Группа ученых из , , и университетов (все — США) выяснила, чтó позволяет каплям воды при определенных условиях «нарушать» закон Кулона.
Форма «мостика», образующегося в момент сближения капель при значении напряженности приложенного внешнего поля Е = 200 В/мм. Масштабная полоска — 0,1 мм. (Иллюстрация из журнала Nature.)
Экспериментально зарегистрировать отталкивание противоположно заряженных капель воды одному из авторов работы, Уильяму Ристенпарту (William Ristenpart), удалось еще в 2005 году. Ученому помог случай: он наблюдал за тем, как форма столба воды в масле изменяется под влиянием погруженной в жидкость заряженной пластины, и подал слишком большое напряжение, что привело к короткому замыканию. Капли воды начали свободно перемещаться по объему масла, и исследователь отметил, что при встрече капли с противоположными зарядами отскакивали друг от друга, а не объединялись.
Используя камеру для скоростной съемки, авторы со всей возможной тщательностью задокументировали подобный процесс и провели весьма сложные теоретические расчеты.
Как оказалось, напряженность внешнего поля влияет на форму «мостиков» (так называемых ), которые образуются между двумя разноименно заряженными каплями при их сближении. Если заряд сталкивающихся капель невелик, высота конусов оказывается небольшой, а диаметр основания — значительным; при больших значениях зарядов (а значит, и при увеличенной силе взаимодействия) конусы, напротив, вытягиваются и становятся более «стройными».
В момент встречи капель с малыми зарядами «мостики» сливаются, и капли объединяются под воздействием силы поверхностного натяжения. В случае капель с большими зарядами конусы соприкасаются, происходит обмен зарядами, а «мостик» разрывается под действием все той же силы поверхностного натяжения. Капли вновь приобретают сферическую форму и отталкиваются друг от друга, «нарушая» тем самым закон Кулона.
Обработав все собранные экспериментальные данные, авторы смогли точно определить критическое значение заряда (и напряженности внешнего поля Ec), по достижении которого капли перестают объединяться при столкновениях друг с другом.
По мнению коллег исследователей, этот результат имеет огромное практическое значение: изученное взаимодействие придется учитывать, к примеру, при производстве синтетических волокон и проведении масс-спектрометрического анализа. Кроме того, аналогичные эффекты могут играть заметную роль в формировании дождевых облаков.
Поглощение (вверху; Е = 160 В/мм) капли воды и ее отталкивание (Е = 300 В/мм) от поверхности раздела жидкостей. «Масло» — полидиметилсилоксан; масштабная полоска — 0,5 мм. (Иллюстрация из журнала Nature.)
Отталкивание нескольких капель воды (Е = 300 В/мм). Стрелками показаны области передачи заряда при сближении; масштабная полоска — 0,5 мм. (Иллюстрация из журнала Nature.)
Отталкивание капли диаметром около 1,4 мм при значении напряженности приложенного внешнего поля Е ≈ 600 В/мм. Реальная длительность видео — 4 с.
Полная версия отчета ученых будет опубликована в журнале .
Oстaвить кoммeнтaрий