Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

взрывании воздушных пузырьков, к числу капелек с отрицатель­ ными зарядами уменьшается с увеличением электропроводности воды. В частности, для грозовых дождей это отношение меньше единицы, т. е. градины и образовавшиеся из них крупные капли должны заряжаться положительно.

В опытах Мак-Криди и Праудфіпа [406] были созданы условия, имитирующие таяние градин при падении. Они изготовляли из дистиллированной воды ледяные сферы диаметром 16 мм, которые помещали в аэродинамическую трубу со скоростью потока около 8 м/с. В процессе таяния с градины срывались капли. При таянии ІО3 мм3 льда образовывался положительный заряд около 3 • 10-11 Кл. Скорость образования заряда в начале таяния была сравнительно небольшой и достигала максимума в конце таяния. Авторы [406] обнаружили, что существует хорошо выраженная зависимость величины заряда от скорости воздушного потока. При скорости по­ тока около нуля заряд, образующийся при таянии градин, собирае­ мых на почве, был пренебрежимо мал и быстро увеличивался для скоростей от 3 до 10 м/с. Градины размерами от горошины до вино­ градины получали положительные заряды (1 н-2) ■10_п Кл. При росте размеров заряд увеличивался, однако с большими колеба­ ниями. Максимальный заряд оказался равным около ІО-7 Кл/кг. При таянии прозрачных градин (с малым числом воздушных пузырьков) обнаруживались ничтожно малые заряды.

Динджер [280] обратил особое внимание на чистоту льда. В его установке кусок льда обдувался потоком воздуха со скоростью около 0,5 м/с. При изготовлении льда из трижды дистиллирован­ ной свежей воды он получал очень большие заряды: 2,2- ІО-6 Кл/кг. При таянии свежевыпавшего снега плотность заряда значительно меньше: 2- ІО-8 Кл/кг. При таянии льда, приготовленного из снего­ вой и дождевой воды, были обнаружены заряды 5,6-ІО-8 и 8,9Х ХІО-8 Кл/кг соответственно. Динджер еще раз подтвердил суще­ ствование весьма большой зависимости электризации при таянии льда даже от очень малых концентраций примесей, в том числе углекислого газа. Он получил, что при концентрациях, соответ­ ствующих равновесию с содержащимся в воздухе углекислым га­ зом, электризация при таянии практически равна нулю.

Дрейк [286] исследовал зависимость электризации при таянпн ледяных сфер радиусом 1—3 мм от скорости потока воздуха, его температуры и влажности, температуры замерзания воды и т. д. Он обнаружил четкую зависимость заряда от скорости воздушного потока: при скоростях меньше 2 м/с, когда не наблюдается конвек­ ция в водяной оболочке тающего льда, заряды очень малы, но быстро вырастают до максимального значения при скоростях от 2 до 4 м/с. Максимальные значения плотности заряда для дистилли­ рованной воды или слабых растворов (с концентрациями, не превы­ шающими ІО-5 М) находятся в пределах (1,Зч-2) • ІО-6 Кл/л. Увели­ чение концентрации растворов до значений выше 10_3 М. приводит к значительному уменьшению зарядов. Депрессивное действие ССХ сказывается только при отсутствии конвекции в тающей сфере, т. е.

218

при скоростях потока меньше 2 м/с. Температура и влажность воздуха действуют в такой степени, в которой они обеспечивают увеличение скорости таяния льда и возникновение конвекции в водяных оболочках ледяных сфер.

Результаты экспериментальных исследований электризации при таянии снежинок и особенно градин показывают, что при этих про­ цессах образуются значительные заряды. Однако разные авторы приводят данные, отличающиеся друг от друга иногда на несколько, порядков. Причиной таких больших расхождений являются усло­ вия, при которых происходит таяние ледяных частиц. Одним из наиболее существенных условий является возникновение в тающей частице конвекции, приводящей к постоянному обновлению воды на поверхности, что весьма существенно для электризации при выры­ вании пузырьков воздуха.

Процесс электризации при выделении пузырьков из тающего льда может быть объяснен образованием на поверхности пѵзыръков двойного электрического слоя. Из опытов по катафорезу известно, что пузырьки, выходя на поверхность и разрушаясь, могут унести отрицательный заряд с собой. При разрушении пузырька радиусом более 0,1 мм в очень чистой воде, согласно Ирибарне и Мейсону [346], образуется заряд около 3> ІО-13 Кд. Надо предположить, что при таянии 1 г должно образоваться около ІО3 пузырьков радиусом 0,1 мм для того, чтобы удельный заряд оказался равным примедно 3 • 10~7 Кл/кг- т- е. того же порядка, что и значения, полученные Динджером и Ганном [281], а также Дрейком [286]. Большое влия­ ние на величину зарядов оказывают примеси. При концентрации в воде ІО-4—ІО-5 М С 02 образуются заряды порядка ІО-14—ІО-15 Кл на один пузырек. Такое же действие производят примеси солей,

ІО-13—ІО-14 Кл, т. е. приближаются к значениям для чистой воды. Такахаши [541] пытается дать дрѵгое~~объяснение. Вследствие различий в конценхрациях-и-додвижностях ионов ОН~ и Н* в воде и льду при таянии должно происходить их разделение таким обра­ зом, что в воде окажется избыток Н+, а во льду — избыток ОН". Из вычислений Такахаши получил, что разность потенциалов дол­ жна быть равна 0,15 В, а из экспериментов по таянию льда, взятого из ледника Менденхолл на Аляске, им была получена максималь­ ная разность потенциалов между водой и льдом, равная около 0,11 В. Для этого случая поверхностная плотность зарядов оказа­

лась равной приблизительно 1,6- 10_6 Кл/м2.

