Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

раствора NaCl с образованием капелек радиусом 23 и 27 мкм, меньшие капельки приобретали положительные заряды, большие — отрицательные. Авторы [351] полагают, что более крупная капелька играет роль капилляра, поскольку соединительная часть нити у этой капельки вытягивается несколько больше, чему меньшей капельки. При быстром разделении это должно привести к образованию на более крупной капельке отрицательного заряда. Они также полу­ чили, что с увеличением концентрации электролитов в растворе происходит уменьшение интенсивности электризации, причем тип ионов играет сравнительно малую роль, существенна только их концентрация. К таким лее быстрым процессам разделения зарядов Ирибарне и Мейсон [346] относят процессы электризации при раз­ рушении пузырей на поверхности морской воды.

3.1.8. Электризация при спонтанном разрушении капель при падении

В связи с существованием разных типов спонтанного разруше­ ния 1 капель — гантеле- и грибообразного — необходимо определить электризацию капель разных размеров при разной степени их раз­ рушения. К сожалению, несмотря на сравнительно большое число опытов по электризации при разрушении капель воды, имеется очень мало сведений о зависимости электризации от размеров ка­ пель и интенсивности их разрушения.

Первые исследования электризации при разрушении капель воды в вертикальной воздушной струе были выполнены Симпсо­ ном [518]. При разрушении нескольких тысяч капель дистиллиро­ ванной воды диаметром 7,7 мм в вертикальной струе в среднем был получен заряд 1,8-ІО-12 Кл на каплю. Гохшвендер (см. в [394]), повторяя опыты Симпсона с каплями диаметром 4,78 мм, получил средний заряд, равный 0,8 *10~12 Кл. Но эти значения среднего за­ ряда зависят от соотношения числа случаев гантеле- и грибообраз­ ного разрушения капель, так как уже Ленард [394] указал, что при интенсивном грибообразном разрушении капель образуются боль­ шие заряды, а при спокойном разрушении на несколько крупных частей заряды получаются небольшими. Это было подтверждено в опытах В. М! Мучника [124], Ирибарне и Клеменса [345].

Пропуская воздушную струю, в которой происходило разруше­ ние капель, через счетчик легких ионов, Симпсон [518] получил, что, кроме крупных фрагментов, при разрушении капель образуются также легкие ионы. В среднем при разрушении одной капли заряд отрицательных легких ионов равен —1,1 • ІО-12 Кл, а положительных 0,4* 10-12 Кл. Суммарный заряд легких ионов оказался отрицатель­ ным и равным —0,7 • ІО-12 Кл на разрушенную каплю, т. е. он более чем в 2 раза меньше, чем заряд крупных фрагментов капли. Это

1 Самопроизвольное разрушение крупных капель при свободном падении в воздухе.

208

несоответствие объясняется, по-видимому, тем, что счетчик не улав­ ливал тяжелые ионы, которые образуются в большом количестве при разрушении капель (см. табл. 43).

Нолан [460] изучал электризацию капель диаметром около 5 мм при их разрушении в горизонтальной струе воздуха. Скорость гори­ зонтальной струи, которая требуется для разрушения капель, больше, чем скорость вертикальной струи. Нолан получил, что средний заряд капель имеет положительный знак и равен 1,ЗХ ХІО-11 Кл. Увеличение скорости струи приводило к более интенсив­ ному разрушению капель на мелкие фрагменты и соответствен­ ному увеличению степени электризации. При уменьшении разме­ ров фрагментов капель примерно вдвое наблюдалось такое же уве­ личение заряда. Нолан также обнаружил наличие в воздухе отри­ цательных ионов. Данные Нолана были подтверждены Зелени [592], который исследовал электризацию при разрушении капель в гори­ зонтальной струе со скоростью около 20 м/с. Средний заряд на одну каплю оказался равным 6,7 • 10~12 Кл.

