ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Явление Лейденфроста в электрическом поле или взлетающая капля из "Равновесие жидкостей и его устойчивость" Рассмотрим проводящую жидкость, над которой расположен электрод с потенциалом V относительно земли (рис. 2.6). В результате электростатической индукции поверхность жидкости зарядится и слегка поднимется под электродом. Объяснение этого факта и расчет высоты поднятия жидкости даны в [22], и мы этот вопрос рассматривать не будем. Для наблюдения такого равновесия необходимо, чтобы поверхности электрода и жидкости были, во-первых, строго параллельны и, во-вторых, горизонтальны. Стабилизирующими силами, т. е. силами, стремящимися сохранить устойчивость равновесия, являются силы гравитации и поверхностного натяжения, а дестабилизирующими — электростатические силы. [c.101] Действительно, пусть на поверхности возникло малое возмущение (рис. 2.7). Поверхность проводника сохранится эквипотенциальной, и силовые линии напряженности электрического поля будут перпендикулярны поверхности жидкости (рис. 2.7). При этом произойдет сгущение силовых линий на выступах и разряжение во впадинах. Это означает, что часть электрического заряда со впадин перешла на горбы (как говорят, произошло перераспределение заряда). Следовательно, сила, действующая на горбы вверх также возросла, а значит, возмущение имеет тенденцию возрастать. Однако до тех пор, пока электрические силы малы по сравнению с гравитационными и капиллярными, равновесие поверхности еще может оставаться устойчивым. С возрастанием разности потенциалов, при некотором критическом значении и, устойчивость равновесия будет нарушена. [c.101] Очевидно, что в данной ситуации гравитационная и капиллярная энергии возрастают с ростом возмущения, т. е. [c.106] Вдумчивый читатель заметит при выводе (2.41) натяжку — подгонку под результат Я. И. Френкеля. Да, конечно. Но ведь мы решали задачу с конденсатором, а когда пластины удалены на бесконечность, то уже никакого конденсатора нет, а есть только заряженная поверхность жидкости, поэтому надо решать другую задачу, а это не просто. Читатель может попробовать. Однако при малых с (по крайней мере при с Л) результат (2.40) совсем неплох, почти такой же получается при строгих математических расчетах. [c.107] Это немало. Школьный разрядник Разряд-1 создает высокое напряжение до 25 кВ. Если использовать его для опытов, то электрод для наблюдения неустойчивости надо размещать на расстоянии 1 см от поверхности воды. Но не торопитесь включать разрядник для наблюдения неустойчивости. [c.109] Чтобы произвести расчеты по этой формуле, надо задать й, соответствующее случаю й С А, и одновременно А а /М Отсюда очевидно, что тонким следует считать зазор с с ал/24. Для воды капиллярная постоянная а 0,4 см. Поэтому для воды зазор будет тонким, если й 2 см. [c.109] В заключение, во-нервых, хочется еще раз подчеркнуть единство законов природы. Вспомните неустойчивость Релея-Тейлора. В не очень широких трубках развивалось возмущение, имеющее только одну длину волны, в широком сосуде наблюдались периодические структуры с большим числом длин волн. В рассматриваемом случае, при малом расстоянии между электродом и поверхностью, развивается возмущение с одной максимальной длиной волны, при больших зазорах имеем периодическую структуру. [c.110] Во-вторых, здесь были рассмотрены теория и опыты с проводящей жидкостью, с водой, но аналогичные эффекты имеют место и в случае диэлектрических жидкостей. Разумеется, для них критическая напряженность поля и наиболее опасная длина волны возмущений будут несколько другими. [c.110] Автор этой книги много лет занимался электрогидродинамикой — областью физики, в которой изучается поведение жидкостей в электрическом поле. И вот однажды его посетила Идея. Заключалась она в следующем. [c.110] Затем установка была усовершенствована. Вместо электрофорной машины стали использовать школьную высоковольтную установку Разряд-1 , а вместо плитки был сделан специальный нагреватель. После этого, кроме взлета капли, нами были зафиксированы и другие интересные явления. [c.111] Чтобы не лишать Вас, читатель, удовольствия поэкспериментировать 31 самому, не будем обсуждать здесь эти явления. Отметим лишь следующее. [c.111] В теории грозы, которая еще далеко не завершена и в которой еще достаточно много белых пятен, немалая роль отводится механизмам зарядки капель в грозовом или предгрозовом облаке. Описанное выше явление вполне может быть рассмотрено как один из допустимых механизмов зарядки капель в атмосфере (кстати, ранее никем не исследованный). Действительно, в атмосфере теплый воздух поднимается вверх. Обдувая капли, он обеспечивает их интенсивное испарение снизу. Если при этом в атмосфере имеется электрическое поле (а перед грозой оно достигает значений напряженности 1 кВ/см и выше), то налицо условие для зарядки капель, их левитации и взлета. [c.111] В заключение рассмотрим еще одно интересное явление. Если в сухую погоду расчесаться пластмассовой расческой, а затем поднести ее к лежащим на столе кусочкам бумаги, то они взлетят вверх к расческе. Вы никогда не проделывали такого опыта Тогда приступайте к его выполнению. [c.112] Объяснение опыта с кусочками бумаги состоит в том, что электрическое поле расчески поляризует кусочки бумаги, они становятся диполем и втягиваются в область более сильного поля, оставаясь при этом электрически нейтральным. Все это очень похоже на то, что происходит с каплей в электрическом поле. Так, может быть, и в наших опытах капля поляризуется, становится диполем (рис. 2.11) и притягивается к верхнему электроду, оставаясь незаряженной Автор сделал соответствующие расчеты силы притяжения (к сожалению, эта задача выходит за рамки школьного материала и здесь не излагается, но Вы можете попробовать ее решить) и нашел, что она более чем в 100 раз меньше силы тяжести капли. Таким образом, ответственным за взлет капли следует считать взаимодействие именно возникающего избыточного заряда на капле с внешним электрическим полем. [c.112] Вернуться к основной статье