3.2.5. Электризация при разрушении капель в электрическом поле

Эльстер и Гейтель [290] первыми обратили внимание на возможное влияние разрушения капель в электрическом поле на образование зарядов в грозовых облаках. Они считали, что при разрушении больших капель в электрическом поле должно происходить разделение зарядов, образующихся на каплях благодаря поляризации: на маленьких капельках возникают заряды одного знака, а на более крупных каплях — заряды противоположного знака. Эти представления подверг критике Симпсон [519]. Он указал, что, согласно опытам Ленарда [392], при разрушении крупных капель все фрагменты разлетаются радиально, симметрично по отношению к капле. Поэтому как крупные, так и мелкие капельки в вертикальном электрическом поле имеют одинаковую вероятность получить заряды того или иного знака, и никакое макроразделение зарядов в гравитационном поле не должно иметь места. Это ошибочное мнение не подвергалось пересмотру до 1945 г., пока В. М. Мучник в ряде предварительных качественных опытов 1 не получил, что при разрушении крупных капель в электрическом поле на крупных фрагментах образуются заряды в основном одного знака, а на водяной пыли — заряды другого знака, что обусловливает их разделение в гравитационном поле Земли.

В конце 40-х и в 50-х годах ряд исследователей обратил внимание на возможное влияние разрушения крупных капель в электрическом поле на процессы образования зарядов в грозовых облаках. В. С. Комельков [86] указал: «Возникающие в начальной стадии грозообразования положительно электризованные облачные массы влияют на дальнейшие процессы, создавая аномальное поле, в котором осуществляется разбрызгивание. Капли воды падают в зону разбрызгивания уже будучи поляризованными, что придает баллоэлектрическим явлениям новые особенности». Укажем еще, что Мейсон [428] в 1953 г., не будучи, по-видимому, знакомым

с исследованиями В. М. Мучника в этом направлении, считал, что отсутствуют исследования по электризации при разрушении капель в электрическом поле.

В. М. Мучник [119, 123, 124] исследовал электризацию при разрушении капель в вертикальной струе воздуха в электрическом поле. При разрушении крупной капли большие фрагмейты падали вниз, а мельчайшие капельки и, по-видимому, легкие и тяжелые ионы уносились струей, т. е. происходило разделение индуцированных на капле зарядов. На рис. 66 приведены данные о зависимости заряда при разрушениях капель диаметром 5,8 мм от напряженности поля (капли из питьевой воды). В большинстве случаев разрушения происходили весьма интенсивно. Всего было выполнено пять серий опытов со средним количеством капель 80—90 в каждой из них.

Рис. 66. Зависимость образования зарядов при спонтанном разрушении капель воды от напряженности электрического поля. По В. М. Мучнику [123].

Как видно из рисунка, существует прямо пропорциональная зависимость между зарядом и напряженностью поля в согласии с (79). Изменение направления поля приводило к соответствующему изменению знака заряда, образующегося при разрушении капель. При нормальном направлении поля крупные фрагменты капель получали положительные заряды.

При сильном, грибообразном разрушении капель заряды оказываются значительно большими, чем при их слабом, гантелеобраз-ном разрушении, как следует из данных Мучника [119]. При одинаковой напряженности поля средний заряд при сильном разрушении капель оказался почти в 5 раз больше, чем при слабом разрушении. Из этих опытов следует, что разрушение капель является не однородным процессом и степень раздробления капель при одном и том же типе разрушения, например грибообразном, может быть весьма различной.

По рис. 66 можно определить, что при интенсивном, как правило, грибообразном разрушении капли радиусом 2,9 мм в поле напряженностью образуется заряд в среднем равный На основании (79) для той же напряженности поля и того же радиуса капли находим Следовательно, в этом случае заряд, образующийся в электрическом поле, примерно в 25 раз больше вычисленного. Поэтому можно предположить, что в среднем размер капли в момент грибообразного разрушения в 5 раз больше, чем эффективный радиус капли. Этот результат согласуется с данными опытов Гохшвендера (см. в [394]), В. И. Арабаджи [7], Метьюса и Мейсона [436], Котона и Гокхейля

[272] и др., которые показали, что в момент грибообразного разрушения капли увеличивают свои размеры по сравнению с эффективными в несколько раз. Кроме того, можно полагать, что в момент разрушения капля принимает форму эллипсоида, вытянутого в вертикальном направлении, что также должно привести к увеличению индуцированного заряда. Согласно Нолану [460], за счет баллоэлектрического эффекта при интенсивном разрушении одной капли образуется заряд который, следовательно, на два порядка меньше заряда, образующегося при разрушении капли в поле напряженностью

Как было показано в разделе 3.1.7, баллоэлектрический эффект сильно зависит от содержания солей и для больших концентраций равен нулю. Для того чтобы проверить, какое влияние могут оказать примеси на электризацию при разрушении капель в электрическом поле, Мучник [119] провел исследование с раствором воды, т. е. с раствором большой концентрации, и с дистиллированной водой, выдержанной в закупоренной бутылке в течение двух недель и представляющей собой слабый раствор солей. Было получено, как и следовало ожидать, что использование сильных и слабых растворов взамен питьевой и дистиллированной воды не приводит к какому-либо изменению интенсивности электризации.

