и расстояние между ними в среднем равно d, тогда заряд в плоском конденсаторе емкостью С]2, компенсирую­

173

Вследствие утечек заряд будет меньше на величину, определяе­ мую временем релаксации т и длительностью контакта t:

Существование линейной зависимости между зарядом и кон­ тактной разностью потенциалов для контакта металл—металл и ме­ талл— полупроводник было установлено в экспериментах Харпера [333], М. М. Бредова и И. 3. Кдпемянской [16].

И. М. Имянитов [62] рассмотрел вопрос о равновесном заряде, который должна получить проводящая сфера радиусом R при со­ ударении со сферическими частицами радиусом г. Уравнением за­ ряжания сферы будет

разрядки за счет соударения с частицами и за счет проводимости воздуха соответственно. В результате Имянитов получил, что

целого ряда обстоятельств (состояния поверхности в разных точках сферы, некоторого различия в примесях в частицах, угла и ско­ рости соударения и т. п.), заряд сферы определяется как некоторая средняя величина. Согласно Л. С. Мордовиной [118],

174

по электризации стальной сферы при соударениях со стальными шариками [70].

В природных условиях при электризации частиц в облаках трудно представить случаи «чистого» контакта ледяных частиц, без трения. Вследствие этого условия электризации должны сильно из­ меняться, так как при трении возникают многочисленные, быстро протекающие контакты частиц в отдельных соприкасающихся точ­ ках и, кроме того, наблюдается разрушение поверхностного слоя в этих точках. Оба эффекта должны приводить к электризации тру­

поводу можно высказать только самые общие предположения. Так, рассматриваемые эффекты моіут иметь как одинаковое, так и противоположное направление, что, по-видимому, зависит от свойств частиц льда. Если в процессе трения изменятся свойства частиц льда, то можно ожидать изменения как степени, так и знака их электризации.

Необходимо отметить, что контакт и трение частиц льда, про­ исходящие при температурах, не очень отличающихся от 0° С, имеют особенности, не свойственные твердым телам другой хими­ ческой природы. При трении ледяных частиц в месте соприкоснове­ ния происходит выделение тепла за счет механической энергии, которое может привести к плавлению тончайших слоев льда с об­ разованием прослойки жидкой воды. Этим пытаются объяснить уменьшение коэффициента трения при скольжении по льду. Из многочисленных опытов было установлено, что при увеличении дав­ ления на 1 атм происходит понижение температуры плавления при­ мерно на 0,0075° С. На этом основании можно полагать, что вряд ли давление при трении или контакте ледяных частиц играет су­ щественную роль при низких температурах. При температурах, близких к 0° С, этот эффект, возможно, играет какую-то роль, осо­ бенно из-за того, что при трении тел площадь действительного со­ прикосновения значительно меньше общей площади, охватывающей все точки их соприкосновения, вследствие шероховатости поверх­ ностей. При контакте без трения будет отсутствовать выделение тепла за счет трения одного тела о другое, тогда как давление од­ ного тела на другое сохраняется. Следовательно, отличия могут за­ ключаться в том, что при контакте интенсивность образования слоя меньше, чем при трении.

На электризацию ледяных частиц будет также оказывать влия­ ние агдезия, которая в случае образования жидкого слоя должна быть вообще велика, особенно при его замерзании, приводящем к смерзанию частиц. При разрушении смерзшегося ледяного слоя также должна происходить электризация частиц.

Исследования электризации при трении твердых тел или частиц имеют наиболее длинную историю, начавшуюся, по-видимому, в то время, когда было установлено, что при натирании янтаря появ­ ляются электрические силы. Вместе с тем трудно себе представить

175