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 независимо друг от друга исследован Л. Г. Качуриным и В. И. Бекряевым [12, 81], Мейсоном и Мейбенком [431], В. М. Мучником и Ю. С. Рудько. Заряды на каплях измерялись электрометром и в ряде случаев записывались осциллографом. Большие заряды обнаруживались только при взрывах кристаллизующихся капель. При замерзании капель дистиллированной воды радиусом 0,1 - 1 мм осколки уносят преимущественно отрицательный заряд, в среднем равный Средний положительный заряд осколков

Частота образования положительных и отрицательных зарядов примерно одинаковая. Максимальные заряды оказались равными . В большинстве случаев отрицательный заряд соответствовал такому разрушению, при котором остаток капли, заряд которого измерялся, составлял меньшую часть капли; и наоборот, в случаях положительных зарядов остаток составлял 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 электризации. Он не обнаружил какой-либо явной зависимости величины зарядов от размеров капель в пределах радиусов 0,2-1 мм. Электризация при взрывании капель раствора дала меньшие максимальные заряды:

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

1 — момент вырывания осколков из поверхности льда;

2, 3, 4 — заряды при разрушении капли.

Представляют интерес исследования Качуриным и Бекряевым [81] временного хода образования заряда при взрывании капель. Продолжительность взрыва и процесса образования заряда составляет несколько сотых долей секунды, при этом отделяются частицы, несущие как отрицательные, так и положительные заряды (рис. 54). Положительные заряды образуются за весьма малое время, скачками (пики 2, 3, 4), тогда как отрицательные нарастают сравнительно 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 образование небольшого положительного заряда (пик 1). Причиной возникновения 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 подвеске взрывающихся капель из бидистиллированной воды с электропроводностью около и из растворов (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, полученных авторами [431], оказалась на порядок меньше, чем у Качурина и Бекряева. Так, средний заряд оказался равным максимальный заряд Из табл. 42 следует, что в пределах диаметров 0,35-1 мм размеры капель не влияют на образование зарядов. Причиной такого расхождения в величинах зарядов Бекряев считает особенности метода измерений. При значительном понижении температуры переохлаждения величина зарядов несколько уменьшается. Слабые концентрации растворов, до не оказывают заметного влияния на величину зарядов, тогда как большие концентрации, порядка и выше, приводят к уменьшению 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

Таблица 42 (см. скан) Электризация разрушающихся капель при замерзании. По Мейсону и Мейбенку [431]

Эванс и Хатчинсон [294] подразделяли разрушающиеся капли на три категории: 1) когда капля при замерзании разрушается на две части, 2) когда рог отрывается сразу после своего образования и 3) когда рог отрывается после того, как капля почти полностью замерзла. В первых двух категориях в разломах всегда имеется вода в жидком состоянии, а в третьей категории рог совсем не содержит воды или ее очень мало. Для первой категории заряд на остающейся части замерзшей капли всегда был отрицательным и в основном лежал в пределах Максимальный заряд был равен Для второй категории также характерны отрицательные заряды, но встречаются случаи с положительными зарядами, причем вторые, как правило, меньше первых. Все отрицательные заряды оказались в пределах Третья категория характеризовалась образованием почти только положительных зарядов, которые находились в пределах с максимумом Исследования проводились с каплями радиусом от 0,5 до 0,75 мм при температуре на уровне замерзания —15° С.

Если происходит интенсивное разрушение капли, то образуются в небольшом количестве (один—три) осколки, сопоставимые по размерам с каплей, и осколки микроскопических размеров, количество которых может быть большим Некоторое представление о порядке величины зарядов микроскопических осколков можно составить на основании осциллограммы, приведенной Качуриным и Бекряевым [81]. По их мнению, небольшой пик на осциллограмме, предшествующий взрыванию капли и образованию главного заряда, обусловлен выбросом ледяных осколков при образовании трещин в ледяной оболочке. Из осциллограммы, приведенной на рис. 54, следует, что этот суммарный заряд осколков равен примерно Если считать, что при этом выбросилось от 10 до 100 осколков, то средний положительный заряд одного осколка лежит в пределах от до Согласно Мейсону и Мейбенку [431], капля радиусом 0,5 мм при замерзании при —5° С давала в среднем 20 осколков и остающаяся часть капли получала отрицательный заряд около а при —15° С образовывалось около пяти осколков с суммарным средним зарядом около Из этих данных следует, что средний заряд одного осколка приблизительно равен что на один-два порядка меньше заряда, полученного на основании данных Качурина и Бекряева [81].