Согласно Чепмену (см. [428]), при разрушении капель диамет­ ром 4 мм в вертикальной струе воздуха со скоростью 17,3 м/с по­ лучались весьма большие заряды: 10“ 10 Кл. Но при уменьшении скорости струи до 8 м/с пришлось размеры капель увеличить до таких значений, какие были использованы Симпсоном [518], а за­ ряды оказались того же порядка, что и у Симпсона.

В. М. Мучник [124] наблюдал при разрушении капель в верти­ кальной струе как легкие, так и тяжелые ионы (см. табл. 43). На основании этих данных можно считать, что число случаев интен­ сивного разрушения капель было примерно того же порядка, что и число случаев со слабым разрушением. Возможно, что именно этим обусловливаются большие суммарные заряды тяжелых ионов, получающиеся при разрушении одной капли: —3,3- ІО-11+ 2- 10_п = = —1,3-10-11 Кл, т. е. они на порядок больше, чем у Симпсона [518].

Ирибарне и Клеменс [345] провели опыты с весьма чистой водой с электропроводностью (І-ьЗ)-Ю-5 См/м. Они пришли к вы­ воду, что примерно в 40% случаев наблюдалось слабое разруше­ ние. Крупные фрагменты всегда заряжались положительно. Сред­ ний заряд при интенсивном грибообразном разрушении одной капли оказался равным 3.5 • 10~12 Кл. т. е. он имел тот же порядок величины, что и в опытах Мучника. Электризация растворов СО2, NaCl, KCl и (NH4)2S 0 4 примерно одинаково зависела от концен­ трации. Для очень слабых концентраций средний заряд был близким к его значению для чистой воды. С увеличением концентрации заряд уменьшалсяДгГ для 10-4 N наблюдалось изменение знака электризации, затем происходило увеличение отрицательного за­ ряда примерно,до—4ОД2/Кл_на_каплю. Как видно из рис. 57, сход­ ство зависимости электризаций от концецхцации для разных элек­ тролитов обусловливается в основнодцависимостью электризации от электропроводности растворов. Авторы получили, что поверх­ ностно-активные вещества весьма сильно влияют на электризацию при разрушении капель, в частности, меняют ее знакама обратный.

Ирибарне и Клеменс пытаются объяснить электризацию при грибообразном разрушении капель существованием двух конку­ рирующих процессов заряжения. Первый из них определяется сдвигом двойного электрического слоя при образовании тонкой пленки и зависит от ее толщины А, а именно: ^шах^КЗ• 10_6Д. В чистой воде знак заряда крупных фрагментов должен быть по­ ложительным. Если принять, что Д^Ю мкм (Шевчук и Ирибарне [515]), то <7т а х ^ 1,3- ІО-11 Кл. При больших концентрациях электро-

ff, ю - ,2Кл д

литов этот заряд не_образуется из-за токов утечки. Тогда работает в основном второй механизм" заряжения при отрывании капедек от нитей [346, 351]. Если при разрушении пленки образуется 1Ö2 капе­ лек и заряд каждой составляет примерно ІО-15 Кл, то результирую­ щий заряд будет равен ІО-12 Кл.

Если при слиянии образуется капля радиусом, превышающим критический, то вслед за слиянием наступает разрушение вновь образовавшейся капли. При временном контакте капель происходит разрыв перемычки между ними. Эти процессы сопровождаются электризацией. Отметим, что в схеме [345] не учитывается возмож­ ное влияние на электризацию капель контактной разности потен­ циалов между ними, которая может возникнуть между каплями вследствие различий в концентрациях примесей в них.

210

Из-за отсутствия непосредственных исследований электризации при разрушении крупных капель после их слияния для оценки возникающих зарядов можно воспользоваться ранее рассмотрен­ ными исследованиями баллоэлектрического эффекта при спонтан­ ном разрушении капель. Электризация при временном контакте капель, если у них концентрация примесей одинаковая, должна быть небольшой.

