3.2. ИНДУКЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ГИДРОМЕТЕОРОВ

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

Рассматривая индукционные механизмы электризации гидрометеоров, можно убедиться, что единственным источником первичного 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, индуцированных внешним электрическим полем. Существует только два механизма электризации гидрометеоров во внешнем электрическом поле, когда не наблюдается их контакт между собой или разрушение. 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 и стекании зарядов с гидрометеоров.

3.2.1. Поляризация сферы и эллипсоида в электрическом поле

Если при разделении поляризованных гидрометеоров заряды противоположных знаков оказываются на фрагментах или частицах 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 электропроводность дождевой воды столь велика, что обеспечивает установление равновесного состояния для любых процессов, сопровождающихся временным контактом частиц. Как будет показано в соответствующем месте, такое положение выполняется практически во всех случаях и для твердых гидрометеоров.

Так как время разрыва контакта между гидрометеорами или их разрушения мало по сравнению с временем существенного изменения электрического поля в грозовых облаках, то поле можно считать однородным и квазистационарным. Исключением является

момент разряда молнии, когда электрическое поле в грозовых облаках изменяется чрезвычайно быстро. Но время разряда мало по сравнению с временем восстановления поля после разряда, и процессы изменения электрического поля при разрядах не играют существенной 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 приближенно, сводя тела любой конфигурации к шару и эллипсоиду, для которых эти задачи решаются строго.

Пусть в однородном электрическом поле напряженностью находится проводящая сфера радиусом . В этом случае уравнения электростатики решаются точно и позволяют получить выражения для индуцированного дипольного момента сферы напряженности поля на поверхности, а также для заряда сосредоточенного на полусфере:

причем угол между радиус-вектором рассматриваемой точки и направлением поля напряженностью

Если в однородном электрическом поле напряженностью находится проводящий вытянутый эллипсоид вращения с полуосями а и с то в этом случае электростатическая задача также решается точно. Напряженность поля в произвольной точке поверхности эллипсоида может быть записана в виде

Здесь проекция нормали к поверхности эллипсоида в рассматриваемой точке, а определяется равенством

где

Из формул (80) и (81) следует, что, так как на полюсах эллипсоида напряженность поля в этих точках принимает максимальное значение

Можно вычислить величину заряда, сосредоточенного на половине эллипсоида:

В табл. 45 приведены некоторые значения для разных

Таблица 45 (см. скан) Значения Стах и вычисленные для вытянутого эллипсоида

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

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

Как следует из табл. 46, для переходит в выражение

полученное Эльстером и Гейтелем [291].

Таблица 46

Значения у в зависимости от соотношения в выражении (84). По Лезему и Мейсону [352]