Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

более сложную и капризную область исследований, чем электриза­ ция трением. Уже давно обнаружилось, что как знак, так и интен­ сивность электризации зависят от многих причин: химического со­ става вещества, свойств поверхности, механического напряжения, температуры, влажности воздуха и т. п. Поэтому неудивительно, что исследования электризации при трении льда или ледяных частиц были начаты только в XX в., когда выяснилось, что многие электрические явления в атмосфере происходят при участии ледя­ ных частиц. В табл. 40 приведены результаты качественных опы­ тов по электризации при трении ледяных частиц и тел.

Как следует из табл. 40, при трении ледяных частиц о поверх­ ность ледяных тел первые, как правило, электризуются отрица­ тельно, а вторые — положительно. Однако этих данных совершенно недостаточно для описания процессов электризации при контакте и трении ледяных частиц. Именно поэтому в течение последних двух десятилетий было выполнено значительное число исследова­ ний, в которых обращалось особое внимание на количественные характеристики условий экспериментов по электризации при кон­ такте и трении ледяных частиц. Остановимся сперва на исследова­ ниях электризации при контакте.

Брук [244] изучал электризацию при контакте лед—лед, когда трение было почти полностью исключено. Было получено, что при контакте образуется разность потенциалов, зависящая от разности температур ледяных тел, причем при перемене знака разности температур происходило соответственное изменение знака раз­ ности потенциалов. Более нагретое ледяное тело приобретало от­

176

рицательный потенциал по отношению к более холодному. Обнару­ жилось, что величина разности потенциалов зависит от скорости разрыва контакта и чем больше скорость, тем больше разность по­ тенциалов. Брук объясняет это явление уменьшением емкости в разрывном промежутке в процессе разрыва контакта и соответст­ вующим ростом разности потенциалов. Обращение знака разности потенциалов для чистого льда происходило при разности темпера­ тур около ДѲ = 0°С. Если же одно из ледяных тел состояло из раствора ІО-4 N NaCI, то изменение полярности смещалось к ДѲ = = —4° С. Брук считает, что существуют два основных фактора, ко­

съ /0‘ 8 Кл/м’

Рис. 51. Зависимость плотности а поверхностного заряда от времени t контакта .между частицами льда. По Лезему и Мейсону [380].

торые обусловливают процесс электризации при контакте лед—лед: 1) электропроводность льда, обеспечиваемая механизмом протон­ ного переноса, и 2) «пироэлектрический эффект второго порядка», который заключается в том, что в ледяном кристалле вследствие температурного градиента появляется индуцированный дипольный момент. В результате происходит объемная и поверхностная поля­ ризация. Этот эффект, комбинируясь с протонной проводимостью, позволяет объяснить результаты экспериментов. Необходимо отме­ тить, что, согласно Воркмену и др. [585], действие примесей такого рода, как щелочные галоиды, сказывается на увеличении проводи­ мости льда за счет того, что примесные ионы понижают энергию активации протонов. Тем самым обеспечивается увеличение протонной проводимости льда.

Лезем и Мейсон [380] развили теорию электризации при кон­ такте двух кусков льда с разной температурой, например Ѳі и Ѳ2. Они получили, что плотность поверхностного заряда а зависит от длительности контакта t (рис. 51). Максимальное значение заряда дается выражением

для tfmax = 8,5 • 10~3 с (сгщах в Кл/м2). Если время контакта нена­ много превышает ІО"2 с (рис. 51), то можно получить значитель­ ные заряды, зависящие от разности температур кусков льда, всту­ пающих в контакт.

Лезем и Мейсон [380] поставили ряд экспериментов для про­ верки своей теории. Они измеряли заряд, образующийся при сопри­ косновении двух кусков льда толщиной 0,5 мм с заданным време­ нем контакта от 0,2 до 70 с. Существовала также возможность про­ водить опыты при времени контакта ІО-2 с. Результаты измерений хорошо согласуются с вычислениями. При большом времени кон­ такта наблюдалось уменьшение заряда, однако более значитель­ ное, чем вытекало из вычислений. Лезем и Мейсон считают, что причиной этого могут быть конечные размеры ледяных образцов. В согласии в Бруком [244] было получено, что если образец льда, изготовленный из раствора NaCl, был теплее, чем образец из ди­ стиллированной воды, то возникал больший заряд, чем для двух образцов из дистиллированной воды при той же разности темпера­ тур. Однако если качественно результаты опытов Лезема и Мей­ сона [380] совпадали с результатами Брука [244], то количественно они не соответствовали друг другу: заряды по крайней мере на по­ рядок оказались меньше.