Если сопоставить такие, казалось бы, совершенно разные механизмы, как электризация при замерзании слабых растворов и при разрушении, например, пузырькоіГ на поверхности этих растворов, то обнаружится_-заметный параллелизм. Так, для ^шх характерна

фекты — это не что иное, как специфические проявления контактных

219.

механизмов электризации. Таким образом, все механизмы электри­ зации, рассмотренные в разделах 3.1.3—3.1.10, можно отнести к механизмам контактной электризации.

3.2. ИНДУКЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ГИДРОМЕТЕОРОВ

Как было показано ранее, в основе всех механизмов электриза­ ции лежит несколько процессов, приводящих к первичному раз­ делению зарядов; многочисленность этих механизмов обусловлена многообразием процессов контакта и разрушения гидрометеоров. Единственным исключением является электризация в поле воздуш­ ных ионов, для которой не требуется контакт или разрушение гидрометеоров.

Рассматривая индукционные механизмы электризации гидро­ метеоров, можно убедиться, что единственным источником первич­ ного разделения зарядов является внешнее электрическое поле. И в случае этих механизмов электризации все их многообразие обусловливается различиями в процессах контакта и разрушения гидрометеоров, приводящих к разделению зарядов, индуцирован­ ных внешним электрическим полем. Существует только два меха­ низма электризации гидрометеоров во внешнем электрическом поле, когда не наблюдается их. контакт между собой или разруше­ ние. Это, во-первых, механизм электризации гидрометеоров в среде воздушных ионов, обусловленный токами под действием внешнего электрического поля. И во-вторых, это совершенно своеобразный механизм электризации, который может осуществляться только в сильных электрических полях при возникновении коронного разряда

истекании зарядов с гидрометеоров.

3.2.1.Поляризация сферы и эллипсоида

вэлектрическом поле

Если при разделении поляризованных гидрометеоров заряды противоположных знаков оказываются на фрагментах или части­ цах разных размеров, происходит разделение свободных зарядов в гравитационном поле, т. е. макроразделение зарядов. Заряды поляризации оказываются свободными зарядами, если вода и лед имеют достаточно высокую электропроводность. Но электропро­ водность дождевой воды столь велика, что обеспечивает установле­ ние равновесного состояния для любых процессов, сопровождаю­ щихся временным контактом частиц. Как будет показано в соответ­ ствующем месте, такое положение выполняется практически во всех случаях и для твердых гидрометеоров.

Так как врейш разрыва контакта между гидрометеорами или их разрушения мало по сравнению с временем существенного измене­ ния электрического поля в грозовых облаках, то поле можно счи­ тать однородным и квазистационарным. Исключением является

220

момент разряда молнии, когда электрическое поле в грозовых обла­ ках изменяется чрезвычайно быстро. Но время разряда мало по ■сравнению с временем восстановления поля после разряда, и про­ цессы изменения электрического поля при разрядах не играют су­ щественной роли в образовании зарядов грозовых облаков и нами не будут рассматриваться.

Конфигурация гидрометеоров в момент разрушения или разрыва контакта может быть чрезвычайно разнообразной. Распределение зарядов на поверхности сложных тел не поддается теоретическому расчету. Поэтому такого рода задачи пытаются решить прибли­ женно, сводя тела любой конфигурации к шару и эллипсоиду, для которых эти задачи решаются строго.

Пусть в однородном электрическом поле напряженностью Е0 находится проводящая сфера радиусом г0. В этом случае уравне­ ния электростатики решаются точно и позволяют получить выраже­ ния для индуцированного дипольного момента сферы р, напряжен­ ности поля Е на поверхности, а также для заряда qn, сосредоточен­ ного на полусфере:

причем ф — угол между радиус-вектором рассматриваемой точки и направлением поля напряженностью Е0.

Если в однородном электрическом поле напряженностью Е0 на­ ходится проводящий вытянутый эллипсоид вращения с полуосями а и с (с> а), то в этом случае электростатическая задача также решается точно. Напряженность поля в произвольной точке поверх­ ности эллипсоида может быть записана в виде

соида nz= 1, напряженность поля в этих точках принимает макси­ мальное значение

(82)

Можно вычислить величину заряда, сосредоточенного на половине эллипсоида:

*е0Е °а2

В табл. 45 приведены некоторые значения pz, Етах и qn для раз­ ных /г.

Рассмотрим случай разделения зарядов при разрыве контакта двух проводящих сфер радиусом R и г, находящихся во внешнем электрическом поле напряженностью Е0. В общем виде Гордон (см. в [382]) получил выражение

где ер — угол между прямой, соединяющей центры сфер, и направ­ лением внешнего электрического поля; у — коэффициент, зависящий от соотношения радиусов сфер.

3.2.2. Электризация при контакте в электрическом поле

Возможность электризации капель при контакте в электрическом поле была впервые рассмотрена Эльстером и Гейтелем [290]. Они предположили, что при соударении большей падающей капли с меньшей последняя скользит по поверхности первой и отрывается где-то в верхней ее части (рис. 60 а). Заряд, образующийся на меньшей капле, имеет в поле нормального направления отрицатель­ ный знак. В дальнейшем Эльстер и Гейтель [291] допустили, что, кроме скольжения меньших капель по поверхности большей капли,

222