|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Фізика аероіонізації. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Початківцю радіоаматору Аероіонізатори повітря різних типів, у тому числі і "Люстри Чижевського", все ширше входять у наш побут. Багато радіоаматорів виготовляють їх самостійно. Однак не всі уявляють собі, що ж відбувається на кінчиках голок конструкції. Яка "доля" аероіонів, що генеруються, і як оптимізувати параметри і конструкцію самого аероіонізатора? Ці питання розглядає автор статті. Не сподіваючись дати вичерпну відповідь на всі питання, спробую розповісти про фізичні процеси, що відбуваються при іонізації. Почати, ймовірно, слід з опису того, що ж фізично являє собою навколишнє повітря. Він складається на 78% молекулярного азоту N2 і на 21% молекулярного кисню 02 з невеликою домішкою вуглекислого та інертних газів. Молекули газів дуже малі, їх діаметр становить близько 2·10-10 м. У кубометрі повітря за нормальних умов (температурі 0°З тиску 760 мм рт. ст.) міститься 2,5·1025 молекул. Вони перебувають у безперервному тепловому русі, хаотично переміщаючись і безперервно зіштовхуючись друг з одним (рис. 1). Власне, і тиск повітря чи інших газів пояснюється ударами молекул об стінки судини.
Молекулярна фізика вчить, що енергія теплового руху пропорційна до абсолютної температури Т і дорівнює kТ/2 на кожний ступінь свободи молекули, де до = 1,38·10-23 Дж/К - постійна Больцмана. Лише за абсолютного нулі температури (Т = 0 або -273,1°С) тепловий рух припиняється. Для радіоаматорів цікаво буде відзначити, що електрони в провідниках, резисторах, лампах і транзисторах також піддаються тепловому руху, тому на висновках цих елементів виникає невелика напруга, що хаотично змінюється, зване напругою шуму. Потужність шуму, наведена до входу будь-якого підсилювача чи радіоприймача, визначається за формулою Найквіста: N = кТВ, де В - смуга пропускання. Швидкості молекул приймають різні значення, але в цілому вони підкоряються розподілу Максвелла. Якщо осі абсцис відкласти швидкість v, а осі ординат число молекул, мають дану швидкість, N(v), вийде графік розподілу молекул за швидкостями (Максвелла), показаний на рис.2
Середньоквадратична швидкість молекул (вона дещо вища за найбільш ймовірну, що відповідає максимуму кривої) становить за нормальних умов близько 500 м/с, що в 1,5 разу вище за швидкість звуку! Цілком ясно, що при такій високій концентрації молекул і величезних їх швидкостях вони часто стикаються одна з одною, а середня довжина вільного пробігу не перевищує 0,25 мкм (це вдвічі менше за довжину світлової хвилі). Залишається тільки дивуватися, як "виживають" у цій кошмарній товщі іони! Розглянемо їх. Іони - це самі атоми чи молекули, але з відсутнім, чи приєднаним " зайвим " електроном. Нагадаємо, що кожен атом містить позитивно заряджене ядро та електронну оболонку. Заряд квантований, і мінімально можливий елементарний заряд дорівнює заряду електрона (е = 1,6-10-19 К). Будь-який заряд у природі становить nе, де n - ціле, хоча може бути дуже велике число. Число негативно заряджених електронів в атомі, що дорівнює кількості позитивних зарядів в ядрі, відповідає порядковому номеру елемента в таблиці Менделєєва. Так, наприклад, атом азоту має 7 електронів, атом кисню – 8. У цілому нині атом електрично нейтральний і досить міцний - на його видозміни чи руйнації треба витратити енергію. Особливо велика енергія потрібна для розщеплення ядра, такі енергії одержують лише у спеціальних прискорювачах заряджених частинок чи ядерних реакціях. Найлегше ж видалити з атома один зовнішній електрон. Робота, яку при цьому треба здійснити, дорівнює енергії іонізації. Для дворазової іонізації атома (видалення двох електронів) потрібна значно більша енергія. Легкий атомарний чи молекулярний іон дуже швидко поєднує навколо себе деякий конгломерат молекул і перетворюється на середній аероіон (І. Поллока), що характеризується значно більшою масою та меншою рухливістю. Осідаючи на мікрочастинках, аерозолях, порошинках і т. д., ці іони перетворюються на важкі та надважкі аероіони (П. Ланжевена), що мають ще більшу масу та ще меншу рухливість. Це вже не іони, а швидше заряджені аерозолі, концентрація яких повністю залежить від чистоти повітря, що іонізується. Показники аероіонів для свіжого повітря поза приміщеннями зведені в таблицю.
