Главная > Разное > Физика грозы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

3.1.3. Электризация при контакте и трении ледяных частиц

Согласно Гельмгольцу, при контакте двух тел разной химической природы на поверхностях соприкосновения образуются заряды в виде двойного электрического слоя, которые при разделении тел могут остаться на них уже как свободные. В этом случае разность потенциалов двойного электрического слоя пропорциональна контактной разности потенциалов тел. Эти верные в основе своей представления все же совершенно недостаточны для описания механизма образования зарядов при контакте, так как их величина зависит от многих факторов: кроме химического состава тел, от их кристаллической структуры, геометрии, упругости, теплового состояния, молекулярных сил сцепления, относительной скорости и условий соударения, электропроводности и диэлектрической проницаемости, плотности окружающей среды и пр. Именно поэтому происходит электризация также при контакте тел одинаковой химической природы.

Согласно Харперу [333], М. М. Бредову и И. 3. Кшемянской [16], И. М. Имянитову [59] и др., величина зарядов определяется условиями, существующими в момент разрыва контакта. При контакте происходит обмен электронами и ионами между телами до тех пор, пока не наступает термодинамическое и электростатическое равновесие, которому будет соответствовать разность потенциалов,

равная контактной разности потенциалов. При быстром разрыве контакта происходит нарушение термодинамического равновесия, которое вызывает возникновение некоторой разности потенциалов, зависящей от общей емкости тел в новом положении и зарядов, образовавшихся при контакте и не успевших стечь.

Если считать, что расстояние, на котором прекращается обмен зарядами между плохо проводящими телами, при разрыве контакта имеет порядок Имянитов [59]) и что относительная скорость их движения после контакта лежит в пределах то время, необходимое для разлета их на такое расстояние, оказывается равным Для льда на основании (51) было получено время, необходимое для растекания заряда в случае постоянного поля, с (см. стр. 168), величина, на много порядков превышающая время разлета тел. Но при разлете происходит быстрое изменение напряженности поля в зазоре между телами, т. е. поле является не постоянным, а переменным. Для высокочастотных электрических полей при можно принять для льда Тогда т. е. по крайней мере на порядок больше времени разлета тел. На основании этой оценки можно считать, что для случая соударения ледяных частиц требование, чтобы заряды за время разлета тел не успели стечь с места образования, полностью выполняется.

После разъединения тел термодинамическое равновесие восстановится по отношению к среде, в которой находятся тела. В конечном счете между поверхностями этих тел установится разность потенциалов, равная разности работ выхода электронов и ионов. При разрыве контакта до расхождения тел на такое расстояние, при котором прекращается перенос зарядов с одного тела на другое, осуществляется перенос электронов в зазоре за счет газового разряда или туннельного эффекта.

При соприкосновении двух частиц с разной химической природой в месте контакта устанавливается разность потенциалов которая зависит от работы выхода электронов и В случае диэлектриков поле зарядов будет проникать на некоторую глубину под поверхность частиц, зависящую от их свойств, и для каждой частицы установится некоторая разность между потенциалами на поверхности и в глубине, соответственно Под действием разности потенциалов произойдет переход электронов из одной частицы в другую, поле которых скомпенсирует эту разность потенциалов. В случае соприкосновения металлических частиц, у которых поле практически не проникает внутрь тел,

Если предположить, что частицы соприкасаются в пределах некоторой площади 5 и расстояние между ними в среднем равно тогда заряд в плоском конденсаторе емкостью компенсирующий разность потенциалов, будет равен [59]

Вследствие утечек заряд будет меньше на величину, определяемую временем релаксации и длительностью контакта

и

где и соответственно диэлектрическая проницаемость и электропроводность частиц.

Существование линейной зависимости между зарядом и контактной разностью потенциалов для контакта металл — металл и металл — полупроводник было установлено в экспериментах Харпера [333], М. М. Бредова и И. 3. Кшемянской [16].

