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

Соударение градин с переохлажденными или неполностью замерзшими каплями выше уровня изотермы 0° С приводит к частичному намерзанию воды на поверхности градин. Этот механизм совершенно не исследован; неизвестно, сколько образуется жидких и твердых фрагментов капель и каковы их размеры. Отсутствие этих сведений не позволяет сейчас сделать достаточно определенные заключения об электризации при соударении градин с переохлажденными каплями в электрическом поле. Во всяком случае, можно не сомневаться, что такая электризация имеет место и ее степень должна зависеть, в частности, от температуры переохлаждения и размеров капель. При малых размерах и низких температурах переохлаждения капли будут в основном намерзать на поверхности градин. Крупные капли при более высоких температурах будут отражаться или большей частью срываться с градин, смачивая их поверхность. Все капли, соударившиеся с поверхностью градин при температурах выше 0° С, будут срываться. К ним должна прибавляться вода, образующаяся при таянии градин.

Вероятность соударения градин со сравнительно большими каплями (например, дождевыми) довольно велика. Так как дробление капель при соударениях подобного рода может происходить весьма интенсивно, этот процесс в электрическом поле должен сопровождаться значительной электризацией. Для исследования рассматриваемого механизма электризации В. М. Мучник [121, 130, 131] поставил ряд экспериментов, в которых градины моделировались металлическими шарами. В опытах с шаром диаметром 14 мм и каплями диаметром около 1,5 мм было получено, что величина зарядов на шаре пропорциональна напряженности поля [121]. Попытка определить величину заряда на основании (79) показала, что экспериментальные значения могут на порядок превышать вычисленные. 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 суммарного заряда, индуцированного полем. Для объяснения знака зарядов, 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 соударений 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 образование зарядов обоих знаков. Действительно, в отрицательном поле около 80% соударений приводило к образованию на шарах

положительных зарядов, около 10% соударений — отрицательных и примерно 10%-нулевых, т. е. лежащих в области нечувствительности измерительного прибора. Капли могли получать нулевые заряды при соответствующих углах соударения и, кроме того, в случаях, когда не было их соударения с шаром, что иногда имело место. Оказалось также, что знаки зарядов, приобретаемых шарами при одном и том же направлении поля, для догоняющих и встречных соударений одинаковые.

Рис. 64. Движение капель при догоняющем (а) и встречном (б) соударении с шарами. скорость падения капли, скорость за счет реакции на соударение с шаром, — результирующая скорость.

Рис. 65. Зависимость образования зарядов при соударении металлических шаров и капель воды от напряженности электрического поля. По В. М. Мучнику [130]. 1 — догоняющее соударение, 2 — встречное соударение.

Знаки зарядов шаров можно объяснить, допустив, что при догоняющих соударениях капли отражаются от нижней половины шара, а при встречных скользят вдоль его поверхности и отрываются также в нижней половине шара. При движении шара и капли в одном направлении (рис. 64 а) капельки, образующиеся в результате разрушения, должны также двигаться в этом направлении и отрываться от нижней части шара. Этому способствуют силы прилипания капелек к поверхности шара. Капли, разрушившиеся близко от электрического «экватора» в вертикальном электрическом поле, имеют тенденцию к скольжению вдоль поверхности шара и будут отрываться от его верхней половины. При встречном движении шара и капли результирующая скорость стремится унести капельку с поверхности шара (рис. 64 6). Под влиянием сил прилипания капли к поверхности и вследствие того, что шар движется вверх, капелька вынуждена скользить по поверхности шара и будет отрываться в его нижней части. На основании этих представлений для получения сопоставимых данных при вычислении средних отбрасывались случаи с отрицательными и нулевыми значениями.

В табл. 51 приведены результаты опытов [130]. Кроме средних значений зарядов, даны средние квадратические ошибки их измерений. Чтобы определить вид зависимости электризации от напряженности поля, данные табл. 51 нанесены на график (рис. 65). Из графика видно, что как для догоняющих соударений частиц, движущихся в одном направлении, так и для встречных соударений шаров и капель существует прямая пропорциональность между зарядом и напряженностью поля. Так как градины обычно падают со скоростью больше 10 м/с, данные для встречного соударения можно использовать для оценки среднего заряда. В поле напряженностью заряд капли радиусом 2,9 мм оказывается равным около Затем были проведены исследования зависимости электризации от размеров капель.

