Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Время, необходимое для сближения шаров после начала раз­ ряда между ними, равно %h = li/u. Относительная скорость соударе­ ния двух ледяных сфер принятых размеров равна и=19 м/с, отсюда тл*«4-10~б с. Таким образом, время релаксации меньше вре­ мени, требующегося для соприкосновения двух сфер заданных раз­ меров после наступления электрического разряда между ними. Так как при r ^ - R время сближения сфер будет соответственно увели­ чиваться, то можно утверждать, что время релаксации будет всегда меньше времени, необходимого для сближения ледяных сфериче­ ских гндрометеоров, и времени механического контакта между ними. Это означает, что за время контакта в электрическом поле частицы к моменту разделения приобретут равновесные заряды.

Лезем и Мейсон [382] выполнили эксперименты по электризации при контакте ледяных сфер в электрическом поле. Две ледяные сферы радиусом от 0,5 до 2 мм подвешивались на нитях в горизон­ тальном электрическом поле. Время контакта изменялось от 0,5 с до 5 мин, температура — от —4 до —30° С, напряженность поля — от 104 до 2 -ІО5 В/м. Результаты этих экспериментов полностью подтвердили, что электризация происходит в согласии с формулой Гордона. Лезем и Мейсон исследовали также электризацию при контакте ледяной сферы с ледяными кристаллами разной формы в электрическом поле. Ледяные кристаллы подвешивались на изо­ лированной нити и приводились в соприкосновение с ледяной сфе­ рой в электрическом поле постоянной напряженности примерно в течение такого же времени, как и в предыдущих опытах. Масса ледяных кристаллов определялась после их таяния.

Т а б л и ц а 49

Влияние формы ледяных кристаллов на электризацию при контакте с ледяной сферой в электрическом поле. По Лезему и Мейсону [382]

П р и м е ч а й и е. с и а — длина осей кристаллов.

Как видно из табл. 49, форма кристаллов играет заметную роль в электризации при контакте с ледяной сферой в электрическом поле. Наибольшее увеличение характерно для игл с наибольшим отношением с/а вследствие того, что при этом значительно увели­

228

чивается напряженность индуцированного поля на поверхности сферы.

Во всех описанных выше экспериментах время контакта было явно завышенным по сравнению со временем, которое соответствует контакту ледяных частиц в естественных условиях. Поэтому Лезем и Мейсон провели исследование, в котором ледяные кристаллы, двигавшиеся в потоке воздуха, налетали на ледяной цилиндр. Опыты проводились при скоростях потока от 1 до 30 м/с, в поле напряженностью 7 - 104 В/м, при температурах отО до-—25° С. Было получено, что за 30 с не происходит сколько-нибудь заметная элект­ ризация цилиндра, во всяком случае, его заряд был меньше 1,6-ІО-13 Кл. Лезем и Мейсон считают, что причиной отсутствия электризации является малое время контакта между ледяными ча-

Рис. 61. Зависимость об­ разования зарядов q при соударении ледяных (1) или стальных (2) шари­ ков в электрическом поле от их размеров. По В. А. Дячуку и В. М.

Мучнику [46J.

Напряженность поля 10* В/м; у —коэффициент (см. табл. 48).

стицами и ледяной сферой. Такого же мнения придерживаются Скотт и Левин [510а]. Но это представление явно неверное. Кон­ такт между ледяными кристаллами и поверхностью цилиндра более длительный, чем при соударении двух сфер, так как ледяные кри­ сталлы должны скользить по поверхности цилиндра. Отрывание кристаллов будет происходить где-то вблизи экваториальной ли­ нии по отношению к полю. Поэтому заряды будут малы и разных знаков (в зависимости от части цилиндра, от которой они отор­ вутся), и суммарный заряд, уносимый кристаллами с поляризован­ ного ледяного цилиндра, должен быть близким к нулю.

В. А. Дячуком и В. М. Мучником [46] было проведено исследо­ вание, в котором естественные условия соударения ледяных сфер имитировались более полно, чем в экспериментах Лезема и Мей­ сона. Ледяные шарики из питьевой воды радиусом от 1,5 до 5,5 мм соударялись с ледяным неподвижным шариком радиусом 7,5 мм в вертикальном электрическом поле. Температура в камере меня­ лась от —10 до—35° С. На рис. 61 представлена зависимость q от уг2, согласно (86), для £о=Ю 4 В/м, причем значения у брались из табл. 48. Каждая точка на графике соответствует среднему из семи проб. Как следует из рисунка, зависимость q от уг2 является

229

линейной, согласно требованиям теории. При разных значениях на­ пряженности поля были выполнены опыты с шариками из льда, изготовленного из питьевой, дистиллированной и бидистиллиро­ ванной воды (рис. 62). Как видно из рисунка, между величиной за­ рядов и напряженностью поля существует прямо пропорциональная

поле напряженностью от нуля до 3-105 В/м и сближались до тех пор, пока не происходил перенос зарядов между частицами. Опыты показали, что для каждой пары моделей и их ориентации придан­ ной напряженности поля существует граничное расстояние, начиная с которого наблюдается перенос зарядов между частицами.

