Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Анализ исследований электризации при контакте и трении ле­ дяных частиц приводит к выводу, что степень и знак электризации зависят от весьма большого числа факторов. Вследствие много­ образия факторов чрезвычайно трудно контролировать условия опытов и установить значение каждого из них, что необходимо для развития количественной теории электризации ледяных частиц при трении.

Следует, однако, отметить, что в грозовых облаках процессы соударения сухих частиц льда при отсутствии переохлажденных капелек могут происходить только в верхних частях наковален и, по-видимому, электризация за счет таких процессов играет срав­ нительно скромную роль в образовании основных заряженных областей. Значительно более существенную роль должна играть электризация при соударении ледяных частиц в смеси с переохлаж­ денными капельками, что может иметь место во всей толще облака выше уровня изотермы 0еС.

3.1.4. Электризация при замерзании воды и ее растворов

При соприкосновении двух тел, состоящих из различных ве­ ществ либо из одного вещества, но в разных фазах, в частности воды и льда, на их границе возникает двойной электрический слой. Можно ожидать, что, вследствие различий в подвижности ионов разных видов в воде и во льду, при замерзании воды будет проис­ ходить сепарация ионов, а в результате — электризация воды и льда. Такое представление было выдвинуто Воркменом и Рейнольд­ сом [584], которые наблюдали электризацию при замерзании сла­ бых растворов воды. Еще до них это явление наблюдали Динджер и Ганн [281]. Они, так же как Воркмен и Рейнольдс, для измерения разности потенциалов устанавливали один электрод в воде, а дру­ гой— во льду. Даже при использовании дистиллированной воды высокой очистки разность потенциалов оказалась сравнительно большой (6—10 В), но авторы [281] не придали этому явлению ка­ кого-либо самостоятельного значения.

Разделение электричества при преобразовании фаз свойственно не только водным раствором. Еще в 1942 г. Рибейро [488] уста­ новил, что при затвердевании органических диэлектриков (пара­ фина, нафталина, карнаубского воска) наблюдается электризация. Азума и Каметани [219] показали, что при кристаллизации таких веществ, как NaCl, KCl и др., появляются электрические заряды.

Воркмен и Рейнольдс сбрасывали капли воды на сильно охлаж­ денную металлическую поверхность. При замерзании капель между жидкой и твердой фазами воды устанавливалась большая разность потенциалов, которую они приписывали целиком процессу замерза­ ния воды. Вода в этих опытах приобретала отрицательный заряд. Основные опыты Воркмен и Рейнольдс [584] выполнили на уста­ новке, в которой для замораживания раствора в кювете исполь­ зовался массивный медный блок, поддерживаемый при постоянной температуре от —5 до —30° С. До тех пор пока вода намерзала,

186

разность потенциалов раствор—лед сохранялась неизменной. При замерзании бидистиллированной воды обнаруживался отрицатель­ ный потенциал — 60 В по отношению ко льду. Воркмен и Рейнольдс установили, что электризация при замерзании слабых растворов зависит как от вида электролита, так и от его концентрации. На­ пример, при замерзании солей аммония обнаруживались значитель­ ные разности потенциалов лед—раствор, причем вода приобретала отрицательный потенциал по отношению ко льду. Например, при замерзании раствора NH4OH с концентрацией 3-10_5N между льдом и раствором устанавливалась разность потенциалов, дости­ гавшая 232 В. Растворы хлоридов и бромидов щелочей вели себя противоположным образом: они получали положительные потен­ циалы по отношению ко льду. Особый интерес представляют раст­ воры NaCl, так как это вещество всегда встречается в дождевой воде. При замерзании раствора 10_4N NaCl обнаружилась раз­ ность потенциалов 30 В. Воркмен и Рейнольдс получили, что при замерзании 1 кг раствора 3- 10~5N NH4OH должно произойти раз­ деление зарядов около 8,6-ІО-2 Кл, а раствора 10~4N NaCl 3-10-2 Кл.

Метод определения удельного заряда заключается в измерении тока, текущего в цепи между твердой и жидкой фазами, и его ин­ тегрировании по времени. В результате получаются чрезвычайно большие значения заряда, которые, однако, не дают представления о зарядах, разделяемых в естественных условиях. Даже при боль­ шой скорости кристаллизации для получения 1 г льда требуется несколько секунд, тогда как процесс отрыва воды ото льда зани­ мает время, на несколько порядков меньшее. А ведь именно это время, если еще не меньшее, необходимо учесть при расчете обра­ зования заряда при разделении льда и жидкого раствора; надо также принять во внимание, что часть заряда будет непрерывно нейтрализоваться благодаря утечкам, поскольку система лед— раствор является замкнутой до момента разрыва связи между ними.

Результаты исследований Воркмена и Рейнольдса были под­ тверждены, в частности, Шефером [503] для ряда веществ и воды из Атлантического океана. Электризация при замерзании оказалась, весьма чувствительной к концентрации. Так, даже при слабом по­ вышении концентрации NaCl выше 10_4N разность потенциалов быстро уменьшалась до нуля. Шефер получил, что при замерза­ нии сравнительно чистой морской воды (б-ІСММ)1 электризация не наблюдается. Исследования со сложными составами растворов показали, что в ряде случаев может происходить компенсация электризации, вызываемой одними веществами, электризацией при замерзании противоположно действующих веществ. Прибавление к раствору 5-10~3N N H 4 OH раствора 10~5N NaCl привело к тому,, что при замерзании раствора разность потенциалов вода—лед не обнаруживались.

