Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

стандартными отклонениями скорости роста слоя льда и темпера­ туры, не превышала 10—15% средних величин. Было получено, что максимальная разность потенциалов между льдом и раствором является однозначной функцией pH (рис. 53). Обнаружилось, что максимальная разность потенциалов наибольшая для равновесной дистиллированной воды, а для значений pH, больших или меньших 6,1, она меньше. Необходимо, однако, отметить, что полученные результаты несколько противоречат выводу Имянитова и Мордови­ ной [69] относительно того, что максимальная разность потенциалов при кристаллизации раствора данного вещества является функцией

ѵв

только от его концентрации. Возможно, результаты, полученные Качуриным и др. [83], обусловлены тем, что между pH и концент­ рацией ионов имеется некоторая связь.

Все описанные выше исследования по электризации при замер­ зании слабых водных растворов выполнялись при сравнительно ма­ лых скоростях кристаллизации — порядка ІО- 4—ІО-6 м/с. Такие скорости кристаллизации обусловливаются в первую очередь усло­ виями отвода тепла от фронта кристаллизации. В ряде случаев кристаллизация может происходить при быстром оттоке тепла и ее скорость может быть на 2—3 порядка выше, т. е. ІО-2 м/с. А. Д. Малкина и Е. Г. Зак [112] обнаружили, что при сильном пе­ реохлаждении капли замерзают с поверхности, а затем кристалли­ зация быстро распространяется внутрь. Карт [258] наблюдал про­ растание дендритов в капле радиусом 1 мм, замерзающей на по­ верхности алюминиевой пластинки при —20°С со скоростью

5 • ІО-2 м/с.

Халлет [331] исследовал процесс кристаллизации в объемах воды около 1 см3 при температурах до —20° С. Кристаллизация

190

производилась кристаллами, соответственно ориентированными по кристаллографическим осям. Халлет обнаружил, что кристаллиза­ ция является трехмерным процессом. При —10° С скорость крис­ таллизации в направлении оси а ( и ^ 5 - Ю ~ 2 м/с) примерно в 100 раз больше скорости в направлении оси с, а при —16°С эти ско­ рости становятся сравнимыми. Пруппахер [476] исследовал ско­ рость линейной кристаллизации в горизонтальных полиэтиленовых трубках и каплях радиусом 0,5—1 см. При —5° С скорость кристал­ лизации составляла около 2 -ІО-2 м/с, а при —10° С почти 8 - 10-2 м/с. Он обнаружил, что скорость кристаллизации дистилли­ рованной воды и растворов с концентрацией ІО- 5—ІО-3 М одинако­ вая. Маклин и Райан [409] изучали процесс замерзания трижды дистиллированной воды. При малых переохлаждениях скорость роста кристалла в направлении оси с мала по сравнению со ско­ ростью роста в плоскости оси а. В этом случае образуется покров из дендритных кристаллов. Если же степень переохлаждения уве­ личивается, то вместе с тем увеличивается и скорость роста в на­ правлениях, параллельных оси с.

Пруппахер и др. [477] исследовали электризацию при больших

положительную разность потенциалов по отношению ко льду, за ис­ ключением солей аммония и раствора NH4F. По-видимому, ионы NH^ легче внедряются в лед, чем F-. В этих опытах максимальные

разности потенциалов оказались значительно ниже, чем в опытах с малой скоростью кристаллизации, и в общем не превышали 10 В. Почти немедленно после начала кристаллизации происходил бы­ стрый рост разности потенциалов, занимавший, как правило, мень­ ше 1 с. Авторы [477] считают, что этот первый этап процесса заклю­ чается в покрытии электрода льдом и во внедрении в последний ионов. Затем начинается быстрое прорастание ледяных дендритов в раствор и образование смеси раствора с ледяными кристаллами, которые имеют один знак зарядов, а раствор — противоположный. В результате происходит изменение разности потенциалов, иногда весьма значительное. Необходимо отметить, что еще Воркмен и Рейнольдс [584] обнаружили, что при сильном переохлаждении воды и случайной ориентации кристаллов наблюдается малый электрический эффект. Согласно опытам Пруппахера и др. [477], при быстром замерзании раствора NaF выделяется удельный заряд 3-10' 3 Кл/кг, тогда как для медленного замерзания Воркмен и Рейнольдс приводят значение 1,8-10_1 Кл/кг. Воркмен [581] в уста­ новке, в которой обеспечивалась большая теплоотдача, добился большой скорости кристаллизации растворов. Наибольший удель­ ный заряд, который ему удалось измерить, составил 6,6 - ІО-5 Кл/кг.

Эксперименты Вейкмана и Кампе [565] подтверждают резуль­ таты исследований электризации при замерзании слабых растворов. Струя капелек при температуре воздуха —5 или —12 °С со скоро­ стью от 5 до 15 м/с направлялась на металлический стержень, вследствие чего на нем образовывался стекловидный лед. Размеры

191

капелек и водность в струе соответствовали наблюдаемым в кучево­ дождевых облаках. В опытах с дистиллированной и питьевой водой и различными растворами Вейкман и Кампе получали такое же распределение знаков зарядов между твердой и жидкой фазами, какое наблюдалось при элеюризации замерзающих растворов. Надо, однако, полагать, что, кроме эффекта электризации за счет частичного намерзания льда на стержне, должна была проявляться также электризация при вырывании ледяных осколков из поверхно­ сти замерзающих капелек. Скорость электризации при скорости потока капелек 15 м/с оказалась равной 5- ІО-8 Кл/м2. Интересно, что при очень сильном переохлаждении капелек электризация практически не обнаруживалась.