Лезем и Мейсон [381] исследовали электризацию при замерзании капелек дистиллированной воды на поверхности ледяной сферы, сопровождающемся выбросом ледяных осколков. Они обнаружили параллелизм между средними значениями скорости образования ледяных кристаллов и зарядом, рассчитанным на одну капельку. На рис. 55 представлена зависимость образования количества ледяных осколков и зарядов от размеров замерзающих капель при постоянных температуре воздуха и скорости воздушного потока, набегающего на ледяную сферу: При температуре —15° С и скорости

10 м/с при замерзании капельки диаметром 30-100 мкм образуется в среднем 12 ледяных осколков со средним зарядом около . В опытах с раствором концентрация которого соответствует наблюдаемой в облаках, заряды капелек оказались меньше почти на 20%, чем в опытах с дистиллированной водой. С увеличением диаметра капель больше 100 мкм параллелизм нарушается: положительные заряды осколков заметно уменьшаются. Авторы пытаются объяснить эту тенденцию тем, что при больших скоростях соударения происходит разрушение капель в момент удара о поверхность и ледяная сфера приобретает положительный заряд. Лезем и Мейсон получили, что с уменьшением размеров замерзающих капелек число осколков быстро уменьшается. Из опытов Адкинса [211] следует, что если капелька радиусом 10 мкм и меньше замерзает, то, скорее всего, осколки не образуются, а если и образуются, то их заряды ничтожны. Например, при падении таких капелек между вертикальными пластинами в поле напряженностью Адкинс ни разу не обнаружил их отклонения от вертикали.

Рис. 55. Зависимость образования количества ледяных осколков и зарядов от диаметра замерзающих капель. Температура воздуха —15° С, скорость потока 10 м/с. По Лезему и Мейсону [381].

В интервале температур примерно от —2 до —6° С Лезем и Мейсон обнаружили очень быстрое увеличение числа осколков и заряда с понижением температуры. По-видимому, при высоких температурах и больших скоростях соударения капельки только частично замерзают, разливаясь по поверхности и смачивая ее в виде тонкой пленки, которая при замерзании не дает ледяных осколков. При температурах ниже —6° С как число осколков, так и величина заряда остаются почти неизменными.

Необходимо обратить внимание на существенное различие между взрыванием замерзающей капли с образованием крупных фрагментов и вырыванием осколков из разрушающейся или сильно деформирующейся ледяной поверхности. В первом случае почти всегда происходит одновременное разделение как твердой, так и жидкой фазы воды, тогда как во втором наблюдается разделение только твердой фазы.

Существуют три теории, пытающиеся объяснить образование зарядов при разрушении замерзающих капель и вырывании из них ледяных осколков: Качурина и Бекряева, Лезема и Мейсона, Имянитова и Мордовиной.

Л. Г. Качурин и В. И. Бекряев [12, 81] считают, что причиной

образования зарядов при взрывании замерзающих капель является электризация на границе фаз при кристаллизации воды. Когда происходит взрыв капли и образуется фрагмент, последний уносит заряд, зависящий от того, какая часть ледяной оболочки и воды отрывается от капли. Если отрывается меньшая часть капли, то она состоит в основном из твердой фазы и должна, согласно Воркмену и Рейнольдсу, унести положительный заряд. Это подтверждается опытами Качурина и Бекряева [81], Эванса и Хатчинсона [294], но противоречит опытам Мейсона и Мейбенка [431]. Расчеты, выполненные для случая замерзания капли чистой воды радиусом 0,1 мм, показали, что, исходя из этих представлений, должен образоваться заряд, равный тогда как для капель радиусом 1 мм величина заряда составляет Таким образом, на основании представлений Качурина и Бекряева можно полностью объяснить как знак, так и величину зарядов, образующихся на фрагментах при взрывании замерзающих капель. Необходимо, однако, выяснить причины, приводящие к тому, что вычисленные заряды на фрагментах значительно (на несколько порядков) больше наблюдаемых в экспериментах.

Из многочисленных экспериментов по электризации при замерзании слабых растворов (см. раздел 3.1.4) известно, что разность потенциалов остается неизменной, пока не замерзнет вся вода. Поэтому величина заряда, например, жидкой части сферы определяется емкостью, в данном случае радиусом этой части сферы и значением максимальной разности потенциалов между льдом и водой Ущах, т. е. Так, для капли радиусом 1 мм из раствора , у которой, допустим, к моменту взрывания получаем Если учесть, что в действительности замерзание капли происходит несимметрично и в ней прорастают дендриты, расслаивающие ее жидкую часть на ряд полостей, каждую из которых можно представить в виде плоского конденсатора, то следует полагать, что суммарная емкость таких конденсаторов значительно больше, чем емкость жидкой части, представленной в виде сферы. Если допустить, что в реальных условиях емкость жидкой части может быть на один-два порядка выше, чем ее емкость в виде сферы, то для приведенного примера получаем заряд в пределах что согласуется с данными опытов.

