Капля

У нас в лаборатории, в шкафу, где хранятся химиче­ские реактивы, живет ртутное сердце. Конструкция его несложна: фарфоровая чашка с гладким вогнутым дном, на дне чашки — капля ртути, залитая толстым слоем слабого водного раствора соляной кислоты, в который положена крупинка соли двухромовокислого калия. Фар­форовая чашка прикрыта стеклянной пластинкой, в пла­стинке укреплена гайка с микрометрическим винтом, за­канчивающимся острой железной иголкой. Вращая винт, иголку можно опустить до соприкосновения ее острия с поверхностью ртутной капли, тогда сердце сразу же начинает работать, т. е. капля начинает периодически пульсировать.

Чтобы сердце работало надежно, игла должна коснуться капли либо в ее центре, либо в одной из точек на ее кон­туре.

Пульсации ртутного сердца — зрелище впечатляющее: на чистой поверхности капли возникают переливающиеся блики причудливой формы, и контур капли приобретает быстро меняющиеся очертания, которые повторяются в каждом очередном цикле пульсаций. Сердце работает без устали: мы оставляли его на час, на два, а однажды оставили на ночь и утром нашли пульсирующим.

Теперь о механизме пульсаций ртутного сердца — кап­ли ртути, которая непрерывно вздрагивает от соприкосно­вения с железной иглой.

Вначале о двух эффектах, с которыми необходимо ознакомиться, чтобы понять причину пульсаций ртутной капли. Первый эффект заключается в понижении поверхностной энергии металла, если на его поверхности имеется избы­точный электрический заряд. Проще всего это понять на примере жидкой металлической капли. Например, капли ртути. Пусть радиус капли Я. Если она не заряжена, ве­щество, находящееся в ее объеме, будет испытывать сжи­мающее давление Р_л = 2/ R . Оно обусловлено искривлен­ностью поверхности и величиной поверхностной энергии. Допустим теперь, что по поверхности капли распределены заряды, величина которых q . Очевидно, носители этого заряда будут отталкиваться друг от друга с силой, вели­чина которой в соответствии с законом Кулона будет пропорциональна q² / R ² . Эта сила обусловит растягивающее дав­ление. Его величину можно оценить, отнеся растягивающую силу к площади сечения капли S ~ R ² . Растягивающее давление, как легко видеть, пропорционально величине Pq ~ q ² / R ⁴

 Эти соображения и оценки нам уже встречались

в очерке об опыте Рэлея — Френкеля. Они нужны были для того, чтобы понять причину разрыва капель в элект­рическом поле. Давление Р q вычитается из лапласовского. Это означает, что при неизменном объеме сферической капли, и следовательно при постоянном радиусе, наличие на ее поверхности электрического заряда приведет к пони­жению сжимающего давления, которое равно Рi=Р_л — Pq = 2_i/ R

Это обстоятельство может быть представлено как следствие понижения поверхностной энергии на ве­личину = — _i .

Из равенства, которое определяет Рi следует, что

q² / R ³ q ²

Я не стремился к тому, чтобы расчет был точен,— важно иметь лишь основание утверждать, что величина пониже­ния поверхностной энергии не зависит от знака заряда, находящегося на поверхности. Порукой тому — квадра­тичная зависимость величины понижения поверхностной энергии от величины заряда.

Все это нам необходимо знать, так как капля ртути в ра­створе соляной кислоты, принимая участие в химической реакции, получает заряд, и поэтому поверхностное натя­жение на границе капля ртути — раствор понижается. Не будем подробно интересоваться процессами на этой границе, так как для нас неважен знак заряда, возникаю­щий на ней.

С помощью простого опыта легко убедиться в том, что в момент, когда железная игла соприкасается с поверх­ностью ртути, величина за­ряда на ней уменьшается, а вместе с ним уменьшается и то понижение поверхност­ной энергии, которое насту­пило, когда капля ртути бы­ла залита раствором соляной кислоты. Два последователь­ных отрицания равносильны одному утверждению: умень­шение понижения означает повышение. В момент прикос­новения железной иглы к по­верхности ртути ее поверх­ностное натяжение немного увеличивается. Следствием этого увеличения должно быть некоторое сжатие капли, которая на дне чашки под собственной тяжестью рас­плющилась, и частичное при­ближение ее формы к сфери­ческой. Это отчетливо наблю­дается, если в центре капли в ее тело погрузить металли­ческую иглу; капля вздрог­нет, и ее диаметр явно умень­шится. Мы проделывали этот опыт многократно на каплях различных размеров. Оказа­лось, что, чем меньше радиус расплюснутой капли, тем больше его относительное уменьшение, но уменьшение происходит всегда.

 

 Биение ртутного сердца. Железная игла касается контура капли