книги из ГПНТБ / Мучник, В. М. Физика грозы

рицательный потенциал по отношению к более холодному. Обнару­ жилось, что величина разности потенциалов зависит от скорости разрыва контакта и чем больше скорость, тем больше разность по­ тенциалов. Брук объясняет это явление уменьшением емкости в разрывном промежутке в процессе разрыва контакта и соответст­ вующим ростом разности потенциалов. Обращение знака разности потенциалов для чистого льда происходило при разности темпера­ тур около ДѲ = 0°С. Если же одно из ледяных тел состояло из раствора ІО-4 N NaCI, то изменение полярности смещалось к ДѲ = = —4° С. Брук считает, что существуют два основных фактора, ко­

съ /0‘ 8 Кл/м’

Рис. 51. Зависимость плотности а поверхностного заряда от времени t контакта .между частицами льда. По Лезему и Мейсону [380].

торые обусловливают процесс электризации при контакте лед—лед: 1) электропроводность льда, обеспечиваемая механизмом протон­ ного переноса, и 2) «пироэлектрический эффект второго порядка», который заключается в том, что в ледяном кристалле вследствие температурного градиента появляется индуцированный дипольный момент. В результате происходит объемная и поверхностная поля­ ризация. Этот эффект, комбинируясь с протонной проводимостью, позволяет объяснить результаты экспериментов. Необходимо отме­ тить, что, согласно Воркмену и др. [585], действие примесей такого рода, как щелочные галоиды, сказывается на увеличении проводи­ мости льда за счет того, что примесные ионы понижают энергию активации протонов. Тем самым обеспечивается увеличение протонной проводимости льда.

Лезем и Мейсон [380] развили теорию электризации при кон­ такте двух кусков льда с разной температурой, например Ѳі и Ѳ2. Они получили, что плотность поверхностного заряда а зависит от длительности контакта t (рис. 51). Максимальное значение заряда дается выражением

для tfmax = 8,5 • 10~3 с (сгщах в Кл/м2). Если время контакта нена­ много превышает ІО"2 с (рис. 51), то можно получить значитель­ ные заряды, зависящие от разности температур кусков льда, всту­ пающих в контакт.

Лезем и Мейсон [380] поставили ряд экспериментов для про­ верки своей теории. Они измеряли заряд, образующийся при сопри­ косновении двух кусков льда толщиной 0,5 мм с заданным време­ нем контакта от 0,2 до 70 с. Существовала также возможность про­ водить опыты при времени контакта ІО-2 с. Результаты измерений хорошо согласуются с вычислениями. При большом времени кон­ такта наблюдалось уменьшение заряда, однако более значитель­ ное, чем вытекало из вычислений. Лезем и Мейсон считают, что причиной этого могут быть конечные размеры ледяных образцов. В согласии в Бруком [244] было получено, что если образец льда, изготовленный из раствора NaCl, был теплее, чем образец из ди­ стиллированной воды, то возникал больший заряд, чем для двух образцов из дистиллированной воды при той же разности темпера­ тур. Однако если качественно результаты опытов Лезема и Мей­ сона [380] совпадали с результатами Брука [244], то количественно они не соответствовали друг другу: заряды по крайней мере на по­ рядок оказались меньше.

Столь значительное несоответствие между опытами Лезема и Мейсона [380], с одной стороны, и Брука [244] — с другой, требует объяснения, поскольку результаты обеих работ представляют боль­ шой интерес. Так как не приходится сомневаться в высоком ка­ честве выполнения экспериментов, то, надо полагать, наблюдаемое несоответствие происходит вследствие различий в условиях прове­ дения этих экспериментов, которые можно усмотреть в особенно­ стях осуществления контакта ледяных поверхностей. У Лезема и Мейсона [380] один кусок льда был неподвижным, жестко закреп­ ленным, а другой — подвижным; последний специальным устрой­ ством подавался вперед до наступления контакта. В этом случае контакт был «жестким». В установке же Брука [244] неподвижный кусок льда подвешивался на нити, и поэтому при соударении его с подвижным куском льда контакт вряд лц был жестким, так как под действием удара кусок льда на нити отскакивал. Длительность и площадь контакта должны быть в этом случае меньшими. По­ этому возможность утечки зарядов при разрыве контакта в опытах Брука меньше, чем у Лезема и Мейсона. По-видимому, вследствие этого заряды, полученные Бруком, оказались значительно больше, чем у Лезема и Мейсона. На результатах экспериментов должны были также сказаться различия в форме и составе льда, которые влияют на степень электризации.