И. М. Имянитов и др. [74] также считают, что заряды, образующиеся при разрушении замерзающих капель, обусловливаются разностью потенциалов на границе жидкой и твердой фаз, которая определяется выражением (72). При разрушении замерзающей капли происходит вырывание частиц льда и разрыв контакта с жидким раствором. Если известны условия разрыва контакта — емкость в момент разрыва и время разрыва, то по формуле (64) можно определить величину разделяющихся зарядов.

Однако Джонсон [353] считает, что эффект Воркмена-Репнольдса не может объяснить механизм электризации при разрушении замерзающих капель. В опытах с каплями диаметром 1 мм из

деионизированной воды в азоте или водороде наблюдалось как разрушение на крупные части, так и образование ледяных осколков без разрушения. Максимальные суммарные заряды при выбросе осколков имели порядок а при разрушении капель . В случае разрушения капель из ионных растворов при замерзании в водороде распределение зарядов оказалось таким же, как и в опытах с деионизированной водой. Это противоречит представлению, что электризация при разрушении капель обусловливается эффектом Воркмена-Рейнольдса. Джонсон считает, что причиной этого может быть малая толщина — порядка молекулярных слоев — заряженного слоя. Но сомнительно, чтобы столь тонкий слой отделялся при отрывании крупных ледяных осколков.

Лезем и Мейсон [381] считают, что причиной образования зарядов на ледяных осколках является диффузия ионов под действием температурного градиента. При замерзании капель в ледяной оболочке устанавливается температурный градиент, так как на границе вода—лед температура равна а на границе лед—воздух она ниже. Из-за различия в подвижностях и вследствие влияния градиента температуры происходит разделение зарядов таким образом, что более нагретая часть приобретает избыток а более холодная — избыток . В результате внешняя, более холодная часть ледяной оболочки получает избыток положительных зарядов. При вырывании ледяного осколка уносится положительный заряд, что согласуется с данными опытов. Лезем и Мейсон получили, что

и

где — плотность поверхностного заряда градиенты температуры и потенциала соответственно в

Для подтверждения теории Лезем и Мейсон измеряли разность потенциалов между основаниями цилиндров из чистого льда, находящимися при разной температуре. В пределах разностей температур от 0 до 7°С получено согласие с уравнением (74), которое нарушалось для большей разности. Лезем и Мейсон считают, что это отклонение обусловлено зависимостью электропроводности льда от температуры. Для растворов было получено такое же выражение, как (74), только коэффициент зависел и от концентрации, и от растворимого вещества.

Опыты, подобные опытам Лезема и Мейсона, были выполнены Стейнбергером и Рахамимом [532]. Они изготовляли ледяные цилиндры из бидистиллированной деионизированной воды и раствора Обнаружилась линейная зависимость разности

потенциалов от градиента температуры как для чистой воды, так и для раствора в интервале абсолютных температур примерно от 240 до 270 К.

Такахаши [538] нашел, что линейная связь между градиентами температуры и потенциала нарушается при деформации ледяных кристаллов, содержащих примеси. Причиной этого эффекта является образование дефектов структуры при деформации. Так как скорость диффузии положительно заряженных дефектов больше, чем отрицательно заряженных, первые диффундируют внутрь, что приводит к разделению зарядов. В дальнейшем Такахаши [539] на основании опытов по электризации трущихся ледяных поверхностей подтвердил свое представление об образовании дефектов при деформации льда и об их роли в образовании зарядов.

Лезем и Мейсон [381] произвели оценку величины заряда, образующегося на осколках. Можно считать, что перед завершением замерзания капли средний градиент температуры равен где — температура воздуха. На основании (73) заряд, образующийся на поверхности капли радиусом будет равен

При Если же то Лезем и Мейсон указывают, что для образования зарядов, которые были получены для подобных условий [381], достаточно, чтобы разрушалась примерно одна десятая площади поверхности капли. Но уже для капли с требуется, чтобы вся ее поверхность была разрушена.

Таким образом, если теория электризации за счет температурного градиента в состоянии количественно объяснить результаты опытов с капельками облачных размеров, то результаты опытов при взрывании крупных капель она объяснить не может. Поэтому необходимо отдать предпочтение теориям Качурина и Бекряева, Имянитова и др. [74], базирующимся напредставлении о разделении зарядов при фазовых переходах воды.