3.1.9. Электризация при разрушении капель, соударяющихся с твердыми телами

Исследования электризации капель воды при их разрушении в результате соударения с твердыми телами были начаты в связи

сэлектрическими явлениями, обнаруженными вблизи водопадов. Число этих исследований, выполненных в основном в первой четверти XX столетия, весьма велико. Нас интересуют те из них, которые могут помочь внести некоторую ясность в малоизученный вопрос об электризации при соударении капель с градинами. Вместе с тем электризация при соударении капель с твердыми и жидкими поверхностями представляет определенный самостоятель­ ный интерес.

На интенсивность электризации оказывает влияние, в частности, относительная скорость соударения капель с градинами, которая при установившейся скорости падения будет однозначно зависеть от их размеров. Можно считать, что диаметры градин в облаках находятся в основном в пределах 10—30 мм. Это следует из дан­ ных измерений размеров градин у поверхности земли (например, М. Т. Абшаев [1], О. И. Чеповская [197]) и расчетов таяния градин

свысотой (В. М. Мучник и А. X. Шмуклер [144], Н. С. Шишкин [201], Мейсон [429] и др.). Скорость падения таких градин на высо­ тах 3—5 км, т. е. на высотах, где встречаются жидкие капли, лежит в пределах 15—25 м/с, тогда как для капель диаметром 1—б мм она находится в пределах 4—10 м/с. Поэтому относительная

скорость соударения градин и капель изменяется в пределах

5—20 м/с.

Интенсивность электризации также зависит от размеров капель, так как при одной и той же скорости соударения степень разруше­ ния капель зависит от их размеров. Более крупные капли, с одной стороны, легче разрушаются и, следовательно, их фрагменты имеют большие размеры, с другой стороны, они могут дать большее число фрагментов, чем капли меньших размеров.

Еще Ленард [391] установил, что при падении капель диаметром 4,4 мм на воду или смоченную поверхность цинковой пластинки существует зависимость степени электризации от скорости капель в момент соударения. Для скоростей падения 4,2; 5,8 и 6,8 м/с он получил электризацию в относительных единицах 0,23; 0,60 и 0,79 соответственно. Кроме того, им установлена зависимость электриза­ ции от размеров капель при постоянной скорости соударения около

6 м/с. Для капель диаметром 2,36; 3,26; 4,40 и 5,38 мм электриза­ ция в относительных единицах оказалась равной 0,056; 0,30; 0,53 и 0,57 соответственно. И в данном случае наблюдалось увеличениеэлектризации с увеличением размеров капель, однако со стремле­ нием к насыщению.

В. М. Мучник [130, 131] исследовал зависимость электризации при разрушении капель воды при соударении с металлическими шарами (имитация градин) от относительной скорости соударения и размеров капель. Направление вращения шаров на коромысле можно было изменять таким образом, чтобы движение шаров и капель было встречным или догоняющим. При встречном движении

пель был неизменным, следует допустить, что с увеличением относи­ тельной скорости соударения шаров и капель происходило увеличе­ ние степени их разрушения. В этих опытах при использовании воды из городского водопровода взамен дистиллированной степень элек­ тризации изменялась. Обнаружилось, что степень электризации зависит также и от состояния поверхности латунных шаров. Это указывает на то, что, кроме элекризации за счет разрушения капель, существенную роль играет контактная электризация.

Шевчук и Ирибарне [515] повторили опыты Мучника при встреч­ ном соударении шаров диаметром 1 см и капель со скоростями соударения от 0,5 до 35 м/с. Знак и величина зарядов зависели от вещества шаров. Для большинства опытов была получена почти линейная зависимость степени электризации от скорости соударе­ ния.

При падении градин ниже уровня изотермы 0°С происходит со­ ударение смоченной ледяной поверхности с жидкими каплями. Мучник [130] пытался моделировать такие градины с помощью ледя­ ных шаров при положительной температуре (5—11°С), что обусло­ вливало их таяние и появление пленки воды на поверхности. К сожалению, таяние при быстром вращении градин на коромысле

212