Для виробничих і громадських приміщень, повітряне середовище яких піддається спеціальній обробці в системах кондиціювання, встановлені мінімально необхідні та максимально допустимі норми концентрації легких аероіонів негативної полярності - 600...50 000, позитивної - 400...50 000. Оптимальної вважається 3000 ... 5000, позитивних - приблизно вдвічі менше [1]. У закритих приміщеннях концентрація корисних легких негативних аероіонів зазвичай не перевищує кількох десятків. Концентрація ж шкідливих позитивних швидко зростає, особливо якщо в приміщенні знаходяться люди і працюють телевізори, монітори комп'ютерів тощо. Механізми іонізації можуть бути різними. Фотоіонізація відбувається при зіткненні кванту електромагнітного випромінювання (фотону) з атомом або молекулою. Ударна іонізація виникає при зіткненні з швидко рухається, отже, має велику кінетичну енергію (mv2/2) часткою. Термічна іонізація викликана сильним нагріванням газу таким, що енергія теплового руху стає порівнянною з енергією іонізації. Зрештою, автоіонізація має місце під дією сильного електричного поля з напруженістю 107...108 В/м, достатнім, щоб "зірвати" зовнішній електрон атома силами електростатичної взаємодії [2]. Енергію іонізації можна вимірювати, як і належить, у джоулях (система одиниць СІ), але набагато зручніше - в електрон-вольтах (1 еВ = 1,6-10-19 Дж). У цьому випадку вона чисельно дорівнює потенціалу іонізації Р - найменшої різниці потенціалів, що прискорює, яку повинен пройти електрон, щоб придбати енергію еР, достатню для іонізації незбудженого атома або молекули електронним ударом. Потенціали іонізації атомарного азоту та кисню становлять відповідно 14,5 та 13,6 В, але атомарних газів у нижніх шарах атмосфери практично немає. Молекули азоту і кисню мають інші потенціали іонізації - 15,6 і 12,2 В. Цікаво відзначити, що потенціал іонізації молекулярного кисню помітно менший, звідси вже випливає важливий практичний висновок: іонізатор повинен працювати при мінімально можливому напрузі, при якому ще виходять легкі іони , - Тоді переважатимуть корисні для здоров'я іони кисню. Чи можуть у звичайних умовах молекули газу іонізуватися, або обмінюватися зарядами при зіткненнях, спричинених тепловим рухом? Вочевидь, що ні, оскільки розрахунок середньої енергії поступального руху молекули (3 ступеня свободи) дає значення ЗкТ/2 = 6·10-21 Дж, що у два з половиною порядку менше енергії іонізації. У природних умовах іонізує повітря ультрафіолетове випромінювання Сонця, радіоактивні елементи земної кори, грозові та інші електричні явища в атмосфері. Іони утворюються також при випаровуванні та розпорошенні частинок води, внаслідок життєдіяльності рослин та тварин. Так, наприклад, кожен видих людини містить мільйони позитивних іонів [3], а шерстинки кішки можуть створювати негативні іони [4]. Іонізація на голках з високим потенціалом, Як було зазначено, відбувається під дією електричного поля з високою напруженістю, причому з негативно зарядженої голки вириваються електрони - адже в металі надлишку є "вільні" електрони, не пов'язані з атомами кристалічної решітки, завдяки їм метал і є провідником. Робота виходу електрона з більшості металів складає кілька електрон-вольт, що менше енергії іонізації газу. Автоелектронна емісія [2] з металу відбувається при напруженості поля вище 107 В/м і постачає первинні електрони, що служать лише для початку іонізаційних процесів. Поряд з нею може відбуватися і фотоефект - вибивання електронів квантами світла та ультрафіолетового випромінювання, якщо газ в околиці кінчика голки