Рейтер [481] исследовал электризацию при соударении пере­ охлажденных капель воды различной концентрации ионов N 0'

с быстро вращающимися ледяными шарами. При увеличении кон­ центрации N03' от 2-10-6 до 2 - ІО-4 М происходит увеличение

электризации до максимума, а затем при дальнейшем увеличении концентрации степень электризации убывает. При этом максималь­ ное увеличение степени электризации превышает таковую для чистой воды примерно в 3,5 раза.

Из приведенных выше экспериментов следует, что между жидко­ стью и твердой фазой, образующейся в процессе замерзания слабых растворов, возникает некоторая разность потенциалов, зависящая как от особенностей растворенного вещества, так и от скорости кристаллизации. Для определения заряда, который может быть унесен при отрывании капли, нельзя, как указывалось выше, исхо­ дить из удельного заряда, разделяющегося при кристаллизации растворов. На величину заряда будут влиять разность потенциалов между жидкой и твердой фазами раствора и условия отрывания капли. Если рассматривать эту разность потенциалов как контакт­ ную, а отрывание частицы как разрыв контакта, то заряд будет определяться выражением типа (63). В случае многократного отры­ вания капелек от ледяной сферы ее заряд можно определить на основании формулы (67).

3.1.5. Электризация при разрушении замерзающих капель воды

А. Д. Малкина и Е. Г. Зак[112] высказали соображение, что при взрывании замерзающих капель должны возникать электрические заряды. Этот эффект электризации был почти одновременно и неза­

и в ряде случаев записывались осциллографом. Большие заряды обнаруживались только при взрывах кристаллизующихся капель. При замерзании капель дистиллированной воды радиусом 0,1 —1мм осколки уносят преимущественно отрицательный заряд, в сред­ нем равный 4 *ІО-12 Кл. Средний положительный заряд осколков

192

2 - ІО-12 Кл. Частота образования положительных и отрицательных зарядов примерно одинаковая. Максимальные заряды оказались равными —3 *10-11 и 1,5-ІО-11 Кл. В большинстве случаев отрица­ тельный заряд соответствовал такому разрушению, при котором остаток капли, заряд которого измерялся, составлял меньшую часть капли; и наоборот, в случаях положительных зарядов остаток со­ ставлял большую часть капли. Совпадения такого рода составили 41% случаев, несовпадения — 23%, в остальных 36% случаев капля разлеталась на две почти равные части (В. И. Бекряев [12]). Как отмечает Бекряев, в процессе опыта капли интенсивно насыщаются углекислым газом, что должно сказываться на степени их электри­ зации. Он не обнаружил какой-либо явной зависимости величины зарядов от размеров капель в пределах радиусов 0,2—1 мм. Элек­ тризация при взрывании капель раствора N aO H cpH = 9,2 дала меньшие максимальные заряды: —9,2- ІО-12 и 7,9-10-12 Кл.

Рис. 54. Осциллограмма образования зарядов при взрывании замерзающей капли. По Л. Г. Качурииу и В. И. Бекряеву [81].

Представляют интерес исследования Качуриным и Бекряевым [81] временного хода образования заряда при взрывании капель. Продолжительность взрыва и процесса образования заряда состав­ ляет несколько сотых долей секунды, при этом отделяются частицы, несущие как отрицательные, так и положительные заряды (рис. 54). Положительные заряды образуются за весьма малое время, скач­ ками (пики 2, 3, 4), тогда как отрицательные нарастают сравни­ тельно плавно. По мнению авторов [81], образование положительных зарядов на оставшейся части капли обусловлено тем, что при взрыве отделяется значительная часть льда, которая уносит с собой большой отрицательный заряд. Затем происходит исторжение части воды в виде струйки капелек, несущих положительные заряды. Длительность этого процесса несколько больше продолжительности первого процесса. Непосредственно перед моментом взрыва капли и образования основного заряда почти всегда наблюдается образо­ вание небольшого положительного заряда (пик 1). Причиной воз­ никновения этого заряда авторы считают мельчайшие ледяные осколки, которые вырываются из поверхности замерзающей капли до момента взрыва, унося отрицательные заряды.

Мейсон и Мейбенк [431] измеряли заряды укрепленных на под­ веске взрывающихся капель из бидистиллнрованной воды с электро­ проводностью около 6 -ІО-5 См/м и из растворов NaCl (табл. 42).

По их данным, частота образования отрицательных осколков более чем в 2 раза превышала частоту образования положительных и отрицательные заряды в большинстве случаев наблюдались, когда на подвеске оставалась большая часть замерзшей капли; это противоречит данным Качурина и Бекряева. Величина зарядов, по­ лученных авторами [431], оказалась на порядок меньше, чем у Качу­ рина и Бекряева. Так, средний заряд оказался равным 2,8- 10_13Кл, максимальный заряд 2,4-ІО-12 Кл. Из табл. 42 следует, чтоб пределах диаметров 0,35—1 мм размеры капель не влияют на обра­ зование зарядов. Причиной такого расхождения в величинах заря­ дов Бекряев считает особенности метода измерений. При значитель­ ном понижении температуры переохлаждения величина зарядов несколько уменьшается. Слабые концентрации растворов, до 10~4N, не оказывают заметного влияния иа величину зарядов, тогда как большие концентрации, порядка 10~2N и выше, приводят к умень­ шению как скорости разрушения капель, так и величины зарядов. Результаты измерений Мучника и Рудько зарядов при разрушении капель дистиллированной воды радиусом 1 —1,5 мм, ’подвешенных на нити в холодильной камере при температурах от —10 до —40° С, согласуются с данными Качурина и Бекряева. Обнаруживались заряды обоих знаков в пределах ІО- 12—7,9-10-11 Кл.

Т а б л и ц а 42

Электризация разрушающихся капель при замерзании. По Мейсону и Мейбенку [431]

194