В. М. Мучник [124] исследовал образование ионов при разрушении капель в электрическом поле. Предполагалось, что как легкие, так и тяжелые ионы несут один элементарный заряд. Было получено, что число легких ионов, образующихся при интенсивном разрушении одной капли радиусом 2,9 мм в поле напряженностью имеет порядок 105, а их суммарный заряд равен тогда как количество тяжелых ионов достигает 109, что соответствует суммарному заряду около При учете тяжелых ионов, образующихся за счет баллоэлектрического эффекта без электрического поля, оказалось, что их заряд при напряженности поля равен Если считать, что нет существенных потерь зарядов при измерениях, то суммарный заряд тяжелых ионов должен быть равен и противоположен по знаку суммарному заряду крупных фрагментов. Этот заряд можно определить по графику рис. 66. Он оказался равным Принимая во внимание приближенный способ измерения количества тяжелых ионов, следует считать согласие между этими данными достаточно хорошим.

В опытах, проведенных Мучником [119], была показана сильная зависимость величины заряда от интенсивности разрушения капли.

Для того чтобы обнаружить влияние интенсивности разрушения на образование тяжелых ионов, Мучник [124] выполнил опыты с отдельными каплями в поле напряженностью При слабом разрушении одной капли образуется в среднем заряд тогда как при сильном разрушении возникает заряд т. е. почти в 20 раз больший. Эта величина значительно превышает значение, полученное ранее Мучником [119], и ее следует считать более точной. Действительно, если для напряженности

поля определить заряд по графику рис. 66, то он окажется равным что находится в хорошем согласии с приведенным выше значением. Согласно (79) должна существовать пропорциональность между суммарным зарядом тяжелых ионов, образующихся при разрушении капель в электрическом поле, и напряженностью поля. Такая зависимость в пределах точности эксперимента была получена для напряженности поля от до

Исследования электризации при разрушении капель в электрическом поле выполнили Магоно и Коэнума [414], Метьюс и Мейсон [436].

Магоно и Коэнума [414] исследовали электризацию при разрушении капель питьевой воды диаметром 6,2 мм в горизонтальном электрическом поле напряженностью Каждая капля разрушалась в вертикальной воздушной струе примерно на 10 капелек; заряд одной из них измерялся. Было обнаружено, что независимо от направления поля на капельках образуются заряды обоих знаков, но с преобладанием одного из них. Предположив, что измеренный заряд на капельке составляет 1/5 общего заряда, образующегося на капле при ее разрушении, с учетом заряда баллоэлектрического эффекта, Магоно и Коэнума получили средние заряды равными Заметим, что при большом числе опытов они должны были получить одинаковые заряды обоих знаков, так как условия разрушения капель были симметричными по отношению к электрическому полю. Необходимо учитывать, что в горизонтальном поле заряды разных знаков образуются на частицах примерно одинаковых размеров, потому что их разделение в гравитационном поле не будет систематическим. Так как в рассмотренных опытах происходило интенсивное разрушение капель, сопоставим эти результаты с результатами В. М. Мучника [123] для вертикального поля. На основании экстраполяции графика рис. 66 для средний заряд равен т. е. в 4 раза больше заряда, полученного Магоно и Коэнума.

Метьюс и Мейсон [436] исследовали электризацию при разрушении капель в вертикальном электрическом поле. Капли с начальным эквивалентным диаметром 1,5 см падали в спокойном воздухе с высоты 12 м, принимая при разрушении грибообразную форму, причем диаметр «гриба» превышал 2 см. Измерялись заряды и объем фрагментов. Все опыты проводились с дистиллированной водой, за исключением одного, когда использовалась питьевая вода. Авторы установили, что водяная пленка в момент разрушения капли имеет толщину около 10 мкм. Они получили, что до увеличение объема фрагментов капель сопровождается увеличением их зарядов. При перемене направления поля происходило соответствующее изменение знаков зарядов на фрагментах, но не все фрагменты имели заряды одинакового знака. Это означает, что, кроме основных фрагментов, образующихся из нижней тороидальной части капли, получаются сравнительно крупные фрагменты из верхней части капли. По данным о зарядах на фрагментах авторы

вычислили среднюю плотность зарядов на каплях: соответственно для напряженностей поля