И. М. Имянитов [62] рассмотрел вопрос о равновесном заряде, который должна получить проводящая сфера радиусом при соударении со сферическими частицами радиусом Уравнением заряжания сферы будет

где заряд сферы; время; ток зарядки; и -ток разрядки за счет соударения с частицами и за счет проводимости воздуха соответственно. В результате Имянитов получил, что

где

К — коэффициент эффективности соударения; концентрация частиц; конечная скорость падения сферы; X — проводимость воздуха.

Так как не является постоянной величиной, а зависит от целого ряда обстоятельств (состояния поверхности в разных точках сферы, некоторого различия в примесях в частицах, угла и скорости соударения и т. п.), заряд сферы определяется как некоторая средняя величина. Согласно Мордовиной [118],

где средний заряд, образующийся в результате единичного акта соударения; число соударений в единицу времени. Формула (69) получила экспериментальное подтверждение в опытах

по электризации стальной сферы при соударениях со стальными шариками [70].

В Природных условиях при электризации частиц в облаках трудно представить случаи «чистого» контакта ледяных частиц, без трения. Вследствие этого условия электризации должны сильно изменяться, так как при трении возникают многочисленные, быстро протекающие контакты частиц в отдельных соприкасающихся точках и, кроме того, наблюдается разрушение поверхностного слоя в этих точках. Оба эффекта должны приводить к электризации трущихся частиц. Так как эти эффекты очень трудно разделить (во всяком случае, нам неизвестны экспериментальные исследования, в которых делались бы подобные попытки), то сейчас по этому поводу можно высказать только самые общие предположения. Так, рассматриваемые эффекты могут иметь как одинаковое, так и противоположное направление, что, по-видимому, зависит от свойств частиц льда. Если в процессе трения изменятся свойства частиц льда, то можно ожидать изменения как степени, так и знака их электризации.

Необходимо отметить, что контакт и трение частиц льда, происходящие при температурах, не очень отличающихся от 0° С, имеют особенности, не свойственные твердым телам другой химической природы. При трении ледяных частиц в месте соприкосновения происходит выделение тепла за счет механической энергии, которое может привести к плавлению тончайших слоев льда с образованием прослойки жидкой воды. Этим пытаются объяснить уменьшение коэффициента трения при скольжении по льду. Из многочисленных опытов было установлено, что при увеличении давления на 1 атм происходит понижение температуры плавления примерно на 0,0075° С. На этом основании можно полагать, что вряд ли давление при трении или контакте ледяных частиц играет существенную роль при низких температурах. При температурах, близких к 0° С, этот эффект, возможно, играет какую-то роль, особенно из-за того, что при трении тел площадь действительного соприкосновения значительно меньше общей площади, охватывающей все точки их соприкосновения, вследствие шероховатости поверхностей. При контакте без трения будет отсутствовать выделение тепла за счет трения одного тела о другое, тогда как давление одного тела на другое сохраняется. Следовательно, отличия могут заключаться в том, что при контакте интенсивность образования слоя меньше, чем при трении.

На электризацию ледяных частиц будет также оказывать влияние агдезия, которая в случае образования жидкого слоя должна быть вообще велика, особенно при его замерзании, приводящем к смерзанию частиц. При разрушении смерзшегося ледяного слоя также должна происходить электризация частиц.

Исследования электризации при трении твердых тел или частиц имеют наиболее длинную историю, начавшуюся, по-видимому, в то время, когда было установлено, что при натирании янтаря появляются электрические силы. Вместе с тем трудно себе представить

более сложную и капризную область исследований, чем электризация трением. Уже давно обнаружилось, что как знак, так и интенсивность электризации зависят от многих причин: химического состава вещества, свойств поверхности, механического напряжения, температуры, влажности воздуха и т. п. Поэтому неудивительно, что исследования электризации при трении льда или ледяных частиц были начаты только в XX в., когда выяснилось, что многие электрические явления в атмосфере происходят при участии ледяных частиц. В табл. 40 приведены результаты качественных опытов по электризации при трении ледяных частиц и тел.

Таблица 40 (см. скан) Электризация ледяных частиц при треиии

Как следует из табл. 40, при трении ледяных частиц о поверхность ледяных тел первые, как правило, электризуются отрицательно, а вторые — положительно. Однако этих данных совершенно недостаточно для описания процессов электризации при контакте и трении ледяных частиц. Именно поэтому в течение последних двух десятилетий было выполнено значительное число исследований, в которых обращалось особое внимание на количественные характеристики условий экспериментов по электризации при контакте и трении ледяных частиц. Остановимся сперва на исследованиях электризации при контакте.