світиться. Електрон, що вилетів, недовго залишається вільним: пройшовши відстань порядку довжини вільного пробігу, він зіткнеться з молекулою газу і притягнеться до неї електричними силами, утворивши негативний іон. Процес приєднання електрона до нейтральної молекули не вимагає витрат енергії, більше, у своїй процесі навіть виділяється невелика енергія. Однак "продуктивність" голки, що працює подібним чином, була б дуже мала. Цікаво розігнати електрон до такої швидкості, щоб, зіткнувшись із молекулою, він вибивав ще один електрон, який теж розженеться полем і виб'є ще один, і т. д. Утворюється електронна лавина, що летить від кінчика голки. Позитивні іони притягуються до негативно зарядженої голки, розганяються полем і бомбардують метал, вибиваючи додаткові електрони. Електрони ж, з'єднуючись з нейтральними молекулами, утворюють потік легких негативних аероіонів, що розлітаються від кінчика голки у напрямку силових ліній електричного поля. Іонне бомбардування постачає, ймовірно, основну частку первинних електронів. Щоб електрони та іони розганялися до енергій, достатніх для іонізації, різниця потенціалів поля на довжині вільного пробігу повинна становити 12...13 В. Це означає, що напруженість поля Е = dU/dl має бути 12 В/0,25 мкм = 50 МВ/м (мегавольт на метр!) Це величезне значення напруженості поля бентежити не повинно – воно справді виходить у реальних іонізаторах. Описана лавинна іонізація супроводжується іншими цікавими явищами. Деякі атоми отримують від зіткнень з електронами та іонами енергію, недостатню для іонізації, але переводить атом у збуджений стан (електрони збуджених атомів переходять на вищі орбіти). Все у світі прагне рівноваги, і дуже швидко збуджений атом, переходячи в основний (рівноважний) стан, скидає надлишок енергії у вигляді кванта електромагнітного випромінювання. Енергія квантів інфрачервоного (теплового) випромінювання менше приблизно 2 еВ, видимого (світлового) - 2...4 еВ, кванти з більшою енергією відносяться до ультрафіолетового діапазону. Всі ці випромінювання невеликої інтенсивності присутні при іонізації газів. Кванти видимого випромінювання (фотони) створюють на кінчиках голок свічення, яке можна спостерігати в абсолютній темряві, краще за допомогою мікроскопа, у вигляді дуже гарної блакитної зірочки. Вважається загальноприйнятим, що світіння голок у хорошого іонізатора не повинно бути, але, мабуть, слабке світіння є завжди, а розміри зірочки дуже малі. Рух іонів у повітрі обумовлено кількома причинами. Дифузія викликана тим самим тепловим рухом молекул. Завдяки дифузії різні гази в одному обсязі перемішуються, запахи поширюються досить швидко, а температура вирівнюється. Швидкість дифузії якогось газу, частинок, молекул або іонів пропорційна градієнту концентрації, або ступеня зміни їх числа з відстанню. Це і призводить до вирівнювання концентрації по всьому об'єму з часом. У повітрі швидкість дифузії зазвичай дуже невелика та вимірюється сантиметрами за секунду. Набагато швидше легкі іони рухаються під впливом електричного поля. Швидкість іона електричному полі визначається його рухливістю: v = и·Е. Так, наприклад, легкий негативний іон молекулярного кисню, маючи рухливість 1,83 см2/Вс, набуває швидкості близько 2 м/с при напруженості поля трохи вище 10 кВ/м. Іони рухаються строго силовими лініями поля, і намалювавши картину силових ліній у приміщенні, ми отримуємо і картину іонних потоків. Якщо є впорядкований рух всіх молекул (вітер, протяг, струмінь від вентилятора), то іони, очевидно, захоплюються цим потоком і рухаються разом з ним. Цей рух накладається