Хатчинсон [341], Эванс и Хатчинсон [294] пытались получить величину заряда, который разделялся при соприкосновении ледя­ ных кристаллов, образовавшихся в результате сублимации. Время контакта могло изменяться от 0,2 до 0,5 с, площадь соприкоснове­ ния— от 0,2 до 2 мм2, разность температур кристаллов — от 0 до 14°С. Хотя чувствительность установки была около 2 -ІО“14 Кл,

178

даже при максимальной разности температур контактирующих ле­ дяных кристаллов заряжение не обнаруживалось.

Рассмотренные экспериментальные исследования электризации при контакте ледяных частиц дают качественное подтверждение градиентной теории электризации Лезема и Мейсона. Так как эта теория не учитывала влияния ионов примесей на протонную элект­ ропроводность льда, то в дальнейшем Джакард [347] разработал более полную теорию. Экспериментальная проверка этой теории, осуществленная Брайантом и Флетчером [253] и др., позволяет счи­ тать, что в общем получено подтверждение теории. Несоответствия между вычислениями и экспериментальными данными для льда с примесями необходимо отнести за счет трудностей в получении достоверных экспериментальных данных, а также за счет того, что ряд констант, входящих в уравнения, известен с недостаточной точностью.

Если обратиться к исследованиям электризации при трении ледяных частиц, то сразу же обнаруживается чрезвычайно большое разнообразие в условиях экспериментов (табл. 41), что в значи­ тельной степени затрудняет их анализ.

Согласно табл. 41, если температура тела выше температуры ледяных частиц, то заряды частиц, как правило, положительные, что согласуется с градиентной теорией. Вместе с тем некоторые эксперименты находятся в противоречии с этой теорией — заряды появляются при отсутствии разности между температурами тела и частиц. Наблюдается также огромное различие между получен­ ными из разных экспериментов величинами зарядов, образующихся при единичном соударении ледяной частицы с телом. В связи со столь разнообразными результатами представляет интерес привести некоторые подробности этих экспериментов, а также экспериментов, которые по различным причинам не вошли в табл. 41.

Лезем и Стоу [389] в лаборатории прогоняли поток ледяных частиц по снежной поверхности. Они получили, что степень элект­ ризации увеличивалась с увеличением разности температур ледя­ ные кристаллы — снежная поверхность и с увеличением скорости потока. С увеличением влажности воздуха происходило уменьшение степени электризации. В потоке были обнаружены ионы обоих знаков; концентрация положительных ионов составила 4,6-ІО9 м-3,

аотрицательных 4,8- 10® м_3, т. е. оказалась весьма большой.

Вопытах Лезема и Мейсона [380] происходило множество со­ ударений ледяных кристаллов с ледяным цилиндром. Они полу­ чили, что величина зарядов была линейной функцией от разности температур цилиндра и кристаллов. При температурах около 0° С кристаллы начинали прилипать к поверхности цилиндра. Если лед цилиндра изготовлялся из раствора NaCl с концентрацией, соот­ ветствующей содержанию NaCl в дождевой воде, то заряжение происходило так, как будто температура льда повышалась на 2° С.