Брук [244] изучал электризацию при контакте лед — лед, когда трение было почти полностью исключено. Было получено, что при контакте образуется разность потенциалов, зависящая от разности температур ледяных тел, причем при перемене знака разности температур происходило соответственное изменение знака разности потенциалов. Более нагретое ледяное тело приобретало

отрицательный потенциал по отношению к более холодному. Обнаружилось, что величина разности потенциалов зависит от скорости разрыва контакта и чем больше скорость, тем больше разность потенциалов. Брук объясняет это явление уменьшением емкости в разрывном промежутке в процессе разрыва контакта и соответствующим ростом разности потенциалов. Обращение знака разности потенциалов для чистого льда происходило при разности температур около Если же одно из ледяных тел состояло из раствора то изменение полярности смещалось к

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

Брук считает, что существуют два основных фактора, которые обусловливают процесс электризации при контакте лед—лед: 1) электропроводность льда, обеспечиваемая механизмом протонного 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 поляризация. Этот эффект, комбинируясь с протонной проводимостью, позволяет объяснить результаты экспериментов. Необходимо отметить, что, согласно Воркмену и др. [585], действие примесей такого рода, как щелочные галоиды, сказывается на увеличении проводимости 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 контакте двух кусков льда с разной температурой, например и . Они получили, что плотность поверхностного заряда о зависит от длительности контакта (рис. 51). Максимальное значение заряда дается выражением

для Если время контакта ненамного превышает с (рис. 51), то можно получить значительные заряды, зависящие от разности температур кусков льда, вступающих в контакт.

Лезем и Мейсон [380] поставили ряд экспериментов для проверки своей теории. Они измеряли заряд, образующийся при соприкосновении двух кусков льда толщиной 0,5 мм с заданным временем контакта от 0,2 до 70 с. Существовала также возможность проводить опыты при времени контакта Результаты измерений хорошо согласуются с вычислениями. При большом времени контакта наблюдалось уменьшение заряда, однако более значительное, 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 был теплее, чем образец из дистиллированной воды, то возникал больший заряд, чем для двух образцов из дистиллированной воды при той же разности температур. Однако если качественно результаты опытов Лезема и Мейсона [380] совпадали с результатами Брука [244], то количественно они не соответствовали друг другу: заряды по крайней мере на порядок 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 большой интерес. Так как не приходится сомневаться в высоком качестве выполнения экспериментов, то, надо полагать, наблюдаемое несоответствие происходит вследствие различий в условиях проведения этих экспериментов, которые можно усмотреть в особенностях осуществления контакта ледяных поверхностей. У Лезема и Мейсона [380] один кусок льда был неподвижным, жестко закрепленным, а другой - подвижным; последний специальным устройством 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 ли был жестким, так как под действием удара кусок льда на нити отскакивал. Длительность и площадь контакта должны быть в этом случае меньшими. Поэтому 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 ледяных кристаллов, образовавшихся в результате сублимации. Время контакта могло изменяться от 0,2 до 0,5 с, площадь соприкосновения — от 0,2 до разность температур кристаллов — от 0 до 14° С. Хотя чувствительность установки была около

даже при максимальной разности температур контактирующих ледяных 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 электропроводность льда, то в дальнейшем Джакард [347] разработал более полную теорию. Экспериментальная проверка этой теории, осуществленная Брайантом и Флетчером [253] и др., позволяет считать, 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 значительной 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 полученными 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 электризации увеличивалась с увеличением разности температур ледяные 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 а отрицательных т. е. оказалась весьма большой.