Таблица 51 (см. скан) Зависимость электризации при соударении шаров и капель от напряженности электрического поля (нижний электрод конденсатора, создающего поле, положительный, верхний заземлен, диаметр капель 5,8 мм). По В. М. Мучиику [130]

Из табл. 52 следует, что для догоняющих соударений сначала с увеличением размеров капель происходит увеличение их электризации, но начиная с радиуса около 2 мм с увеличением размеров наблюдается небольшое уменьшение электризации капель. Для встречных соударений такой зависимости нет. Только начиная с радиуса около 2,7 мм наблюдается некоторый рост заряда с ростом радиуса капель. Полученные результаты можно объяснить тем, что при увеличении размеров капель увеличивается их неустойчивость. Чем больше капля, тем меньше усилие, необходимое для ее разрушения. Как известно, капли диаметром 6 мм настолько неустойчивы, что при падении разрушаются самопроизвольно. Поэтому,

если прилагать к каплям одинаковые усилия, крупные капли, начиная с некоторых размеров, будут разрушаться на меньшее число капелек, чем капли малых размеров. Из табл. 52 следует, что чем больше скорость соударения, тем больше размер капель, начиная с которого рассматриваемый эффект проявляется. Если это предположение правильное, то такую же зависимость электризации от размеров капель надо ожидать для соударения шаров и капель без электрического поля, что было получено В. М. Мучником [130], Шевчуком и Ирибарне [515].

Таблица 52 (см. скан) Зависимость электризации при соударении шаров и капель в электрическом поле от размеров капель (нижний электрод конденсатора, создающего поле, положительный, верхний заземлен, напряженность поля

По В. М. Мучнику [130]

Были также выполнены исследования с ледяными шарами. Для их изготовления употреблялась питьевая вода. Таяние ледяного шара приводило к трудности, которую в условиях исследований не удалось устранить. При температуре выше 0° С, большой влажности воздуха и быстром вращении шаров происходит настолько интенсивное таяние льда, что от шара непрерывно отрываются капельки.

Из табл. 53 следует, что знаки зарядов, образующихся при встречном соударении капель с ледяными шарами, такие же, как и в случае встречного соударения с металлическими шарами, при

одинаковом направлении электрического поля. Величина же зарядов при соударении капель с ледяными шарами получается несколько большей, чем при соударении с металлическими шарами. Причинами этого являются добавочная электризация за счет капель, образующихся при таянии, и более интенсивное образование капель на поверхности с водяной пленкой.

Таблица 53 (см. скан) Зависимость электризации при соударении ледяных шаров и водяных капель от напряжеииости электрического поля (нижний электрод конденсатора, создающего поле, отрицательный, верхний заземлен, соударение встречное, диаметр капли 4,4 мм). По В. М. Мучнику [130]

Как указывалось выше, должна существовать зависимость электризации в электрическом поле от угла соударения между проводящей сферой и каплей. Стальной шар диаметром 3 см при падении соударялся с каплями диаметром подвешенными на изолированной нити, в вертикальном поле напряженностью Опыты проводились для углов и 90° (точнее, около 90°), т. е. характер соударения капель с шаром изменялся от центрального до легкого, скользящего соприкосновения. Кроме того, изменяя высоту падения шара по отношению к капле, можно было исследовать зависимость электризации от скорости соударения. Для получения среднего значения заряда шара производилось 10—15 измерений в каждой серии опытов (табл. 54).

Таблица 54 (см. скан) Зависимость электризации от угла и скорости соударения металлического шара и капель воды (напряженность поля диаметр капель 2,2-2,6 мм). По В. М. Мучнику [131]

Из табл. 54 видно, что при одном и том же направлении поля знак и величина зарядов зависят от угла соударения между каплями и шаром. Из того, что в положительном поле (опыты 1, 2, 3) шар при краевых соударениях с каплями получает положительные заряды, следует, что капли скользят по поверхности шара и отрываются в его верхней половине. При центральных соударениях (опыты 1, 2, 3) шар получает отрицательные заряды, так что капли в основном отражаются от его нижней половины. Если направление поля меняется на обратное (опыт 4), то обнаруживается соответствующая перемена знаков зарядов. С увеличением скорости соударения шара с каплями под углами 90, 15 и 0° происходит пропорциональное увеличение зарядов.

Левин [395а] выполнил исследование электризации капель дождя при соударении с металлическим шаром диаметром 2,5 см в электрическом поле напряженностью от нуля до Он получил, что в общем с увеличением напряженности поля заряд шара растет.