Чарч (см. в [342]) исследовал электризацию при соударении ледяных кристаллов с пробным ледяным телом. При увеличении скорости соударения от 20 до 60 м/с заряжение увеличивалось

в 16 раз. Эта зависимость электризации от скорости соударения указывает на различия в условиях опытов Чарча, с одной стороны, Лезема и Мейсона — с другой, так как последние не обнаружили какой-либо систематической зависимости электризации от скорости соударения в пределах от 1 до 30 м/с,

У Хоббса и Бароуза [338] ледяная сфера, вращавшаяся в среде снежных кристаллов, получала отрицательный заряд, если темпе­ ратура воздуха была ниже —4° С, а если температура превышала —4° С, то заряд сферы в основном определялся зарядом самих снежных кристаллов, который они имели до соударения. Если же вместо снега наблюдалась крупа, то сфера всегда заряжалась по­ ложительно. В опытах Бароуза и др. [254] ледяная сфера враща­ лась со скоростью'от 0 до 13 м/с. Были подтверждены результаты Хоббса и Бароуза и, кроме того, получена сравнительно тесная связь между градиентом потенциала электрического поля и знаком заряжания ледяной сферы. Авторы [254] считают, что основным механизмом электризации при соударении в естественных условиях ледяных частиц с ледяной сферой является перенос зарядов с ледя­ ных частиц на сферу, что подтверждается связью между электри­ ческим полем и знаком заряда сферы. В этих опытах не производи­ лось прямое измерение зарядов и размеров ледяных частиц, что приводит к некоторой недостоверности выводов, сделанных авторами.

Из опытов Скотта и Хоббса [510] следует, что при скоростях соударения около 10 м/с между снежинками в виде звездочек и по­ лусферой из льда состояние поверхности — шероховатость, темпе­ ратура — не оказывает заметного влияния на величину зарядов. С ростом скорости соударения происходит увеличение среднего за­ ряда. Поэтому Скотт и Хоббс считают, что электризация обус­ ловливается в основном разрушением ледяных звездочек. В даль­ нейшем Скотт [509] выполнил такие же исследования с разными типами ледяных частиц. Оказалось, что звездочки могут сообщать ледяной поверхности положительные или отрицательные заряды, но в каждом снегопаде знак заряда постоянный. Спектр зарядов имел логарифмически-нормальное распределение. Максимальные заряды превышали 10-12 Кл. При соударениях с крупой и обзерненными дендритами поверхность получала как положительные, так и отрицательные заряды, но средний заряд оказался положи­ тельным и сравнительно небольшим. Эти исследования подтвер­ дили, что электризация вызвана в основном разрушением ледяных частиц.

Лезем [374] исследовал электризацию при срывании частичек инея с поверхности пластинки под действием потока воздуха. Он на­ шел, что существует линейная зависимость между средней вели­ чиной зарядов осколков инея и разностью температур поверхности пластинки и воздуха. При разности температур 10°С среднее из­ меренное значение заряда осколка инея (2• 10~16 Кл) согласова­ лось с максимальным зарядом, предсказанным градиентной тео­ рией (1,3- ІО-16 Кл). Однако это значение почти на порядок меньше

181

максимального значения заряда осколков (7* ІО-16 Кл). Лезем счи­ тает, что несоответствие обусловлено электризацией трением.

Лезем и Стоу [388] исследовали зависимость электризации от скорости соударения образцов из чистого льда, имеющих разную температуру. Обнаружилось, что до скорости 7,5 см/с величина за­ рядов при увеличении скорости соударения заметно не изменяется, а выше этой скорости происходит быстрый рост зарядов. С увели­ чением скорости соударения прирост величины зарядов в зна­ чительной степени зависит от строения поверхности льда: при одно­ родном строении прирост значительно меньше, чем при неодно­ родном.

Определенный интерес представляют результаты наблюдений Магоно и Такахаши [418]. Пробными телами являлись тонкие ме­ таллические цилиндры, покрытые льдом. Кроме заряда пробного тела, измерялись заряды частиц до их соударения, а также опре­ делялись размеры и вид частиц. За исключением случаев, когда частицы снега имели большие собственные заряды, заряжение пробного тела происходило не в результате захвата зарядов частиц, а вследствие взаимодействия с частицами. Оказалось также, что знак заряжения при соударении с мельчайшими частицами снега противоположен тому, который наблюдается при соударении с крупными частицами. При соударении пробного тела из чистого льда с частицами снега диаметром 10—15 мкм оно заряжается по­ ложительно, а при соударении с частицами диаметром около 1000 мкм или круглой формы — отрицательно. Таким образом, на электризацию трением влияют как размеры, так и форма ледяных частиц. По мнению Магоно и Такахаши, при соударении снежи­ нок с поверхностью пробного тела, кроме трения, может происхо­ дить обламывание тончайших веточек снежинок, что должно ска­ зываться на электризации.