В опытах Лезема и Мейсона [380] происходило множество соударений ледяных кристаллов с ледяным цилиндром. Они получили, 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 с концентрацией, соответствующей содержанию 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 заряжение увеличивалось

(см. скан)

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 температура 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 положительно. В опытах Бароуза и др. [254] ледяная сфера вращалась 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 ледяных частиц на сферу, что подтверждается связью между электрическим полем и знаком заряда сферы. В этих опытах не производилось 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 полусферой из льда состояние поверхности — шероховатость, температура не оказывает заметного влияния на величину зарядов. С ростом скорости соударения происходит увеличение среднего заряда. Поэтому Скотт и Хоббс считают, что электризация обусловливается в основном разрушением ледяных звездочек. В дальнейшем 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 При соударениях с крупой и обзерненными дендритами поверхность получала как положительные, так и отрицательные заряды, но средний заряд оказался положительным и сравнительно небольшим. Эти исследования подтвердили, что электризация вызвана в основном разрушением ледяных частиц.

Лезем [374] исследовал электризацию при срывании частичек инея с поверхности пластинки под действием потока воздуха. Он нашел, что существует линейная зависимость между средней величиной зарядов осколков инея и разностью температур поверхности пластинки и воздуха. При разности температур 10° С среднее измеренное значение заряда осколка инея согласовалось с максимальным зарядом, предсказанным градиентной теорией Однако это значение почти на порядок меньше

максимального значения заряда осколков Лезем считает, 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 зарядов при увеличении скорости соударения заметно не изменяется, а выше этой скорости происходит быстрый рост зарядов. С увеличением скорости соударения прирост величины зарядов в значительной степени зависит от строения поверхности льда: при однородном строении прирост значительно меньше, чем при неоднородном.

Определенный интерес представляют результаты наблюдений Магоно и Такахаши [418]. Пробными телами являлись тонкие металлические цилиндры, покрытые льдом. Кроме заряда пробного тела, измерялись заряды частиц до их соударения, а также определялись 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 положительно, 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 Гакахаши, при соударении снежинок с поверхностью пробного тела, кроме трения, может происходить обламывание тончайших веточек снежинок, что должно сказываться на электризации.

Лезем и Миллер [383] исследовали электризацию при столкновении ледяной сферы с естественными снежинками. Они обнаружили, что степень электризации зависит от скорости вращения сферы и состояния ее поверхности. Ледяная сфера с гладкой поверхностью заряжалась положительно, а с шероховатой поверхностью — отрицательно и более интенсивно. Величина зарядов оказалась значительно больше, чем это вытекает из градиентной теории. Лезем и Миллер считают, что основным механизмом электризации 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 получили, что при соприкосновении двух кусков льда, один из которых заострен, заряд увеличивается примерно на порядок.

На существование и роль асимметричного трения в электризации частиц обратили внимание еще Рейнольде и др. [486], которые выполнили ряд экспериментов. Асимметричность трения

проявляется в том, что одно тело прикасается к другому постоянно одним и тем же местом, тогда как на втором теле место соприкосновения все время обновляется, например, когда конец стержня движется по поверхности пластинки. Шоу [514] указал, что тело с меньшей поверхностью соприкосновения при трении будет нагреваться до более высокой температуры, чем тело с большей поверхностью соприкосновения, что приводит к различиям в знаке их заряжения. В опытах Рейнольдса асимметричное трение достигалось перемещением одного металлического стержня, покрытого льдом, относительно другого. Было обнаружено, что при трении стержней, покрытых льдом из дистиллированной воды, в холодильной камере при температуре до —50° С более нагретый стержень всегда заряжается отрицательно. Если один из стержней был покрыт льдом из раствора 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 дистиллированной 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.

Рейнольде 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 тогда как со стержней, изготовленных из питьевой воды, — ток Авторы [486] повторили опыты Банделя с ледяными стержнями из дистиллированной воды и из раствора Если при промежутке между электродами в 1 мм при потенциале 7000 В для льда из дистиллированной воды не обнаруживался отчетливый коронный разряд, то для льда из раствора он возникал уже при 3500 В, причем ток достигал Поэтому Рейнольде и др. считают, что когда трение, а значит и заряд, локализуется на ледяном стержне из дистиллированной 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 распределяются по льду из дистиллированной воды, происходит только частичная нейтрализация и разделяются сравнительно большие заряды.

Лезем [373] провел опыты, которые подтвердили значение асимметричного трения в нагревании льда и электризации. По пластине льда длиной 1,5 м, установленной под углом к горизонту в холодильной 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.

