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 с электрическими 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 самостоятельный 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 данных измерений размеров градин у поверхности земли (например, М. Т. Абшаев [1}, О. И. Чеповская [197]) и расчетов таяния градин с высотой (В. М. Мучник и А. X. Шмуклер [144], Н. С. Шишкин [201], Мейсон [429] и др.). Скорость падения таких градин на высотах 3-5 км, т. е. на высотах, где встречаются жидкие капли, лежит в пределах 15-25 м/с, тогда как для капель диаметром 1-6 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 разрушения 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 электризации от размеров капель при постоянной скорости соударения около 6 м/с.

Для капель диаметром 2,36; 3,26; 4,40 и 5,38 мм электризация в относительных единицах оказалась равной 0,056; 0,30; 0,53 и 0,57 соответственно. И в данном случае наблюдалось увеличение электризации с увеличением размеров капель, однако со стремлением 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 относительная скорость соударения изменялась от 10 до 26 м/с, а при догоняющем — от 4 до 20 м/с. На рис. 58 представлена зависимость электризации при догоняющем соударении латунного шара с каплями дистиллированной воды диаметром 4,4 мм от скорости соударения. Из графика видно, что существует линейная зависимость между интенсивностью электризации шаров и относительной скоростью соударения, что согласуется с данными Ленарда [391]. Так как размер капель был неизменным, следует допустить, что с увеличением относительной скорости соударения шаров и капель происходило увеличение степени их разрушения. В этих опытах при использовании воды из городского водопровода взамен дистиллированной степень электризации 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.

Рис. 58. Зависимость образования зарядов от относительной скорости соударения металлических шаров и капель воды; 1000 об/мин = 12 м/с. По В. М. Мучнику [131].

Шевчук и Ирибарне [515] повторили опыты Мучника при встречном 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 соударения.

При падении градин ниже уровня изотермы 0°С происходит соударение смоченной ледяной поверхности с жидкими каплями. Мучник [130] пытался моделировать такие градины с помощью ледяных шаров при положительной температуре что обусловливало их таяние и появление пленки воды на поверхности. К сожалению, таяние при быстром вращении градин на коромысле

происходило столь быстро, что вскоре с шаров начинали срываться капли, а это значительно усложняло условия опытов. В результате было выполнено всего два удачных опыта при встречном соударении с относительной скоростью около 10 м/с. Диаметр капель был 4,4 мм. В одном из этих опытов заряд шара оказался меньше так что его не удалось измерить; во втором опыте заряд оказался равным Таким образом, можно полагать, что при соударении капель воды с градинами, покрытыми пленкой воды, также наблюдается баллоэлектрический эффект, причем довольно значительный, во всяком случае, того же порядка, что и при спонтанном разрушении крупных капель.

Применяя ту же установку с вращающимися латунными шарами, Мучник [130] исследовал зависимость электризации от размеров капель при соударении с шарами. Опыты были проведены с каплями дистиллированной воды при относительной скорости соударения около 10 м/с (табл. 44).

Таблица 44 (см. скан) Зависимость электризации при соударении шаров и капель от размеров капель. По В. М. Мучнику [130]

Из табл. 44 следует, что заряды, образующиеся при соударении капель воды с латунными шарами, сначала растут с увеличением радиуса капель, достигают максимума при некотором значении радиуса (2,2-2,5 мм), а затем начинают убывать. Это означает, что с увеличением радиуса при неизменной скорости соударения степень разрушения капель, а следовательно, и степень электризации растут, однако до некоторого критического значения радиуса. Капли, радиус которых больше критического, более неустойчивы, и для их разрушения требуется меньшее усилие. Поэтому такие капли разрушаются на меньшее число более крупных фрагментов. Если рассчитать заряд на единицу массы воды, то максимальные значения придутся на капли еще меньших размеров — радиусом 1,6 мм.

