Логотип

Физические процессы при ионизации воздуха

категория

Наука и техника

материалы в категории

В. ПОЛЯКОВ, г. Москва
Радио, 2002 год, № 3

Аэроионизаторы воздуха различных типов, в том числе и "Люстры Чижевского", все шире входят в наш быт. Многие радиолюбители изготавливают их самостоятельно. Однако не все представляют себе, что же происходит "на кончиках игл" конструкции. Какова "судьба " генерируемых аэроионов и как оптимизировать параметры и конструкцию самого аэроионизатора? Эти вопросы и рассматривает автор статьи.

Отнюдь не надеясь дать исчерпывающий ответ на все возникающие вопросы, попробую тем не менее рассказать о физических процессах, происходящих при ионизации.

Начать, вероятно, следует с описания того, что же физически представляет собой окружающий нас воздух. Он состоит на 78% из молекулярного азота N2 и на 21% из молекулярного кислорода 02 с небольшой примесью углекислого и инертных газов. Молекулы газов очень малы, их диаметр составляет около 2·10-10 м. В кубометре воздуха при нормальных условиях (температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст.) содержится 2,5·1025 молекул. Они находятся в непрерывном тепловом движении, хаотически перемещаясь и непрерывно сталкиваясь друг с другом (рис. 1). Собственно, и давление воздуха или других газов объясняется ударами молекул о стенки сосуда.

Молекулярная физика учит, что энергия теплового движения пропорциональна абсолютной температуре Т и равна kТ/2 на каждую степень свободы молекулы, где к = 1,38·10-23 Дж/К — постоянная Больцмана. Лишь при абсолютном нуле температуры (Т = 0 или -273,1°С) тепловое движение прекращается.

Для радиолюбителей интересно будет отметить, что электроны в проводниках, резисторах, лампах и транзисторах также подвержены тепловому движению, поэтому на выводах этих элементов возникает небольшое, хаотически изменяющееся напряжение, называемое напряжением шума. Мощность шума, приведенная ко входу любого усилителя или радиоприемника, определяется по формуле Найквиста: N = кТВ, где В — полоса пропускания.

Скорости молекул принимают самые разные значения, но в целом они подчиняются распределению Максвелла. Если по оси абсцисс отложить скорость v, а по оси ординат число молекул, имеющих данную скорость, N(v), получится график распределения молекул по скоростям (Максвелла), показанный на рис.2. Среднеквадратичная скорость молекул (она несколько выше наиболее вероятной, соответствующей максимуму кривой) составляет при нормальных условиях около 500 м/с, что в 1,5 раза выше скорости звука!

Совершенно ясно, что при такой высокой концентрации молекул и огромных их скоростях они часто сталкиваются друг с другом, а средняя длина свободного пробега не превышает 0,25 мкм (это вдвое меньше длины световой волны). Остается только удивляться, как "выживают" в этой кошмарной толчее ионы! Рассмотрим их.

Ионы — это те же атомы или молекулы, но с отсутствующим, или присоединенным "лишним" электроном. Напомним, что каждый атом содержит положительно заряженное ядро и электронную оболочку. Заряд квантован, и минимально возможный, элементарный заряд равен заряду электрона (е = 1,6-10-19 К). Любой заряд в природе составляет nе, где n — целое, хотя может быть и очень большое число. Число отрицательно заряженных электронов в атоме, равное числу положительных зарядов в ядре, соответствует порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Так, например, атом азота имеет 7 электронов, атом кислорода — 8.

В целом атом электрически нейтрален и достаточно прочен — для его видоизменения или разрушения надо затратить энергию. Особенно большая энергия нужна для расщепления ядра, такие энергии получают только в специальных ускорителях заряженных частиц или при ядерных реакциях. Легче же всего удалить из атома один внешний электрон. Работа, которую при этом надо совершить, равна энергии ионизации. Для двукратной ионизации атома (удаления двух электронов) нужна уже значительно большая энергия.

