Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

нии капель с почвой и водной поверхностью, таянии градин и выры­ вании "из них пузырькм'Боздуха,"вырывании воздушных пузырьков из водной поверхности, соударении градин и ледяной крупы с круп­ ными каплями, таянии градин и отрывании от них капель.

Пытаясь объяснить баллоэлектрический эффект, Ленард [391] предполагал, что на поверхности воды существует двойной электри­ ческий слой, одна из обкладок которого, а именно отрицательная, находится в воздухе. В дальнейшем Ленард [393] пришел к выводу, что двойной электрический слой полностью расположен в поверх­ ностном слое воды толщиной порядка ІО“ 2 мкм. Внешняя обкладка отрицательная, а внутренняя — положительная. Если при разрушении слоя происходит образование капелек размером меньше ІО-2 мкм,

'то они должны иметь отрицательнь?£._зарядьц если~же образу­ ются капли большего размера, то они должны быть нейтральными.

Я. И. Френкель [186], согласно [304а], принял во внимание, что вода — полярная жидкость, у которой молекулы являются диполями. На поверхности воды отрицательные концы дипольных молекул выходят наружу, в результате чего образуется двойной электрический слой. Скачок потенциала для чистой воды в слое

руют отрицательные заряды. Непосредственно под поверхностью будет существовать положительно заряженный слой, представлен­ ный концами молекул, повернутыми внутрь воды, и некоторый диф­ фузный слой отрицательных ионов воды. Глубина этого слоя под­ чиняется закону Дебая—Гюккеля и выражается формулой

Если от поверхности капли отрываются капельки, размеры ко­ торых меньше толщины диффузной части двойного электрического слоя, то их заряды должны быть положительными, а сама капля должна приобрести отрицательный заряд. Однако Симпсон [518] lh др. показали, что, наоборот, при разбрызгивании капель чистой воды крупные фрагменты имеют положительный заряд, а легкие ионы, находящиеся в воздухе,— преимущественно отритіятельный. Кроме того, теория Френкеля не может объяснить распределение зарядов, наблюдаемое при катафорезе — явлении, при котором ча­ стицы движутся в . полярной жидкости во внешнем электрическом поле вследствие того, что на границе между частицами и жидко­ стью образуется двойной электрический слой. При этом пузырьки воздуха в воде движутся так, что на них должен быть отрицатель­ ный заряд.

204

Увеличение концентрации ионов должно привести к уменьшению толщиныдиффузного заряженного слоя и уменьшению степени электризации при разбрызгивании капель. Действительно, из опы­ тов Христиансена [265] и др. следует, что даже малые концентрации электролитов значительно уменьшают электризацию. Вместе с тем надо ожидать, что с уменьшением размеров капелек, на которые дробится крупная капля, интенсивность электризации, т. е. количе­ ство зарядов на единицу объема, должна увеличиваться.Подтверж­ дение этого можноПІаТітіГв1-ісследованиях Христиансена [265] и др., которые обнаружили, что с увеличением размеров капелек распы­ ляемой воды происходит усиление баллоэлектрического эффекта.

Если в образовании баллоэлектрического эффекта определяю­ щую роль играет ориентация молекул в поверхности полярных жидкостей, то при изменении их ориентации следует ожидать изме­

небольшого количества мыла (стеарш-ювокислого натрия) приво­ дило к значительному увеличению числа отрицательных ионов.

В. М. Мучник [120] заметил по поводу теории баллоэлектриче­ ского эффекта Френкеля, что из нее вытекает требование, согласно которому все мельчайшие частицы воды (легкие и тяжелые ионы), поступающие в воЗдѵх при дро&леннгГкапель, должны иметьадйнаковы ^знаки. Уже'ііз опытов Симпсона [518], изучавшего баллоэлектрический эффект при разрушении капель чистой воды в верти- калы-юй струе воздуха, следует, что эти капельки могут ДТметь заряды.обоих знаков. В. М. Мучник [124] исследовал знаки зарядов легких и тяжелых ионов, образующихся при дроблении капель воды диаметром около 6 мм в вертикальной воздушной струе.

Как следует из табл. 43, действительно были обнаружены тяже­ лые ионы обоих знаков, причем отрицательных ионов, оказалось больше, чем положительных, что согласуется с данными опытов

Т а б л и ц а 43

Среднее количество легких и тяжелых ионов, образующихся при разрушении одной капли воды. По В. М. Мучнику [124]

205

Симпсона [518] и др. Вместе с тем оказалось, что легкие ионы заряжены только отрицательно. Возможно, что положительные легкие ионы также образовывались, но в небольшом количестве и данным счетчиком не обнаруживались. Вообще, следует заметить, что меха­ низм образования легких ионов при разрушении поверхности воды остается невыясненным. Большинство экспериментов выполнялось в относительно сухом лабораторном воздухе, поэтому возможно, что легкие ионы образовывались за счет испарения мельчайших ка­ пелек, в частности тяжелых ионов.

Экспериментальные исследования показали, что наряду с лег­ кими и тяжелыми ионами, образующимися из двойного электриче­ ского слоя, толщина которого для воды не превышает 10~3 мкм. возникают заряженные капельки диаметром больше 10~3 мкм. Для объяснения их образования необходимо допустить, что они выры­ ваются из толщи воды, лежащей под двойным электрическим слоем. Механизм заряжения капелек в этом случае может быть обеспечен флуктуациями плотности зарядов диссоциированных ионов в рас­ творах. Для одно-одновалентного электролита

где q2 — средний квадратический заряд; N — концентрация диссо­ циированных молекул данного знака; V — объем капельки; е — за­ ряд электрона. Этот вопрос решался Г. Л. Натансоном [147] и др. Согласно (76), заряды должны быть распределены симметрично, по закону Гаусса, и должна существовать линейная зависимость между средним абсолютным зарядом капельки и г3/2 (г — радиус).

Экспериментальная проверка этих закономерностей была выпол­ нена Натансоном [148]. Он определял размеры и заряды капелек распыленного трансформаторного масла. Было получено, что для

капелек размером 1—4,2 мкм отношение q2/V линейно зависело от электропроводности трансформаторного масла. Так как можно счи­ тать, что электропроводность пропорциональна концентрации ионов, то тем самым было подтверждено выражение (76).

Додд [282] выполнил такую же проверку для ряда диэлектриков:

Он, как и Натансон, нашел хорошо выраженную линейную зависи­ мость между средним абсолютным зарядом капелек и квадратным корнем из их объема. Таким образом, получено экспериментальное подтверждение представления о том, что при распылении жидкости капельки диаметром больше 0,1 мкм электризуются вследствие флуктуации плотности ионов.

Можно считать, что баллоэлектрический эффект, наблюдаемый при разрушении капель полярной жидкости, в том числе воды, обусловлен образованием зарядов при разрушении двойного элект­ рического слоя на их поверхности и флуктуациями плотности ионов в толще жидкости. Необходимо, однако, выяснить, каким именно образом происходит разрушение двойного электрического

206

насом и Мейсоном [351]. Они считают, что двойной электрический слой имеет значительную толщину, порядка 1 мкм, и что его внеш­ няя, отрицательно заряженная часть сравнительно малоподвижна, тогда как внутренняя — легкоподвижна. Поэтому под воздействием тока воды под слоем может

устанавливался таким образом, что положительный заряд при

подъеме капилляра его сжатие наступало столь быстро, что поло­ жительный заряд не успевал пройти вверх. В результате основная масса жидкости получала положительный заряд, а уносимая капил­ ляром— отрицательный. Величина зарядов порядка 10-и Кл.

207