Дым, повидимому, состоит из частиц различного об’ема, начиная от 10–3 cm, которые еще видимы невооруженным глазом, вплоть до размеров молекул в 10–8 cm. Более крупные частицы оседают в высшей степени быстро и таким образом не могут оставаться долго в подвешенном состоянии.
Уэлс и Герке изобрели ультра-микроскоп, хорошо приспособленный для измерения величины дымовых частиц. Этот ультра-микроскоп есть слабый микроскоп с применением сильного бокового освещения на темном фоне для наблюдения частиц, которые слишком малы для того, чтобы быть видимыми при проходящем свете. Таким путем частицы становятся видимы, так как всякий предмет, независимо от его величины, испускающий достаточно света, чтобы действовать на сетчатую оболочку глаза, становится заметным, при условии, если задний фон достаточно темен. Благодаря этому звезды видны ночью, а частицы пыли легко заметны в луче солнца и полутемной комнате. Более крупные частицы, рассматриваемые при таких условиях, не кажутся большими, но более блестящими. Кажущийся размер частиц о определяется при помощи диффракции и таким образом зависит только от оптической системы, употребляемой при исследовании. Чем более ярко падающее освещение, тем более блестящими кажутся частицы. В описанном ультра-микроскопе лучи, исходящие от яркого источника света, как например, от сильной лампы накаливания или вольтовой дуги, собираются в фокусе и освещают частицы дыма, проходящие через поле зрения микроскопа; ось световых лучей, вместо того, чтобы совпадать с осью микроскопа, как это обычно имеет место, направлена перпендикулярно к ней. Поэтому луч никогда не попадает в микроскоп, но проходит под об'ективом в темную камеру, где и поглощается. Поле зрения микроскопа затемняется путем помещения под об'ективом другой темной или вычерненной камеры с отверстием, несколько большим, чем поле зрения микроскопа[28].
Рис 87.
Ультра-микроскоп для измерения величины частиц дыма.
Метод измерения скорости дымовых частиц заключается в том, что частицы заставляют производить ряд движений в течение определенного времени, под влиянием электрического поля. Перемена направления тока достигалась при помощи вращающегося коммутатора. Так как направление света было перпендикулярно этому движению, то движение частиц получало вид волнообразной линии,(смотри рис. 88). Амплитуда этого колебания являлась точной мерой расстояния, пройденного частицей под влиянием электрической силы в течение определенного малого промежутка времени. Скорость движения ротационного коммутатора и электрическое поле вполне доступны точному измерению, так что размер отдельной частицы мог быть точно определен.
При исследовании в ультра-микроскопе дым кажется похожим на усыпанное звездами небо, с той только разницей, что звезды бешено танцуют кругом. Сперва нельзя различить большой разницы между частицами, так как кажется, что их движение совершается беспорядочно; но скоро становится очевидным, что более блестящие частицы движутся медленнее, чем тусклые. Это происходит от большей массы светлых частиц, так как они крупнее. Все частицы медленно удаляются от источника света и окончательно исчезают за пределами стенок темной камеры.
Когда электрический ток включен, около одной трети частиц немедленно изменяют свое направление, устремляясь, приблизительно в равном количестве, противоположные стороны к обоим электродам. Если ток пущен в обратном направлении, движение частиц становится обратным, и, если пускается в ход коммутатор, частицы начинают правильно колебаться. Иногда бывает видно, что частицы сливаются и становятся нейтральными, вследствие чего колебания прекращаются.
Рис. 88.
Измерение частиц дыма при помощи ультра-микроскопа.
При измерении концентрации дыма требуется определение следующих свойств:
Плотность. Плотность дыма является величиной, обратной толщине дымового слоя, выраженного в футах, необходимого для затемнения наблюдаемой световой нити. Таким образом, если тесть футов дыма плотности 2,0 могут закрыть нить электрической лампы, то при толщине дыма в четыре фута плотность его была бы равна 3. Правильность этого заключения явствует из того, что при смешении определенного веса стойкого дыма с воздухом произведение об'ема на плотность всегда остается постоянной величиной. Сколько-нибудь заметные отступления от этого правила могут быть приняты за показатель того, что частицы дыма подверглись изменению, происходящему в большинстве случаев от испарения.