Лезем и Миллер [383] исследовали электризацию при столкно­ вении ледяной сферы с естественными снежинками. Они обнару­ жили, что степень электризации зависит от скорости вращения ■сферы и состояния ее поверхности. Ледяная сфера с гладкой по­ верхностью заряжалась положительно, а с шероховатой поверх­ ностью— отрицательно и более интенсивно. Величина зарядов оказалась значительно больше, чем это вытекает из градиентной теории. Лезем и Миллер считают, что основным механизмом элек­ тризации является асимметричное трение частиц о поверхность ■сферы, которое приводит к ее нагреванию и соответствующему переносу протонов, а также сказывается влияние шероховатости поверхности и скорости соударения.

Лезем и Стоу [388] исследовали влияние формы кусков чистого льда на электризацию при кратковременном контакте. Они полу­ чили, что при соприкосновении двух кусков льда, один из которых заострен, заряд увеличивается примерно на порядок.

На существование и роль асимметричного трения в электриза­ ции частиц обратили внимание еще Рейнольдс и др. [486], которые выполнили ряд экспериментов. Асимметричность трения прояв­

382

ляется в том, что одно тело прикасается к другому постоянно од­ ним и тем же местом, тогда как на втором теле место соприкосно­ вения все время обновляется, например, когда конец стержня движется по поверхности пластинки. Шоу [514] указал, что тело с меньшей поверхностью соприкосновения при трении будет на­ греваться до более высокой температуры, чем тело с большей по­ верхностью соприкосновения, что приводит к различиям в знаке их заряжения. В опытах Рейнольдса асимметричное трение достига­ лось перемещением одного металлического стержня, покрытого льдом, относительно другого. Было обнаружено, что при трении стержней, покрытых льдом из дистиллированной воды, в холодиль­ ной камере при температуре до —'50° С более нагретый стержень всегда заряжается отрицательно. Если один из стержней был по­ крыт льдом из раствора 10~4 М NaCl, то этот стержень всегда заряжался отрицательно. При этом влияние разности температур не проявлялось, даже если она достигала 25° С. Если площадь контакта локализовалась на стержне со льдом из дистиллирован­ ной воды, то заряд был очень небольшим; если она локализовалась на стержне со льдом из раствора, то возникал значительный заряд, т. е. обнаруживался «ненаправленный» эффект электризации.

Рейнольдс и др. [486] дали этому «ненаправленному» эффекту электризации при трении объяснение, следующее из опытов Банделя. Бандель [220] получил, что при коронном разряде с ледяных стержней, изготовленных из дистиллированной воды с большим сопротивлением, течет ток силой 5- ІО-12 А, тогда как со стержней, изготовленных из питьевой воды,— ток ІО-9 А. Авторы [486] повто­ рили опыты Банделя с ледяными стержнями из дистиллированной воды и из раствора ІО-4 М NaCl. Если при промежутке между электродами в 1 мм при потенциале 7000 В для льда из дистилли­ рованной воды не обнаруживался отчетливый коронный разряд, то для льда из раствора он возникал уже при 3500 В, причем ток достигал ІО-8 А. Поэтому Рейнольдс и др. считают, что когда тре­ ние, а значит и заряд, локализуется на ледяном стержне из дистил­ лированной воды, возникает сильное местное электрическое поле, которое пробивает воздушный промежуток при разрыве контакта и нейтрализует заряды. Если же трение, а вместе с тем и заряд рас­ пределяются по льду из дистиллированной воды, происходит только частичная нейтрализация и разделяются сравнительно большие заряды.