Несколько иная зависимость степени электризации от размеров капель была получена Шевчуком и Ирибарне [515]. При встречном

соударении шара с каплями радиусом от 1 до 3 мм наблюдалась линейная связь между величиной зарядов и размерами капель (скорость соударения 19 м/с; шар металлический, покрыт полистиролом; капли из раствора Авторы отмечают, что средние значения зарядов получены из сравнительно небольшого числа данных (около 30 отсчетов) при весьма большом разбросе отдельных отсчетов.

Необходимость рассмотрения электризации при соударении капель дождя с твердой подстилающей поверхностью и водной поверхностью рек и морей основывается на том, что заряды, которые при этом образуются, могут как-то влиять на условия образования и развития грозового электричества, а также на результаты атмосферно-электрических измерений у поверхности земли. Так, ливневый дождь, которым сопровождаются грозы, является крупнокапельным, и поэтому соударение капель ливневого дождя с поверхностью почвы или воды должно приводить к образованию некоторого заряда.

При соударении с горизонтальной плоской твердой поверхностью не вся масса капли отражается от нее: часть капли, захваченная силами сцепления, остается на поверхности. Поэтому часть капли, которая отражается в виде капелек, отрывается не от твердой поверхности, а от самой жидкости. Следовательно, электризация должна характеризоваться не только контактной разностью потенциалов между твердым телом и жидкостью, но и баллоэлектрическим эффектом, имеющим место при разрушении капель. Величина заряда при разрушении капель дистиллированной воды диаметром 4,4 мм, соударяющихся со смоченной поверхностью цинковой пластинки со скоростью около 7 м/с, оказалась в среднем равной (Ленард [391]). Такой же порядок величины заряда получен и в других исследованиях.

По-видимому, соотношение между электризацией за счет контактной разности потенциалов и электризацией за счет баллоэлектрического эффекта в значительной степени зависит от толщины слоя жидкости на поверхности твердого тела. Когда толщина слоя воды становится больше диаметра капель, процесс взаимодействия капель со слоем воды становится своеобразным. Механизмом такого взаимодействия и электризацией, наблюдаемой при этом, занимались Чалмерс и Паскуилл (см. в [98]), Ирибарне и Мейсон [346].

Джонас и Мейсон [331] обнаружили, что при падении на поверхность воды капель радиусом 180 мкм под углом 50° к горизонту со скоростью 140 см/с образуются вторичные капли радиусом 65 мкм (рис. 59). Капля на поверхности воды сначала сплющивается, прогибая воду под собой, а затем начинает осциллировать. Одновременно происходит выжимание воздушной пленки между каплей и поверхностью воды и частичное их слияние. Большая часть капли переливается через перемычку в слой воды, а меньшая часть при очередном колебании получает толчок вверх и в виде капли взлетает на высоту в несколько сантиметров. Исследование химического

состава вторичных капель показало, что они почти полностью состоят из жидкости первичных капель. Таким образом, при соударении капель как с горизонтальной поверхностью твердого тела, так и с поверхностью жидкости основным процессом, влияющим на электризацию капель, является контактная разность потенциалов жидкость—жидкость, а не жидкость — твердое тело. Величина зарядов вторичных капель для чистой воды с электропроводностью невелика: . С повышением концентрации первичных капель и слоя величины зарядов вторичных капель уменьшаются. При концентрации раствора происходит перемена знаков зарядов вторичных капель.

Рис. 59. Образование потока вторичных капель малых размеров при соударении потока капель радиусом 150 мкм с поверхностью воды. По Джонасу и Мейсону [351].

При больших концентрациях заряды вторичных капель становятся положительными, порядка

Эти результаты находят подтверждение в опытах Чалмерса и Паскуилла (см. в [98]). При выливании струи морской воды в морскую воду образовывались вторичные капли, которые поднимались над поверхностью на высоту до 2 см и имели положительные заряды. Бланшар [237] сбрасывал капли на поверхность морской воды. Он обнаружил, что вторичные капли радиусом 3 мкм могут получать заряд около Таких капель вырывается несколько одна за другой. Таким образом, при падении дождевых капель на поверхность пресных водоемов или на поверхность воды, образованной дождем, следует ожидать появления положительных зарядов порядка на каплю, а при их падении на поверхность воды морей и океанов — отрицательных зарядов примерно того же порядка.