Сила полного затемнения. Об'ем дыма, полученный от единицы веса взятого материала, является вторым фактором при определении качества дыма. Произведение об'ема единицы веса на плотность представляет реальную меру пригодности дыма и называется силой полного затемнения (total obscuring power = T. О. Р.) дыма. Если об'ем выражен в кубических футах, а плотность в обратной величине футов, то единица Т. О. Р. выражается квадратными футами на фунт. Это значит, что она показывает число квадратных футов дымовой стены, полученной из 1 фунта затраченного материала и достаточно толстой для того, чтобы закрыть находящуюся позади нее световую нить. Сила полного затемнения для некоторых типичных дымов указана ниже:
| Фосфор | 4600 |
| NH4Cl(NH3 + HCl) | 2500 |
| SnCl4 + NH3 + H2O | 1530 |
| Смесь Бергера | 1250 |
| SnCl4 + NH3 | 900 |
| SO2 + NH3 | 395 |
При всех измерениях плотности, а поэтому и силы Т. О. Р., должна приниматься во внимание скорость горения. Если медленно горящее вещество сравнивать с веществом быстро горящим, то прежде чем дым первого успеет достигнуть своей максимальной плотности, значительная часть его дыма может осесть во время горения Сравнение силы Т. О. Р. имеет значение только для дымовых смесей одинакового типа и приблизительно в одинаковых количествах.
Существует два способа измерения интенсивности дымовых облаков. Первый способ есть дымовая коробка; в ней сила затемнения измеряется непосредственно расстоянием, на котором нить лампы становится невидимой от дыма. Второй способ — измеритель Тиндаля, при помощи которого измеряется интенсивность рассеяния света дымом.
Первые измерения интенсивности дыма были сделаны Рингельманом (Revue Technique 19, 226), который придумал хорошо известную, носящую его имя, таблицу, предназначенную для определения плотности черного дыма, выходящего на известном расстоянии из трубы. Первыми исследованиями для военных целей мы обязаны Бертрану, произведшему много опытов при помощи своей "опациметрической комнаты". Последняя представляла собой залу в 23 × 14 × 3,6 метров с 7 окнами. Входом в нее служили две двери, некоторых одна была снабжена 3 окулярами, диаметром в 2 cm. На другой двери, расположенной против первой, было повешено несколько черных значков. Шесть пар колонн размещено в комнате на измеренном расстоянии друг от друга. Когда зала наполняется дымом, сделанные из черной бумаги значки остановятся невидимыми в первую очередь, затем затемняется дверь и, наконец, попарно колонны.
Все эти предметы становятся видимыми в обратном порядке, и в качестве меры интенсивности дыма Бертран принимал время, протекавшее между моментом взрыва и появлением дальней двери.
Дымовая коробка. Дымовая коробка употреблявшаяся Военно-Химической Службой, представляла собой деревянный, плотно пригнанный ящик, через который проходил подвижной медный стержень, с прикрепленной к его концу малой 25-уаттной лампой Мазда. Плотность дыма, введенного в коробку, определялась продвижением лампы вперед или назад до тех пор, пока не находилась точка, в которой наблюдатель, смотрящий через стеклянное оконце, едва мог различать рисунок нити лампы, причем внешний свет заслонялся черным покрывалом. Толщина слоя дыма между стеклянным оконцем и лампой принижалась за меру плотности дыма. Для полевых испытаний была сконструирована коробка более крупного размера 6 × 8 × 8 фут (288 кубических фут). Источник света передвигался по линии, соединявшей середины противоположных стенок коробки. Для обеспечения большего однообразия в распределении дыма был устроен вентилятор с 18-дюймовыми крыльями, дававший от 60 до 250 оборотов в минуту. При помощи этого прибора получались результаты, указывавшие первоначальную плотность дыма и его устойчивость.