на рух під впливом поля за звичайними правилами векторного складання швидкостей. У той же час, через часті зіткнення, іони рекомбінують - при зіткненні негативного і позитивного іонів електрон переходить від одного до іншого і утворюються два нейтральні атоми або молекули. Притягуючи нейтральні молекули, легкі іони "обтяжуються" і перетворюються на середні. В результаті їхня концентрація з часом зменшується. Середнє життя легкого негативного іона оцінюється десятками секунд [3]. Звідси випливає, що іони в замкнутому приміщенні неможливо запасти "про запас", і не мають рації ті, хто вважає, що, включивши іонізатор на півгодини перед сном, вони всю ніч дихають іонізованим повітрям. Краще, якщо іонізатор працюватиме постійно, але з невеликою продуктивністю, щоб створювати не надто високу, оптимальну концентрацію іонів. Концентрація поля на голках. Для створення або хоча б оцінки картини поля біля іонізатора і в навколишньому просторі завдання зручно розбити на дві: розрахувати "мікрополі" на кінчику голки, а потім, розглядаючи всю конструкцію іонізатора як єдиний електрод, скласти уявлення про "макрополь" у всьому обсязі приміщення. Таким прийомом часто користуються в електродинаміці, "зшиваючи" (прирівнюючи) поля на межі областей, що розглядаються. Почнемо з голки. З часів М. Фарадея відомо, що силові лінії електричного поля завжди перпендикулярні до провідної поверхні (як і будь-яких еквіпотенційних поверхонь), ніде не перериваються, починаючись на позитивних зарядах і закінчуючись на негативних. Вони можуть йти або приходити з нескінченності, що для закритих приміщень неможливо. Напруженість поля прямо пропорційна густоті силових ліній, а поверхня - поверхневої щільності заряду. Користуючись цими правилами, зобразимо картину силових ліній біля кінчика голки з закругленням радіусом r (рис. 3).
Умовно показано, кожна силова лінія закінчується на заряді (-). Видно, що і силові лінії, і заряди концентруються у кінчика голки, де структура поля така сама, як і в кулі радіусом р. Скористаємося відомими із загального курсу фізики формулами для напруженості поля та потенціалу сфери із зарядом q: Е = q/4πεε0r2, U = q/4πεε0r. Виключаючи заряд q та діелектричні проникності εε0 отримуємо Е = U/r, що збігається з результатом суворішого виведення [5]. Виявляється, що у створенні достатнього для іонізації поля бере участь як потенціал на голці, а й її гострота. Так, на кінчику голки з радіусом заокруглення 10 мкм = 10-5 м при напрузі U = 1 кВ виникає дуже сильне поле з напруженістю 108В/м. Це цілком узгоджується з експериментальними результатами [6], коли помітний іонний струм спостерігався при досить низьких напругах та великих відстанях між електродами. Закінчення зарядів, ймовірно, допомагає і мікроструктура металу. На рис. 4 наведено зображення попередньо відполірованою, а потім підданого іонного бомбардування поверхні монокристалу міді, зняте растровим електронним мікроскопом зі збільшенням 3000 [2]. Ймовірно, на краях цих вражаючих піків і кратерів напруженість мікрополя повинна сильно зростати.
Поле у приміщенні. У міру віддалення від кінчика голки напруженість поля швидко падає (назад пропорційно квадрату відстані, поки поле ще можна вважати сферичним), і на відстані 1 см у нашому прикладі (U = 1 кВ, r = 10 мкм) воно становило б лише 100 В/ м. Очевидно, що це не так і тут ми вже потрапляємо в область макрополя, тому треба керуватися іншими міркуваннями. Нехай, наприклад, "класична" "люстра Чижевського" висить на висоті h над хоч і погано, але провідним столом великих розмірів (рис. 5).