Легкий атомарный или молекулярный ион очень скоро объединяет вокруг себя некоторый конгломерат молекул и превращается в средний аэроион (И. Поллока), характеризуемый значительно большей массой и меньшей подвижностью. Оседая на микрочастицах, аэрозолях, пылинках и т. д., эти ионы превращаются в тяжелые и сверхтяжелые аэроионы (П. Ланжевена), имеющие еще большую массу и еще меньшую подвижность. Это уже не ионы, а скорее заряженные аэрозоли, концентрация которых целиком зависит от чистоты ионизируемого воздуха. Характеристики аэроионов для свежего воздуха вне помещений сведены в таблицу.

Для производственных и общественных помещений, воздушная среда которых подвергается специальной обработке в системах кондиционирования, установлены минимально необходимые и максимально допустимые нормы концентрации легких аэроионов отрицательной полярности — 600...50 000, положительной — 400...50 000. Оптимальной концентрацией легких отрицательных аэроионов считается 3000...5000, положительных — примерно вдвое меньше [1].

В закрытых помещениях концентрация полезных легких отрицательных аэроионов обычно не превосходит нескольких десятков. Концентрация же вредных положительных быстро растет, особенно, если в помещении находятся люди и работают телевизоры, мониторы компьютеров и тому подобные устройства.

Механизмы ионизации могут быть разными. Фотоионизация происходит при столкновении кванта электромагнитного излучения (фотона) с атомом или молекулой. Ударная ионизация возникает при столкновении с быстро движущейся, а следовательно, имеющей большую кинетическую энергию (mv2/2) частицей.Термическая ионизация вызвана сильным нагревом газа, таким, что энергия теплового движения становится сравнимой с энергией ионизации. Наконец, автоионизация имеет место под действием сильного электрического поля с напряженностью 107...108 В/м, достаточной, чтобы "сорвать" внешний электрон атома силами электростатического взаимодействия [2].

Энергию ионизации можно измерять, как и полагается, в джоулях (система единиц СИ), но гораздо удобнее — в электрон-вольтах (1 эВ = 1,6-10-19 Дж). В этом случае она численно равна потенциалу ионизации Р — наименьшей ускоряющей разности потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести энергию еР, достаточную для ионизации невозбужденного атома или молекулы электронным ударом.

Потенциалы ионизации атомарного азота и кислорода составляют соответственно 14,5 и 13,6 В, но атомарных газов в нижних слоях атмосферы практически нет. Молекулы азота и кислорода имеют другие потенциалы ионизации — 15,6 и 12,2 В. Интересно отметить, что потенциал ионизации молекулярного кислорода заметно меньше, отсюда уже следует важный практический вывод: ионизатор должен работать при минимально возможном напряжении, при котором еще получаются легкие ионы, — тогда будут преобладать полезные для здоровья ионы кислорода.

Могут ли в обычных условиях молекулы газа ионизироваться, или обмениваться зарядами при соударениях, вызванных тепловым движением? Очевидно, что нет, поскольку расчет средней энергии поступательного движения молекулы (3 степени свободы) дает значение ЗкТ/2 = 6·10-21 Дж, что на два с половиной порядка меньше энергии ионизации.

В естественных условиях ионизируют воздух ультрафиолетовое излучение Солнца, радиоактивные элементы земной коры, грозовые и другие электрические явления в атмосфере. Ионы образуются также при испарении и распылении частиц воды, в результате жизнедеятельности растений и животных. Так, например, каждый выдох человека содержит миллионы положительных ионов [3], а шерстинки кошки могут создавать отрицательные ионы [4].

Ионизация на иглах с высоким потенциалом, как было отмечено, происходит под действием электрического поля с высокой напряженностью, причем из отрицательно заряженной иглы вырываются электроны — ведь в металле в избытке имеются "свободные" электроны, не связанные с атомами кристаллической решетки, благодаря им металл и является проводником. Работа выхода электрона из большинства металлов составляет несколько электрон-вольт, что меньше энергии ионизации газа. Автоэлектронная эмиссия [2] из металла происходит при напряженности поля выше 107 В/м и поставляет первичные электроны, служащие лишь для начала ионизационных процессов. Наряду с ней, может происходить и фотоэффект — выбивание электронов квантами света и ультрафиолетового излучения, если газ в окрестности кончика иглы светится.