230

Рис. 63. Модели ледяных кристаллов и их расположение по отношению к направлению электрического поля. По Лезему и др. [384].

А, В, С — пластинки. D, F — иглы, Е — призмы.

Т а б л и ц а 50

Втабл. 50 ориентация моделей кристаллов соответствует рис. 63. Когда два пластинчатых кристалла перпендикулярны направ­ лению электрического поля, их сближение должно быть весьма тес­ ным, чтобы произошел обмен зарядами. Но если плоскости крис­ таллов параллельны направлению электрического поля, то перенос зарядов при напряженности 2 -ІО5 В/м происходит на расстояниях, сопоставимых с их размерами (конфигурации ВВ и СС). То же са­ мое справедливо и для моделей типа D. Вообще, чем больше кри­ визна частиц, тем больше критическое расстояние, на котором про­ исходит перенос зарядов: случаи, в которых участвуют конфигу­ рации С и D, характеризуются большими значениями хкр, чем любые другие конфигурации, кроме ВВ.

Врассмотренных экспериментах не была исследована зависи­

мость хкр от отношения диаметра кристалла d к его длине I. Для выявления этой зависимости воспользуемся данными табл. 50. В сочетания конфигураций моделей DD и ЕЕ входят шестигранные призмы, но с разными соотношениями d/l\ соответственно 1 : 7,2 и 1:1. Для DD значение хкр оказывается в 20 раз больше, чем для ЕЕ. Согласно [117], отношения d/l для естественных ледяных кри­ сталлов лежат в основном в пределах от 1 :3 до 1 : 50. Это указы­ вает на возможность разделения зарядов между ледяными кри­ сталлами без их прикосновения при напряженностях поля, наблю­ даемых в грозовых облаках.

231

3.2.3. Электризация при разрушении капель, соударяющихся с градинами в электрическом поле

Соударение градин с переохлажденными или неполностью за­ мерзшими каплями выше уровня изотермы 0° С приводит к частич­ ному намерзанию воды на поверхности градин. Этот механизм со­ вершенно не исследован; неизвестно, сколько образуется жидких и твердых фрагментов капель н каковы их размеры. Отсутствие этих сведений не позволяет сейчас сделать достаточно определен­ ные заключения об электризации при соударении градин с переох­ лажденными каплями в электрическом поле. Во всяком случае, можно не сомневаться, что такая электризация имеет место и ее степень должна зависеть, в частности, от температуры переохлаж­ дения и размеров капель. При малых размерах и низких темпера­ турах переохлаждения капли будут в основном намерзать на по­ верхности градин. Крупные капли при более высоких температурах будут отражаться или большей частью срываться с градин, смачи­ вая их поверхность. Все капли, соударявшиеся с поверхностью гра­ дин при температурах выше 0° С, будут срываться. К ним должна прибавляться вода, образующаяся при таянии градин.

Вероятность соударения градин со сравнительно большими кап­ лями (например, дождевыми) довольно велика. Так как дробление капель при соударениях подобного рода может происходить весьма интенсивно, этот процесс в электрическом поле должен сопровож­ даться значительной электризацией. Для исследования рассматри­ ваемого механизма электризации В. М. Мучник [121, 130, 131] по­ ставил ряд экспериментов, в которых градины моделировались ме­ таллическими шарами. В опытах с шаром диаметром 14 мм и каплями диаметром около 1,5 мм было получено, что величина за­ рядов на шаре пропорциональна напряженности поля [121]. Попытка определить величину заряда на основании (79) показала, что экспериментальные значения могут на порядок превышать вы­ численные. Это расхождение можно объяснить, с одной стороны, тем, что существовала вероятность соударения шара не с одной каплей, а с несколькими; с другой стороны, возможно, происходило такое разрушение капель, которое приводило к увеличению суммар­ ного заряда, индуцированного полем. Для объяснения знака заря­ дов, уносимых каплями, необходимо было предположить, что капли после соударения скользят по поверхности шара и отрываются в верхней его части.

В. М. Мучник [130] определил зависимость электризации при соударении проводящей сферы и капель воды от напряженности поля и размеров капель. Соударения шаров с каплями могли быть «догоняющими» и «встречными». Скорость догоняющих соуда­ рений составляла около 4 м/с, а встречных— 10 м/с. Соударение шара с каплями происходило под различными углами, и поэтому можно было ожидать при одном и том же направлении поля обра­ зование зарядов обоих знаков. Действительно, в отрицательном поле около 80% соударений приводило к образованию на шарах

232