Столь значительное несоответствие между опытами Лезема и Мейсона [380], с одной стороны, и Брука [244] — с другой, требует объяснения, поскольку результаты обеих работ представляют боль­ шой интерес. Так как не приходится сомневаться в высоком ка­ честве выполнения экспериментов, то, надо полагать, наблюдаемое несоответствие происходит вследствие различий в условиях прове­ дения этих экспериментов, которые можно усмотреть в особенно­ стях осуществления контакта ледяных поверхностей. У Лезема и Мейсона [380] один кусок льда был неподвижным, жестко закреп­ ленным, а другой — подвижным; последний специальным устрой­ ством подавался вперед до наступления контакта. В этом случае контакт был «жестким». В установке же Брука [244] неподвижный кусок льда подвешивался на нити, и поэтому при соударении его с подвижным куском льда контакт вряд лц был жестким, так как под действием удара кусок льда на нити отскакивал. Длительность и площадь контакта должны быть в этом случае меньшими. По­ этому возможность утечки зарядов при разрыве контакта в опытах Брука меньше, чем у Лезема и Мейсона. По-видимому, вследствие этого заряды, полученные Бруком, оказались значительно больше, чем у Лезема и Мейсона. На результатах экспериментов должны были также сказаться различия в форме и составе льда, которые влияют на степень электризации.

Хатчинсон [341], Эванс и Хатчинсон [294] пытались получить величину заряда, который разделялся при соприкосновении ледя­ ных кристаллов, образовавшихся в результате сублимации. Время контакта могло изменяться от 0,2 до 0,5 с, площадь соприкоснове­ ния— от 0,2 до 2 мм2, разность температур кристаллов — от 0 до 14°С. Хотя чувствительность установки была около 2 -ІО“14 Кл,

178

даже при максимальной разности температур контактирующих ле­ дяных кристаллов заряжение не обнаруживалось.

Рассмотренные экспериментальные исследования электризации при контакте ледяных частиц дают качественное подтверждение градиентной теории электризации Лезема и Мейсона. Так как эта теория не учитывала влияния ионов примесей на протонную элект­ ропроводность льда, то в дальнейшем Джакард [347] разработал более полную теорию. Экспериментальная проверка этой теории, осуществленная Брайантом и Флетчером [253] и др., позволяет счи­ тать, что в общем получено подтверждение теории. Несоответствия между вычислениями и экспериментальными данными для льда с примесями необходимо отнести за счет трудностей в получении достоверных экспериментальных данных, а также за счет того, что ряд констант, входящих в уравнения, известен с недостаточной точностью.

Если обратиться к исследованиям электризации при трении ледяных частиц, то сразу же обнаруживается чрезвычайно большое разнообразие в условиях экспериментов (табл. 41), что в значи­ тельной степени затрудняет их анализ.

Согласно табл. 41, если температура тела выше температуры ледяных частиц, то заряды частиц, как правило, положительные, что согласуется с градиентной теорией. Вместе с тем некоторые эксперименты находятся в противоречии с этой теорией — заряды появляются при отсутствии разности между температурами тела и частиц. Наблюдается также огромное различие между получен­ ными из разных экспериментов величинами зарядов, образующихся при единичном соударении ледяной частицы с телом. В связи со столь разнообразными результатами представляет интерес привести некоторые подробности этих экспериментов, а также экспериментов, которые по различным причинам не вошли в табл. 41.

Лезем и Стоу [389] в лаборатории прогоняли поток ледяных частиц по снежной поверхности. Они получили, что степень элект­ ризации увеличивалась с увеличением разности температур ледя­ ные кристаллы — снежная поверхность и с увеличением скорости потока. С увеличением влажности воздуха происходило уменьшение степени электризации. В потоке были обнаружены ионы обоих знаков; концентрация положительных ионов составила 4,6-ІО9 м-3,

аотрицательных 4,8- 10® м_3, т. е. оказалась весьма большой.

Вопытах Лезема и Мейсона [380] происходило множество со­ ударений ледяных кристаллов с ледяным цилиндром. Они полу­ чили, что величина зарядов была линейной функцией от разности температур цилиндра и кристаллов. При температурах около 0° С кристаллы начинали прилипать к поверхности цилиндра. Если лед цилиндра изготовлялся из раствора NaCl с концентрацией, соот­ ветствующей содержанию NaCl в дождевой воде, то заряжение происходило так, как будто температура льда повышалась на 2° С.

Чарч (см. в [342]) исследовал электризацию при соударении ледяных кристаллов с пробным ледяным телом. При увеличении скорости соударения от 20 до 60 м/с заряжение увеличивалось