Лезем [373] провел опыты, которые подтвердили значение асим­ метричного трения в нагревании льда и электризации. По пластине льда длиной 1,5 м, установленной под углом к горизонту в холо­ дильной камере с температурой от нуля до —20° С, скользил куб из льда. Вследствие асимметричного трения нижняя поверхность куба могла нагреваться на несколько градусов, причем тем больше, чем больше была степень асимметрии, выражавшаяся в отношении длины пластины к стороне куба. Заряд в согласии с теорией Лезема и Мейсона [380] оказался линейной функцией от разности температур пластины и куба.

183-

Магоно и Шиоцуки [417] обнаружили, что при асимметричном трении двух прутов, покрытых льдом, электризация зависит также от того, является ли лед прозрачным или матовым, т. е. насыщен­ ным пузырьками воздуха. В дальнейшем Лезем [376], повторив свои опыты с ледяным кубом, скользящим по ледяной поверхности, но при разных сочетаниях прозрачного и матового льда, пришел к вы­ воду, что знаки разделяющихся зарядов согласуются с теорией Лезема и Мейсона [380], однако их величина значительно превышает

.значения, предсказанные теорией, если один или оба образца льда

бой крошечные поликристаллы. Ход электризации в интервале тем­ ператур от —8 до —5° С напоминает ход, показанный на рис. 52, но область положительных зарядов почти исчезает, а в интервале от —3 до —1,5° С она исчезает совсем. Авторы показали, что мато­ вый лед при асимметричном трении с прозрачным льдом всегда за­ ряжается положительно, независимо от разности температур. Они

•считают, что основная причина изменения электризации заклю­ чается в особенностях изменений границ зерен льда.

Магоно и Такахаши [419] исследовали электризацию при соуда­ рении ледяных частиц с пробным телом, покрытым слоем чистого льда. Ледяные частицы получали путем дробления блока из естест­ венного снега. Они имели размеры около ) мм и, как правило, большие отрицательные заряды, в пределах 10'10 —10-11 Кл. При соударениях пробное тело заряжалось отрицательно. Авторы счи­ тали, что в заряжении играют роль размеры и особенности форм ледяных частиц — крупных и округлых, но они совсем не учиты­ вали больших собственных зарядов частиц. При нагревании проб­ ного тела на 2—4° С выше температуры воздуха, которая находи­ лась в пределах от —11 до —33° С, появлялась тенденция к смене

184

знака заряда пробного тела на положительный пли к уменьшениюотрицательного заряда, что указывает на образование при соуда­ рениях положительных зарядов за счет разности температур.

В экспериментах Такахаши [540] две ледяные сферы из чистого льда диаметром 1,4 см соприкасались друг с другом с последую­ щим разрывом контакта. Измерялись разность потенциалов ледя­ ных сфер и силы сцепления в момент разрыва контакта. Темпера­ туры ледяных сфер различались примерно на 6° С. При силах сцеп­ ления меньше 7 • ІО-5 Н потенциалы на сферах при разделении были небольшими, причем на более нагретой сфере оказывались отри­ цательные заряды. Для сил сцепления свыше 7 • ІО'5 Н наблюда­ лось быстрое увеличение потенциала. При больших значениях сил сцепления между сферами прорастали нити инея, которые разру­ шались с разрывом контакта. Из этих опытов следует, что увели­ чение зарядов вызвано разрушением ледяных перемычек при нали­ чии температурного градиента. Такахаши наблюдал увеличениеразделяющихся зарядов с увеличением площади сечения нитей инея, разрушающихся с разрывом контакта. При градиенте тем­ пературы 1000° С/м разделяется заряд 10_6 Кл/м2. Согласно расчету, выполненному для ледяного кристалла сечением 10X100 мкм, при разломе кристалла должен образоваться заряд ІО-14 Кл, что на один порядок меньше зарядов, измеренных Рейнольдсом и др. [486], Магоио и Такахаши [419]. Если учесть, что при соударении ледяной частицы с пробным телом может произойти разрушение не одной нити инея, а нескольких, то можно считать, что получено согласие между данными этих опытов. Такахаши [540] считает, что наблю­ даемая электризация при разрушении ледяной частицы обуслов­ лена активацией энергии протонов, находящихся вблизи плоскости разлома, за счет дополнительной механической энергии. Так как благодаря градиенту температуры происходит перераспределение протонов, причем на более холодной стороне их будет больше, чем на теплой, то механическая энергия приведет к увеличению ве­ роятности перехода протонов из теплой части в холодную. В от­ сутствие градиента температуры при разрыве контакта с разруше­ нием частиц инея заряды должны быть небольшими и случайнораспределенными, что подтверждается данными опытов.