З деякою натяжкою поле між люстрою та столом вважаємо однорідним (силові лінії паралельні). Тоді Е = U/h і поклавши U = 30 кВ і h = 1,5 м, отримуємо Е = 20 кВ/м. Тут можна звернутися до "Санітарних Правил і Норм" Держкомсанепіднагляду [7]! Вони допускають роботу персоналу електричних підстанцій за такої напруженості поля не більше 5 годин, а протягом усього робочого дня допустима напруженість поля менше 15 кВ/м і щільність іонного струму не більше 20 нА/м2. Останню можна виміряти, включивши між провідною пластиною, покладеною на верхню поверхню столу, і позитивним виведенням джерела живлення люстри мікроамперметр, потім поділивши струм з листа (за висловом А. Л. Чижевського) на його площу. За наведеними оцінками люстра працює на межі допустимого і в оригінальному вигляді підходить швидше для великих залів, а не для житлових кімнат. Про це свідчать дані про концентрацію іонів, отримані автором експериментально під час роботи іонізатора " Еліон-135 " (завод " Діод " , випуск 1995 р.). Оцінка проводилася за зарядом і розрядом електроскопа і дала значення концентрації близько 300 000 іонів/см3 на відстані близько 2 м від іонізатора. "Струм з листа" площею 0,5 м2, що лежить на відстані 1,7 м під "люстрою", склав близько 60 нА, що дає щільність струму вшестеро більше допустимої. Очевидно, враховуючи таку високу продуктивність, у приладі передбачено імпульсний режим роботи. Зрозуміло, закон Ома ніхто не скасовував, і іонний струм має повернутися на позитивний полюс джерела живлення. Провідність стін, підлоги та стелі цілком достатня для проходження мікроскопічного іонного струму. Еквівалентний опір знаходимо, розділивши напругу на "люстрі" на її струм. Припустимо, що в прикладі струм "люстри" становить 1 мкА, тоді еквівалентний опір складе 30 кВ/1 мкА = 30 ГОм. "Зворотним проводом" є арматура залізобетонних стін, прихована проводка і взагалі будь-який об'ємний, хоч і ізольований об'єкт, що має достатню ємність, щоб "поглинути" слабкий іонний струм. При цьому об'єкт заряджатиметься негативно. Спробу зобразити картину силових ліній навколо "люстри" в порожній кімнаті зроблено на рис. 6.
Силові лінії густіші там, де менша відстань до стін або стелі. Там вище напруженість поля і туди прямують іони. "Час у дорозі" у них від сили кілька секунд, і для вас вони здебільшого марні. Що робити? Опустити "люстру" нижче, щоб вона була ближче до підлоги, ніж до стелі, і якнайдалі від навколишніх предметів, потім встати, сісти або лягти під неї. Тоді потік іонів спрямує переважно до вас. Пил та аерозолі. Дрібні, добре ізольовані предмети – частинки пилу, диму, крапельки води тощо – досить швидко електризуються в полі іонізатора. Процес йде так: нейтральна частинка спочатку поляризується, тобто позитивні заряди накопичуються на боці, зверненій до іонізатора, а негативні - на протилежній (див. рис. 3). Перші притягуються сильніше (вони ближчі), ніж другі відштовхуються, тому частка полетить до іонізатора, залишаючись нейтральною. Але назустріч рухається потік іонів, які скоро компенсують позитивний заряд, у результаті вся частка зарядиться негативно. Тепер вона полетить силовою лінією від іонізатора, і осяде там, де лінія закінчується. Треба очікувати, що згодом на стелі та шпалерах залишаться плями від пилу, що осів, і знадобиться ремонт. Іноді на стінах та стелі дуже рельєфно проявляється малюнок внутрішньої арматури. Такі небажані явища говорять, по-перше, про неправильне встановлення іонізатора, а по-друге, про те, що він включався не в чистому повітрі. На закінчення хочеться побажати експериментаторам удачі, пацієнтам - здоров'я, а читачам, які подужали цю статтю, - того й іншого, з висловом надії, що і вони висловлять свої побажання та міркування щодо порушених питань. література
Автор: В.Поляков, м.Москва
Шум транспорту затримує зростання пташенят
06.05.2024 Бездротова колонка Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами
05.05.2024
▪ Розумна платіжна картка BrilliantTS ▪ Зарядна станція Bluetti AC180 ▪ Дві одночасні форми рідкої води ▪ Сонячні панелі з дешевої сировини ▪ Google Glass на підприємствах General Motors
▪ розділ сайту Підсилювачі потужності. Добірка статей ▪ стаття Основний закон електростатики. Історія та суть наукового відкриття ▪ статья Які жорстокі сцени прибрали з народних казок Шарль Перро та братів Грімм? Детальна відповідь ▪ стаття Електромонтер. Посадова інструкція ▪ стаття Позивні аматорських радіостанцій. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page