Вылетевший электрон недолго остается свободным: пройдя расстояние порядка длины свободного пробега, он столкнется с молекулой газа и притянется к ней электрическими силами, образовав отрицательный ион. Процесс присоединения электрона к нейтральной молекуле уже не требует затрат энергии, более того, при этом процессе даже выделяется небольшая энергия. Однако "производительность" иглы, работающей подобным образом, была бы очень мала. Интересно разогнать электрон до такой скорости, чтобы, столкнувшись с молекулой, он выбивал еще один электрон, который тоже разгонится полем и выбьет еще один, и т. д. Образуется электронная лавина, летящая от кончика иглы. Положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженной игле, разгоняются полем и бомбардируют металл, выбивая дополнительные электроны. Электроны же, соединяясь с нейтральными молекулами, образуют поток легких отрицательных аэроионов, разлетающихся от кончика иглы по направлению силовых линий электрического поля. Ионная бомбардировка поставляет, вероятно, основную долю первичных электронов.

Чтобы электроны и ионы разгонялись до энергий, достаточных для ионизации, разность потенциалов поля на длине свободного пробега должна составлять 12... 13 В. Это означает, что напряженность поля Е = dU/dl должна быть 12 В/0,25 мкм = 50 МВ/м (мегавольт на метр!). Это огромное значение напряженности поля смущать не должно — оно действительно получается в реальных ионизаторах.

Описанная лавинная ионизация сопровождается и другими интересными явлениями. Некоторые атомы получают от соударений с электронами и ионами энергию, недостаточную для ионизации, но переводящую атом в возбужденное состояние (электроны возбужденных атомов переходят на более высокие орбиты).

Все в мире стремится к равновесию, и очень скоро возбужденный атом, переходя в основное (равновесное) состояние, сбрасывает излишек энергии в виде кванта электромагнитного излучения. Энергия квантов инфракрасного (теплового) излучения менее примерно 2 эВ, видимого (светового) — 2...4 эВ, кванты с большей энергией относятся к ультрафиолетовому диапазону. Все эти излучения небольшой интенсивности присутствуют при ионизации газов.

Кванты видимого излучения (фотоны) создают на кончиках игл свечение, которое можно наблюдать в абсолютной темноте, лучше с помощью микроскопа, в виде очень красивой голубоватой звездочки. Считается общепринятым, что свечения игл у хорошего ионизатора не должно быть, но, по-видимому, слабое свечение имеется всегда, а размеры звездочки очень малы.

Движение ионов в воздухе обусловлено несколькими причинами. Диффузия вызвана тем же тепловым движением молекул. Благодаря диффузии разные газы в одном объеме перемешиваются, запахи распространяются довольно быстро, а температура выравнивается. Скорость диффузии какого-либо газа, частиц, молекул или ионов пропорциональна градиенту концентрации, или степени изменения их числа с расстоянием. Это и приводит к выравниванию концентрации по всему объему с течением времени. В воздухе скорость диффузии обычно очень невелика и измеряется сантиметрами в секунду.

Гораздо быстрее легкие ионы движутся под действием электрического поля. Скорость иона в электрическом поле определяется его подвижностью: v = и·Е. Так, например, легкий отрицательный ион молекулярного кислорода, имея подвижность 1,83 см2/Вс, приобретает скорость около 2 м/с при напряженности поля чуть выше 10 кВ/м. Ионы движутся строго по силовым линиям поля, и нарисовав картину силовых линий в помещении, мы получаем и картину ионных потоков.

Если имеется упорядоченное движение всех молекул (ветер, сквозняк, струя от вентилятора), то ионы, разумеется, увлекаются этим потоком и движутся вместе с ним. Это движение накладывается на движение под действием поля по обычным правилам векторного сложения скоростей.

