3.1.7. Баллоэлектрический эффект

Баллоэлектрический эффект, если понимать под ним электризацию при разрушении воды, может возникать в атмосферных

условиях при следующих процессах: соударениях капель друг с другом, самопроизвольном разрушении крупных капель, соударении капель с почвой и водной поверхностью, таянии градин и вырывании из них пузырьков воздуха, вырывании воздушных пузырьков из водной поверхности, соударении градин и ледяной крупы с крупными каплями, таянии градин и отрывании от них капель.

Пытаясь объяснить баллоэлектрический эффект, Ленард [391] предполагал, что на поверхности воды существует двойной электрический 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 поверхностном слое воды толщиной порядка Внешняя обкладка отрицательная, а внутренняя — положительная. Если при разрушении слоя происходит образование капелек размером меньше то они должны иметь отрицательные заряды; если же образуются 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 равен 0,25 В. Диссоциированные ионы под действием этого слоя будут перемещаться таким образом, что положительные ионы будут иметь тенденцию выйти на поверхность, где они скомпенсируют отрицательные заряды. Непосредственно под поверхностью будет существовать положительно заряженный слой, представленный концами молекул, повернутыми внутрь воды, и некоторый диффузный слой отрицательных ионов воды. Глубина этого слоя подчиняется закону Дебая-Гюккеля и выражается формулой

где диэлектрическая проницаемость воды; постоянная Больцмана; абсолютная температура; заряд электрона; концентрация ионов.

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

Увеличение концентрации ионов должно привести к уменьшению толщины диффузного заряженного слоя и уменьшению степени электризации при разбрызгивании капель. Действительно, из опытов 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. количество зарядов на единицу объема, должна увеличиваться. Подтверждение этого можно найти в исследованиях Христиансена [265] и др., которые обнаружили, что с увеличением размеров капелек распыляемой воды происходит усиление баллоэлектрического эффекта.

Если в образовании баллоэлектрического эффекта определяющую роль играет ориентация молекул в поверхности полярных жидкостей, то при изменении их ориентации следует ожидать изменения знака и степени электризации. Это было установлено А. Н. Фрумкиным и А. Д. Обручевой [304а], которые добавляли к воде небольшие количества поверхностно-активных веществ, адсорбирующихся на ее поверхности. Было обнаружено влияние поверхностно-активных веществ на содержание ионов больших подвижностей при барботировании чистой воды. Прибавление небольшого количества мыла (стеариновокислого натрия) приводило к значительному увеличению числа отрицательных ионов.

В. М. Мучник [120] заметил по поводу теории баллоэлектрического эффекта Френкеля, что из нее вытекает требование, согласно которому все мельчайшие частицы воды (легкие и тяжелые ионы), поступающие в воздух при дроблении капель, должны иметь одинаковые знаки. Уже из опытов Симпсона [518], изучавшего баллоэлектрический эффект при разрушении капель чистой воды в вертикальной струе воздуха, следует, что эти капельки могут иметь 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 тяжелые ионы обоих знаков, причем отрицательных ионов оказалось больше, чем положительных, что согласуется с данными опытов Симпсона [518] и др.

Таблица 43 (см. скан) Среднее количество легких и тяжелых нонов, образующихся при разрушении одной капли воды. По В. М. Мучнику [124]

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 механизм 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 капелек, в частности тяжелых ионов.

Экспериментальные исследования показали, что наряду с легкими и тяжелыми ионами, образующимися из двойного электрического слоя, толщина которого для воды не превышает возникают заряженные капельки диаметром больше Для объяснения их образования необходимо допустить, что они вырываются из толщи воды, лежащей под двойным электрическим слоем. Механизм заряжения капелек в этом случае может быть обеспечен флуктуациями плотности зарядов диссоциированных ионов в растворах. Для одно-одновалентного электролита

где средний квадратический заряд; -концентрация диссоциированных молекул данного знака; V — объем капельки; заряд электрона. Этот вопрос решался 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 радиус).

Экспериментальная проверка этих закономерностей была выполнена Натансоном [148]. Он определял размеры и заряды капелек распыленного трансформаторного масла. Было получено, что для капелек размером 1-4,2 мкм отношение линейно зависело от электропроводности трансформаторного масла. Так как можно считать, что электропроводность пропорциональна концентрации ионов, то тем самым было подтверждено выражение (76).

Додд [282] выполнил такую же проверку для ряда диэлектриков: парафинового масла дибутилсебацата дибутилфталата олеиновой кислоты и нитробензола Он, как и Натансон, нашел хорошо выраженную линейную зависимость 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 электрического слоя на их поверхности и флуктуациями плотности ионов в толще жидкости. Необходимо, однако, выяснить, каким именно образом происходит разрушение двойного электрического

слоя, приводящее к образованию зарядов на капельке. Работы в этом направлении выполнены Ирибарне и Мейсоном [346], Джонасом и Мейсоном [351]. Они считают, что двойной электрический слой имеет значительную толщину, порядка 1 мкм, и что его внешняя, отрицательно заряженная часть сравнительно малоподвижна, тогда как внутренняя — легкоподвижна. Поэтому под воздействием тока воды под слоем может происходить смещение внутренней, положительно заряженной части слоя по отношению к внешней, отрицательно заряженной. Если при этом время релаксации двойного электрического слоя оказывается сопоставимым с временем образования капельки, то может произойти разделение зарядов. Ирибарне и Мейсон подсчитали, что если концентрация раствора больше то образование капельки не скажется на двойном электрическом слое, тогда как при меньшей концентрации разрушение двойного слоя может произойти раньше, чем будет достигнуто его электрическое равновесие.

Рис. 56. Разделение зарядов при разрушении нитей полярных жидкостей за счет двойного электрического слоя. По Джонасу и Мейсону [351]. а — медленный процесс, б - быстрый процесс. Джонас и Мейсон [351] исследовали разрушение нитей полярных жидкостей. При подъеме капилляра, прикасающегося к поверхности воды, образовывалась нить, которая утончалась и наконец обрывалась (рис. 56). Двойной электрический слой с отрицательным зарядом на поверхности устанавливался таким образом, что положительный заряд при медленном процессе успевал пройти вверх по суженной части нити. При ее разрыве вверху оказывался положительный заряд, а в основной массе жидкости — отрицательный. При быстром подъеме капилляра его сжатие наступало столь быстро, что положительный заряд не успевал пройти вверх. В результате основная масса жидкости получала положительный заряд, а уносимая капилляром — отрицательный. Величина зарядов порядка

Еще более интересны для интерпретации баллоэлектрического эффекта опыты Джонаса и Мейсона по образованию заряда на капельках, возникавших при делении нитей жидкости конечного размера. В одной серии опытов, когда разрушались нити из

раствора 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, чем у меньшей капельки. При быстром разделении это должно привести к образованию на более крупной капельке отрицательного заряда. Они также получили, что с увеличением концентрации электролитов в растворе происходит уменьшение интенсивности электризации, причем тип ионов играет сравнительно малую роль, существенна только их концентрация. К таким же быстрым процессам разделения зарядов Ирибарне и Мейсон [346] относят процессы электризации при разрушении пузырей на поверхности морской воды.