Хаос. Нелинейная динамика

Физики из Швейцарии и США показали, как диэлектрические частицы могут приобретать заряд при соударениях в присутствии внешнего электрического поля. Препринт статьи можно скачать с сайта arXiv (1003.5188).

Явление накопления заряда в группах одинаковых частиц - к примеру, песчинок в пустыне - при их контакте друг с другом было известно еще около 150 лет назад. Построить его удовлетворительную теоретическую модель никому, однако, не удалось.

Авторы рассмотрели процессы, проходящие в облаке нейтральных частиц, выполненных из изолирующего материала и помещенных в диэлектрическую среду и внешнее электрическое поле. В таких условиях, рассуждают ученые, частицы должны поляризоваться; если представить их в виде сфер, то одно полушарие должно приобретать положительный заряд, а другое - отрицательный. При столкновениях сфер соприкасающиеся полушария становятся нейтральными, а противоположные - сохраняют заряд; в дальнейшем каждая сфера повторно поляризуется, за счет чего заряд не контактировавших друг с другом полушарий и увеличивается после каждого столкновения.

Механизм накопления заряда частицами.

Идея приобретения заряда в результате соприкосновения и нейтрализации полушарий частиц даже самим ученым казалась несколько странной, но теоретические расчеты, проведенные для 288, 540 и 828 частиц, доказали, что такой механизм работает. Результаты расчетов были использованы при подготовке эксперимента со стеклянными шариками средним диаметром 1,6 мм, помещенными в стеклянный сосуд, расположенный на заземленной металлической плите. Над сосудам находилась вторая металлическая пластина, подключенная к 30-киловольтному генератору Ван де Граафа. Шарики перемещались под действием подававшегося снизу потока воздуха, и авторы, подсчитывая число поднимавшихся в воздух частиц при разной толщине их слоя на дне сосуда, получили сходившуюся с теоретическими предсказаниями оценку накапливавшегося заряда.

Результаты моделирования накопления заряда в слоях частиц разной толщины.

Стоит заметить, что эта модель не позволяет объяснить появление необходимого внешнего поля. Такие поля действительно регистрируются при наблюдении песчаных бурь, но механизм их создания остается неизвестен.

То же для десяти слоев шариков. Как можно заметить, в этом случае в воздух поднимается гораздо большее число частиц:

Подготовлено по материалам Nature News и Компьюлента.