В то же время, из-за частых столкновений, ионы рекомбинируют — при столкновении отрицательного и положительного ионов электрон переходит от одного к другому и образуются два нейтральных атома или молекулы. Притягивая нейтральные молекулы, легкие ионы "утяжеляются" и превращаются в средние. В результате их концентрация со временем уменьшается. Среднее время жизни легкого отрицательного иона оценивается десятками секунд [3]. Отсюда следует, что ионы в замкнутом помещении невозможно запасти "впрок", и не правы те, кто считает, что, включив ионизатор на полчасика перед сном, они всю ночь будут дышать ионизированным воздухом. Лучше, если ионизатор будет работать постоянно, но с небольшой производительностью, чтобы создавать не слишком высокую, оптимальную концентрацию ионов.

Концентрация поля на иглах. Для создания или хотя бы оценки картины поля около ионизатора и в окружающем пространстве задачу удобно разбить на две: рассчитать "микрополе" на кончике иглы, а затем, рассматривая всю конструкцию ионизатора как единый электрод, составить представление о "макрополе" во всем объеме помещения. Таким приемом часто пользуются в электродинамике, "сшивая" (приравнивая) поля на границе рассматриваемых областей. Начнем с иглы.

Со времен М. Фарадея известно, что силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны проводящей поверхности (как и любым эквипотенциальным поверхностям), нигде не прерываются, начинаясь на положительных зарядах и заканчиваясь на отрицательных. Они могут уходить или приходить из бесконечности, что для закрытых помещений невозможно. Напряженность поля прямо пропорциональна густоте силовых линий, а у поверхности — поверхностной плотности заряда.

Пользуясь этими правилами, изобразим картину силовых линий у кончика иглы с радиусом закругления г (рис. 3).

Условно показано, что каждая силовая линия кончается на заряде (-). Видно, что и силовые линии, и заряды концентрируются у кончика иглы, где структура поля такая же, как и у шара радиусом г. Воспользуемся известными из общего курса физики формулами для напряженности поля и потенциала сферы с зарядом q: Е = q/4πεε0r2, U = q/4πεε0r. Исключая заряд q и диэлектрические проницаемости εε0 получаем Е = U/r, что совпадает с результатом более строгого вывода [5].

Оказывается, что в создании достаточного для ионизации поля участвует не только потенциал на игле, но и ее острота. Так, на кончике иглы с радиусом закругления 10 мкм = 10-5 м уже при напряжении U = 1 кВ возникает очень сильное поле с напряженностью 108В/м. Это вполне согласуется с экспериментальными результатами [6], когда заметный ионный ток наблюдался при довольно низких напряжениях и больших расстояниях между электродами.

Истечению зарядов, вероятно, помогает и микроструктура металла. На рис. 4 приведено изображение предварительно отполированной, а затем подвергнутой ионной бомбардировке поверхности монокристалла меди, снятое растровым электронным микроскопом с увеличением 3000 [2]. Вероятно, на краях этих впечатляющих "пиков" и "кратеров" напряженность микрополя должна сильно возрастать.

Поле в помещении. По мере удаления от кончика иглы напряженность поля быстро падает (обратно пропорционально квадрату расстояния, пока поле еще можно считать сферическим), и на расстоянии 1 см в нашем примере (U = 1 кВ, r = 10 мкм) оно составило бы всего 100 В/м. Очевидно, что это не так, и здесь мы уже попадаем в область макрополя, поэтому надо руководствоваться другими соображениями.

Пусть, например, "классическая" "люстра Чижевского" висит на высоте h над хоть и плохо, но проводящим столом больших размеров (рис. 5). С некоторой натяжкой поле между люстрой и столом посчитаем однородным (силовые линии параллельны). Тогда Е = U/h, и положив U = 30 кВ и h = 1,5 м, получаем Е = 20 кВ/м. Здесь впору обратиться к "Санитарным Правилам и Нормам" Госкомсанэпиднад-зора [7]! Они допускают работу персонала электрических подстанций при такой напряженности поля не более 5 часов, а в течение всего рабочего дня допустима напряженность поля менее 15 кВ/м и плотность ионного тока не более 20 нА/м2.

Последнюю можно измерить, включив между проводящей пластиной, положенной на верхнюю поверхность стола, и положительным выводом источника питания люстры микроамперметр, затем поделив "ток с листа" (по выражению А. Л. Чижевского) на его площадь. По приведенным оценкам люстра работает на пределе допустимого и в оригинальном виде годится скорее для больших залов, а не для жилых комнат.