Рейтер [481], Рейтер и Карнат [483] исследовали зависимость электризации при разламывании ледяных кристаллов игольчатой формы от градиента концентрации NCV. Фрагменты с большей кон­ центрацией ионов заряжались отрицательно. При градиенте кон­ центрации, равном нулю, электризация также была равна нулю. Максимальная электризация при десятикратном превышении кон­ центрации ионов в ледяных осколках оказалась весьма большой: около ІО'4 Кл/кг. Как отмечает Рейтер, подобным образом проис­ ходит электризация и при существовании градиента концентрации других включений. Это находится в согласии с исследованиями Рейнольдса и др. [486], которые получили, что при контакте льда, приготовленного из раствора с концентрацией ІО'4 М NaCl, с чис­ тым льдом первый заряжался отрицательно.

185

Анализ исследований электризации при контакте и трении ле­ дяных частиц приводит к выводу, что степень и знак электризации зависят от весьма большого числа факторов. Вследствие много­ образия факторов чрезвычайно трудно контролировать условия опытов и установить значение каждого из них, что необходимо для развития количественной теории электризации ледяных частиц при трении.

Следует, однако, отметить, что в грозовых облаках процессы соударения сухих частиц льда при отсутствии переохлажденных капелек могут происходить только в верхних частях наковален и, по-видимому, электризация за счет таких процессов играет срав­ нительно скромную роль в образовании основных заряженных областей. Значительно более существенную роль должна играть электризация при соударении ледяных частиц в смеси с переохлаж­ денными капельками, что может иметь место во всей толще облака выше уровня изотермы 0еС.

3.1.4. Электризация при замерзании воды и ее растворов

При соприкосновении двух тел, состоящих из различных ве­ ществ либо из одного вещества, но в разных фазах, в частности воды и льда, на их границе возникает двойной электрический слой. Можно ожидать, что, вследствие различий в подвижности ионов разных видов в воде и во льду, при замерзании воды будет проис­ ходить сепарация ионов, а в результате — электризация воды и льда. Такое представление было выдвинуто Воркменом и Рейнольд­ сом [584], которые наблюдали электризацию при замерзании сла­ бых растворов воды. Еще до них это явление наблюдали Динджер и Ганн [281]. Они, так же как Воркмен и Рейнольдс, для измерения разности потенциалов устанавливали один электрод в воде, а дру­ гой— во льду. Даже при использовании дистиллированной воды высокой очистки разность потенциалов оказалась сравнительно большой (6—10 В), но авторы [281] не придали этому явлению ка­ кого-либо самостоятельного значения.

Разделение электричества при преобразовании фаз свойственно не только водным раствором. Еще в 1942 г. Рибейро [488] уста­ новил, что при затвердевании органических диэлектриков (пара­ фина, нафталина, карнаубского воска) наблюдается электризация. Азума и Каметани [219] показали, что при кристаллизации таких веществ, как NaCl, KCl и др., появляются электрические заряды.

Воркмен и Рейнольдс сбрасывали капли воды на сильно охлаж­ денную металлическую поверхность. При замерзании капель между жидкой и твердой фазами воды устанавливалась большая разность потенциалов, которую они приписывали целиком процессу замерза­ ния воды. Вода в этих опытах приобретала отрицательный заряд. Основные опыты Воркмен и Рейнольдс [584] выполнили на уста­ новке, в которой для замораживания раствора в кювете исполь­ зовался массивный медный блок, поддерживаемый при постоянной температуре от —5 до —30° С. До тех пор пока вода намерзала,

186