1 М — молярная концентрация растворов.

187'

Природа образования разности потенциалов при замерзании ■слабых растворов еще недостаточно выяснена. Безусловно, основ­ ную роль в этом явлении играют примесные ноны и, возможно, процессы в двойном электрическом слое на границе вода—лед.

Так как двойной электрический слой характеризуется сравни­ тельно небольшим скачком потенциала (доли вольта), он не может быть непосредственно ответствен за разности потенциалов на гра­

лед—раствор, а структурные изменения при преобразовании фаз. Согласно современным представлениям о строении воды в жидкой фазе, при температурах, близких к точке замерзания, образуются комплексы молекул — жидкие кристаллы, которые имеют значи­ тельно большие электрические моменты, чем отдельная молекула. Существование таких комплексов было экспериментально подтвер­ ждено Лебом и др. [401]. В двойном электрическом слое, создан­ ном жидкими кристаллами на границе раздела лед—раствор, ска­ чок потенциала может быть значительно больше, чем в двойном слое на поверхности раздела раствор—воздух.

На условия внедрения ионов из жидкости в решетку водяных кристаллов должны также оказывать влияние условия роста самих кристаллов. Энергия, необходимая иону для того, чтобы, преодолев потенциальный барьер, из раствора перейти в лед, примерно на 3 порядка больше тепловой энергии молекулы, выделяющейся при ее «укреплении» в ледяном кристалле. Поэтому рост ледяного крис­ талла за счет присоединения молекул должен происходить легче, чем внедрение в решетку иона. Реет кристалла и дает, по-видн- мому, возможность иону преодолеть потенциальный барьер, так как при этом происходит глубокое проникновение электрического поля в жидкость по цепи ориентированных молекул воды.

Гилл и Олфри [307] считают, что на границе между льдом и раствором возникает двойной электрический слой с положительным зарядом во льду и отрйцательным в растворе. При намерзании очередного слоя происходит обновление электрического слоя с тем же распределением зарядов, но скачок потенциала в нем несколько меньше, чем в предыдущем слое, из-за утечки положительных за­ рядов. Вместе с тем общий заряд во льду (плюс) и в растворе (минус) увеличивается, пока не достигнет некоторого равновесного значения. Из этой теории следѵет, что с увеличением скорости на­ мерзания должна увеличиваться скорость образования зарядов. Гилл [306] установил, что при увеличении скорости роста льда вдвое происходило заметное увеличение разности потенциалов.

Обнаруженная Гиллом зависимость была подтверждена Л. Г. Качуриным и др. [83] для дистиллированной воды, находя­ щейся в равновесии с атмосферным воздухом. Такую воду можно рассматривать как весьма слабый раствор с рН«6,1. Было полу­ чено, что существует практически линейная зависимость разности потенциалов от скорости намерзания льда в пределах до 2- 10~5 м/с.

188

В работе [83] была обнаружена зависимость величины разности по­ тенциалов от содержания газов в воде. При образовании прозрач­ ного льда разность потенциалов была наибольшей, полупрозрач­ ного льда — меньше, матового льда — еще меньше.

И. М. Имянитов и Л. С. Мордовина [69] пытались объяснить большие значения разности потенциалов на границе лед—вода при кристаллизации растворов исходя из представления, что эффект Воркмена—Рейнольдса обусловливается контактной разностью по­ тенциалов. Авторы [69] пришли к выводу, что на основании урав­ нения (64) можно объяснить большие разности потенциалов (по­ рядка 10—ІО2 В), которые наблюдаются в экспериментах, если учесть скорость движения фронта кристаллизации и время релак­ сации электрических процессов во льду.

В начальный момент времени на границе вода—лед образуется двойной электрический слой с разностью потенциалов

время релаксации электрических процессов во льду, то в системе лед—вода образуется некоторая толщина льда их с емкостью

Авторы [69] на основании оценок считают, что это отношение лежит в пределах ІО2—ІО3. Если умножить числитель и знаменатель (72) на о/4яе, то окажется, что У /ф = С /С Эф = 103-^ ІО4. Здесь V — потен­ циал на границе лед—вода, который образуется после перемеще­ ния фронта кристаллизации воды на расстояние их. Так как ср обычно имеет значения от десятков до сотен милливольт, то V, если учитывать, потери вследствие электропроводности льда, может составлять десятки и сотни вольт. Интересно, что формально тео­ рия Гилла и Олфри приводит к тем же результатам, что и теория Имянитова и Мордовиной.

Рассмотрение значительного числа различных веществ, раст­ воры которых в воде при замерзании приводят к электризации, не обнаружило какой-либо системы. Одной из причин этого было не­ достаточное внимание к условиям воспроизводимости, в которых протекали опыты. Сказывались различия в воде,, температуре, чи­ стоте растворяемых веществ, скорости роста льда и т. п. Качурин и др. [83] обратили особое внимание на влияние условий экспери­ мента на процесс электризации. В частности, в качестве раствори­ теля они все время использовали дистиллированную воду, нахо­ дящуюся в равновесии с атмосферным воздухом. Изменчивость режимов замерзания в отдельных опытах, характеризуемая

189