Об этом же говорят данные о концентрации ионов, полученные автором экспериментально при работе ионизатора "Элион-135" (завод "Диод", выпуск 1995 г.). Оценка производилась по скорости заряда и разряда электроскопа и дала значение концентрации порядка 300 000 ионов/см3 на расстоянии около 2 м от ионизатора. "Ток с листа" площадью 0,5 м2, лежащего на расстоянии 1,7 м под "люстрой", составил порядка 60 нА, что дает плотность тока вшестеро больше допустимой. Видимо, учитывая столь высокую производительность, в приборе предусмотрен импульсный режим работы.

Разумеется, закон Ома никто не отменял, и ионный ток должен вернуться на положительный полюс источника питания. Проводимость стен, пола и потолка вполне достаточна для прохождения микроскопического ионного тока. Эквивалентное сопротивление находим, разделив напряжение на "люстре" на ее ток. Допустим, что в рассматриваемом примере ток "люстры" составляет 1 мкА, тогда эквивалентное сопротивление составит 30 кВ/1 мкА = 30 ГОм. "Обратным проводом" являются арматура железобетонных стен, скрытая проводка и вообще любой объемный, хотя и изолированный объект, обладающий достаточной емкостью, чтобы "поглотить" слабый ионный ток. При этом объект будет заряжаться отрицательно.

Попытка изобразить картину силовых линий вокруг "люстры" в пустой комнате предпринята на рис. 6.

Силовые линии гуще там, где меньше расстояние до стен или потолка. Там выше напряженность поля и туда устремляются ионы. "Время в пути" у них от силы несколько секунд, и для вас они по большей части бесполезны. Что делать? Опустить "люстру" пониже, чтобы она была ближе к полу, чем к потолку, и как можно дальше от окружающих предметов, затем встать, сесть или лечь под нее. Тогда поток ионов устремится преимущественно к вам.

Пыль и аэрозоли. Мелкие, хорошо изолированные предметы — частички пыли, дыма, капельки воды и т. д. — довольно быстро электризуются в поле ионизатора. Процесс идет так: нейтральная частичка сначала поляризуется, т. е. положительные заряды скапливаются на стороне, обращенной к ионизатору, а отрицательные — на противоположной (см. рис. 3). Первые притягиваются сильнее (они ближе), чем вторые отталкиваются, поэтому частица полетит к ионизатору, оставаясь нейтральной.

Но навстречу движется поток ионов, которые скоро скомпенсируют положительный заряд, в результате вся частица зарядится отрицательно. Теперь она полетит по силовой линии от ионизатора, и осядет там, где линия кончается. Надо ожидать, что со временем на потолке и обоях останутся пятна от осевшей пыли, и понадобится ремонт. Иногда на стенах и потолке очень рельефно проявляется рисунок внутренней арматуры. Такие нежелательные явления говорят, во-первых, о неправильной установке ионизатора, а во-вторых, о том, что он включался не в чистом воздухе.

В заключение хочется пожелать экспериментаторам удачи, пациентам — здоровья, а читателям, осилившим эту статью, — того и другого, с выражением надежды, что и они выскажут свои пожелания и соображения по затронутым вопросам.

ЛИТЕРАТУРА
1. Санитарно-гигиенические нормы допустимых уровней ионизации воздуха производственных и общественных помещений. — Минздрав СССР, 1980.
2. Физический энциклопедический словарь. — М.: Сов. Энциклопедия, 1983.
3. Чижевский А. Л. Аэроионы и жизнь. — М.: Мысль, 1999.
4. Поляков В. Кошка — электростатический генератор. — Радио, 2001, № 3, с. 56.
5. Калашников С. Г. Электричество. — М.: Наука, 1985.
6. Поляков В. "Поющий" тихий разряд. — Радио, 2001, № 8, с. 55, 56.
7. Допустимые уровни напряженности электростатических полей и плотности ионного тока для персонала подстанций и ВЛ постоянного тока ультравысокого напряжения. — М.: Госкомсанэпиднадзор РФ, 1993.

Почта сайта