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. насыщенным 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 выводу, 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 содержат большое количество пузырьков воздуха.

Исследования Шио и Магоно [517] показали, что электризация при асимметричном трении является весьма сложным процессом. При температурах ниже —10° С ход заряжания более холодного льда имеет вид, показанный на рис. 52. Только в начале трения знак заряда совпадает с требуемым теорией, а затем он изменяется на обратный. Было обнаружено, что в точке трения происходит изменение структуры льда. С более теплого льда, как более мягкого, срываются микроскопические частицы, и, кроме того, на его поверхности вместо неоднородных царапин появляются ансамбли полигональных ячеек размером около 20 мкм, которые увеличиваются до 50 мкм. Часть полигональных ячеек представляет собой крошечные поликристаллы. Ход электризации в интервале температур 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 матовый лед при асимметричном трении с прозрачным льдом всегда заряжается положительно, независимо от разности температур. Они считают, что основная причина изменения электризации заключается в особенностях изменений границ зерен льда.

Магоно и Такахаши [419] исследовали электризацию при соударении ледяных частиц с пробным телом, покрытым слоем чистого льда. Ледяные частицы получали путем дробления блока из естественного снега. Они имели размеры около как правило, большие отрицательные заряды, в пределах При соударениях пробное тело заряжалось отрицательно. Авторы считали, что в заряжении играют роль размеры и особенности форм ледяных частиц — крупных и округлых, но они совсем не учитывали больших собственных зарядов частиц. При нагревании пробного тела на 2—4° С выше температуры воздуха, которая находилась в пределах от —11 до —33° С, появлялась тенденция к смене

Рис. 52. Изменение заряда на более холодном ледяном теле при асимметричном трении в зависимости от времени. Температура По Шио и Магоно [517].

знака заряда пробного тела на положительный или к уменьшению отрицательного заряда, что указывает на образование при соударениях 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 последующим разрывом контакта. Измерялись разность потенциалов ледяных сфер и силы сцепления в момент разрыва контакта. Температуры ледяных сфер различались примерно на 6° С. При силах сцепления меньше потенциалы на сферах при разделении были небольшими, причем на более нагретой сфере оказывались отрицательные заряды. Для сил сцепления свыше наблюдалось быстрое увеличение потенциала. При больших значениях сил сцепления между сферами прорастали нити инея, которые разрушались с разрывом контакта. Из этих опытов следует, что увеличение зарядов вызвано разрушением ледяных перемычек при наличии температурного градиента. Такахаши наблюдал увеличение разделяющихся зарядов с увеличением площади сечения нитей инея, разрушающихся с разрывом контакта. При градиенте температуры разделяется заряд Согласно расчету, выполненному для ледяного кристалла сечением при разломе кристалла должен образоваться заряд что на один порядок меньше зарядов, измеренных Рейнольдсом и др. [486], Магоно 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 наблюдаемая электризация при разрушении ледяной частицы обусловлена 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 вероятности перехода протонов из теплой части в холодную. В отсутствие градиента температуры при разрыве контакта с разрушением частиц инея заряды должны быть небольшими и случайно распределенными, что подтверждается данными опытов.

Рейтер [481], Рейтер и Карнат [483] исследовали зависимость электризации при разламывании ледяных кристаллов игольчатой формы от градиента концентрации Фрагменты с большей концентрацией ионов заряжались отрицательно. При градиенте концентрации, равном нулю, электризация также была равна нулю. Максимальная электризация при десятикратном превышении концентрации ионов в ледяных осколках оказалась весьма большой: около Как отмечает Рейтер, подобным образом происходит 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 с чистым льдом первый заряжался отрицательно.

Анализ исследований электризации при контакте и трении ледяных частиц приводит к выводу, что степень и знак электризации зависят от весьма большого числа факторов. Вследствие многообразия 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 сравнительно скромную роль в образовании основных заряженных областей. Значительно более существенную роль должна играть электризация при соударении ледяных частиц в смеси с переохлажденными капельками, что может иметь место во всей толще облака выше уровня изотермы

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление