|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese|
ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Fisica della ionizzazione dell'aria. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radioamatore principiante Vari tipi di ionizzatori d'aria, inclusi i lampadari di Chizhevsky, stanno diventando sempre più parte della nostra vita quotidiana. Molti radioamatori ne fanno uno proprio. Tuttavia, non tutti immaginano cosa succede "sulla punta degli aghi" della struttura. Qual è il "destino" degli ioni d'aria generati e come ottimizzare i parametri e il design dello ionizzatore d'aria stesso? Queste domande sono considerate dall'autore dell'articolo. Lungi dal sperare di dare una risposta esaustiva a tutte le domande che si pongono, cercherò comunque di parlare dei processi fisici che avvengono durante la ionizzazione. Probabilmente dovremmo iniziare con una descrizione di cosa sia fisicamente l'aria intorno a noi. È costituito dal 78% di azoto molecolare N2 e dal 21% di ossigeno molecolare 02 con una piccola miscela di anidride carbonica e gas inerti. Le molecole di gas sono molto piccole, il loro diametro è di circa 2 10-10 M. Un metro cubo d'aria in condizioni normali (temperatura 0 ° C e pressione 760 mm Hg) contiene 2,5 1025 molecole. Sono in continuo movimento termico, si muovono in modo casuale e si scontrano costantemente tra loro (Fig. 1). In realtà, la pressione dell'aria o di altri gas è spiegata dall'impatto delle molecole sulle pareti del vaso.
La fisica molecolare insegna che l'energia del moto termico è proporzionale alla temperatura assoluta T ed è uguale a kT / 2 per ogni grado di libertà della molecola, dove k \u1,38d 10 23-0 J / K è la costante di Boltzmann. Solo alla temperatura dello zero assoluto (T = 273,1 o -XNUMX°C) il moto termico si arresta. Per i radioamatori, sarà interessante notare che anche gli elettroni nei conduttori, nei resistori, nelle lampade e nei transistor sono soggetti a movimento termico, quindi sui terminali di questi elementi appare una piccola tensione che cambia casualmente chiamata tensione di rumore. La potenza del rumore fornita all'ingresso di qualsiasi amplificatore o ricevitore radio è determinata dalla formula di Nyquist: N = kTV, dove B è la larghezza di banda. Le velocità delle molecole assumono una varietà di valori, ma in generale obbediscono alla distribuzione di Maxwell. Se la velocità v è tracciata lungo l'ascissa e il numero di molecole con una data velocità, N(v), è tracciato lungo l'ordinata, otteniamo un grafico della distribuzione delle molecole per velocità (Maxwell), mostrato in Fig. 2
La velocità quadratica media delle molecole (è leggermente superiore a quella più probabile, corrispondente al massimo della curva) è in condizioni normali di circa 500 m/s, che è 1,5 volte superiore alla velocità del suono! È abbastanza chiaro che con una concentrazione così elevata di molecole e le loro enormi velocità, spesso entrano in collisione tra loro e il percorso libero medio non supera 0,25 micron (questa è la metà della lunghezza d'onda della luce). Ci si può solo chiedere come "sopravvivono" gli ioni in questa folla da incubo! Consideriamoli. Gli ioni sono gli stessi atomi o molecole, ma con un elettrone "extra" assente o attaccato. Ricordiamo che ogni atomo contiene un nucleo caricato positivamente e un guscio elettronico. La carica è quantizzata e la minima carica elementare possibile è uguale alla carica dell'elettrone (e = 1,6-10-19 K). Qualsiasi carica in natura è ne, dove n è un numero intero, sebbene possa essere un numero molto grande. Il numero di elettroni caricati negativamente in un atomo, pari al numero di cariche positive nel nucleo, corrisponde al numero ordinale dell'elemento nella tavola periodica. Quindi, ad esempio, un atomo di azoto ha 7 elettroni, un atomo di ossigeno ne ha 8. In generale, un atomo è elettricamente neutro e abbastanza forte: occorre spendere energia per modificarlo o distruggerlo. Per la fissione nucleare è necessaria un'energia particolarmente elevata, tali energie si ottengono solo in speciali acceleratori di particelle cariche o in reazioni nucleari. Il modo più semplice è rimuovere un elettrone esterno da un atomo. Il lavoro che deve essere svolto in questo caso è pari all'energia di ionizzazione. Per la doppia ionizzazione di un atomo (rimozione di due elettroni), è necessaria un'energia molto maggiore. Uno ione atomico o molecolare leggero unisce molto presto un certo conglomerato di molecole attorno a sé e si trasforma in uno ione medio dell'aria (I. Pollock), caratterizzato da una massa molto maggiore e da una mobilità inferiore. Stabilendosi su microparticelle, aerosol, particelle di polvere, ecc., Questi ioni si trasformano in ioni d'aria pesanti e superpesanti (P. Langevin), che hanno una massa ancora maggiore e una mobilità ancora inferiore. Non si tratta più di ioni, ma di aerosol carichi, la cui concentrazione dipende interamente dalla purezza dell'aria ionizzata. Le caratteristiche degli ioni d'aria per l'aria fresca esterna sono riassunte nella tabella.
Per i locali industriali e pubblici, il cui ambiente aereo è sottoposto a trattamento speciale negli impianti di climatizzazione, vengono impostate le concentrazioni minime richieste e massime consentite di ioni leggeri di polarità negativa - 600 ... 50, positive - 000 ... 400 La concentrazione ottimale di ioni leggeri negativi dell'aria è considerata 50...000, positiva - circa la metà [3000]. Negli spazi chiusi, la concentrazione di ioni leggeri negativi dell'aria utili di solito non supera diverse decine. La concentrazione di positivi dannosi sta crescendo rapidamente, soprattutto se ci sono persone nella stanza e TV, monitor di computer e dispositivi simili funzionano. Meccanismi di ionizzazione potrebbe essere diverso. Fotoionizzazione si verifica quando un quanto di radiazione elettromagnetica (fotone) si scontra con un atomo o una molecola. Ionizzazione ad impatto nasce in caso di collisione con una particella in rapido movimento e quindi dotata di una grande energia cinetica (mv2/2). Ionizzazione termica è causato da un forte riscaldamento del gas, tale che l'energia del moto termico diventa paragonabile all'energia di ionizzazione. Finalmente, autoionizzazione avviene sotto l'azione di un forte campo elettrico con un'intensità di 107...108 V/m, sufficiente a "spezzare" l'elettrone esterno dell'atomo mediante le forze di interazione elettrostatica [2]. L'energia di ionizzazione può essere misurata, come previsto, in joule (unità SI), ma è molto più conveniente - in elettronvolt (1 eV = 1,6-10-19 J). In questo caso, è numericamente uguale al potenziale di ionizzazione P - la più piccola differenza di potenziale di accelerazione che un elettrone deve superare per acquisire energia eP sufficiente a ionizzare un atomo o una molecola non eccitati per impatto elettronico. I potenziali di ionizzazione dell'azoto atomico e dell'ossigeno sono rispettivamente di 14,5 e 13,6 V, ma non ci sono praticamente gas atomici negli strati inferiori dell'atmosfera. Le molecole di azoto e ossigeno hanno altri potenziali di ionizzazione - 15,6 e 12,2 V. È interessante notare che il potenziale di ionizzazione dell'ossigeno molecolare è notevolmente inferiore, da cui segue già un'importante conclusione pratica: lo ionizzatore deve funzionare alla tensione più bassa possibile, a quali ioni leggeri si ottengono ancora. , - allora prevarranno gli ioni ossigeno, utili per la salute. Le molecole di gas in condizioni normali possono ionizzarsi o scambiarsi cariche nelle collisioni causate dal moto termico? Ovviamente no, poiché il calcolo dell'energia media del moto traslatorio della molecola (3 gradi di libertà) dà il valore ZkT/2 = 6 10-21 J, che è di due ordini e mezzo di grandezza inferiore all'energia di ionizzazione . In condizioni naturali, l'aria è ionizzata dalla radiazione ultravioletta del Sole, elementi radioattivi della crosta terrestre, temporali e altri fenomeni elettrici nell'atmosfera. Gli ioni si formano anche durante l'evaporazione e la spruzzatura di particelle d'acqua, come risultato dell'attività vitale di piante e animali. Ad esempio, ogni espirazione umana contiene milioni di ioni positivi [3], mentre i peli di gatto possono creare ioni negativi [4]. Ionizzazione su aghi ad alto potenziale, come notato, si verifica sotto l'influenza di un campo elettrico ad alta intensità e gli elettroni fuoriescono da un ago caricato negativamente - dopotutto, il metallo ha un eccesso di elettroni "liberi" che non sono associati agli atomi del reticolo cristallino, grazie a loro il metallo è un conduttore. La funzione di lavoro di un elettrone dalla maggior parte dei metalli è di diversi elettronvolt, che è inferiore all'energia di ionizzazione del gas. L'emissione autoelettronica [2] da un metallo avviene a un'intensità di campo superiore a 107 V/m e fornisce elettroni primari che servono solo per avviare i processi di ionizzazione. Insieme ad esso, può verificarsi anche un effetto fotoelettrico: l'eliminazione di elettroni da quanti di luce e radiazione ultravioletta, se il gas si illumina in prossimità della punta dell'ago. L'elettrone espulso non rimane libero a lungo: avendo percorso una distanza dell'ordine del cammino libero, urterà una molecola di gas e ne sarà attratto da forze elettriche, formando uno ione negativo. Il processo di attacco di un elettrone a una molecola neutra non richiede più energia, inoltre, questo processo rilascia anche una piccola quantità di energia. Tuttavia, la "produttività" di un ago operante in questo modo sarebbe molto bassa. È interessante accelerare l'elettrone a una velocità tale che, scontrandosi con una molecola, elimini un altro elettrone, anch'esso accelerato dal campo e ne elimini un altro, e così via.Si forma una valanga di elettroni, volando dal punta dell'ago. Gli ioni positivi sono attratti dall'ago caricato negativamente, accelerati dal campo e bombardano il metallo, eliminando ulteriori elettroni. Gli elettroni, d'altra parte, collegandosi con molecole neutre, formano un flusso di ioni leggeri dell'aria negativi, che volano via dalla punta dell'ago in direzione delle linee di forza del campo elettrico. Il bombardamento ionico probabilmente fornisce la maggior parte degli elettroni primari. Affinché elettroni e ioni possano accelerare fino a energie sufficienti per la ionizzazione, la differenza di potenziale di campo sul percorso libero medio deve essere 12 ... 13 V. Ciò significa che l'intensità del campo E \u12d dU / dl deve essere 0,25 V / 50 μm \uXNUMXd XNUMX MV/m (megavolt per metro!). Questo enorme valore dell'intensità del campo non dovrebbe essere imbarazzante: si scopre davvero nei veri ionizzatori. La descritta ionizzazione a valanga è accompagnata da altri interessanti fenomeni. Alcuni atomi ricevono dalle collisioni con elettroni e ioni energia che è insufficiente per la ionizzazione, ma trasferisce l'atomo in uno stato eccitato (gli elettroni degli atomi eccitati si spostano su orbite più alte). Tutto nel mondo tende a bilanciarsi e molto presto un atomo eccitato, passando nello stato fondamentale (di equilibrio), scarica l'energia in eccesso sotto forma di un quanto di radiazione elettromagnetica. L'energia dei quanti di radiazione infrarossa (termica) è inferiore a circa 2 eV, visibile (luce) - 2...4 eV, i quanti con energia più alta appartengono alla gamma ultravioletta. Tutte queste radiazioni di bassa intensità sono presenti durante la ionizzazione dei gas. I quanti di radiazione visibile (fotoni) creano un bagliore sulla punta degli aghi, che può essere osservato nell'oscurità assoluta, preferibilmente con un microscopio, sotto forma di una bellissima stella bluastra. È generalmente accettato che un buon ionizzatore non dovrebbe avere un bagliore dell'ago, ma, a quanto pare, c'è sempre un debole bagliore e la dimensione della stella è molto piccola. Il movimento degli ioni nell'aria a causa di diversi motivi. La diffusione è causata dallo stesso moto termico delle molecole. A causa della diffusione, diversi gas nello stesso volume si mescolano, gli odori si diffondono abbastanza rapidamente e la temperatura si uniforma. La velocità di diffusione di qualsiasi gas, particella, molecola o ione è proporzionale al gradiente di concentrazione, o al grado in cui il loro numero cambia con la distanza. Questo porta ad un'equalizzazione della concentrazione in tutto il volume nel tempo. Nell'aria, la velocità di diffusione è solitamente molto bassa, misurata in centimetri al secondo. Gli ioni leggeri si muovono molto più velocemente sotto l'azione di un campo elettrico. La velocità di uno ione in un campo elettrico è determinata dalla sua mobilità: v = u·E. Ad esempio, uno ione leggero negativo di ossigeno molecolare, avente una mobilità di 1,83 cm2/Vs, acquisisce una velocità di circa 2 m/s a un'intensità di campo leggermente superiore a 10 kV/m. Gli ioni si muovono strettamente lungo le linee di forza del campo e, disegnando un'immagine delle linee del campo nella stanza, otteniamo anche un'immagine dei flussi ionici. Se c'è un movimento ordinato di tutte le molecole (vento, tiraggio, getto da un ventilatore), allora gli ioni, ovviamente, vengono portati via da questo flusso e si muovono con esso. Questo movimento si sovrappone al movimento sotto l'azione del campo secondo le solite regole della somma vettoriale delle velocità. Allo stesso tempo, a causa delle frequenti collisioni, gli ioni si ricombinano: quando uno ione negativo e uno positivo si scontrano, un elettrone passa dall'uno all'altro e si formano due atomi o molecole neutri. Attirando le molecole neutre, gli ioni leggeri "appesantiscono" e si trasformano in quelli medi. Di conseguenza, la loro concentrazione diminuisce nel tempo. La durata media di uno ione leggero negativo è stimata in decine di secondi [3]. Ne consegue che gli ioni in una stanza chiusa non possono essere immagazzinati "per il futuro", e chi crede che accendendo lo ionizzatore mezz'ora prima di andare a letto, respirerà aria ionizzata per tutta la notte si sbaglia. È meglio se lo ionizzatore funzionerà costantemente, ma con una capacità ridotta, in modo da creare una concentrazione ottimale di ioni non troppo elevata. Concentrazione del campo sugli aghi. Per creare o almeno valutare l'immagine del campo vicino allo ionizzatore e nello spazio circostante, conviene dividere il problema in due: calcolare il "microcampo" sulla punta dell'ago, e poi, considerando l'intera struttura dello ionizzatore come un singolo elettrodo, per avere un'idea del "macrocampo" nell'intero volume della stanza. Questa tecnica è spesso utilizzata in elettrodinamica, "cucendo" (equiparando) i campi al confine delle regioni in esame. Iniziamo con l'ago. È noto fin dai tempi di M. Faraday che le linee di forza del campo elettrico sono sempre perpendicolari alla superficie conduttrice (così come ad eventuali superfici equipotenziali), non sono interrotte da nessuna parte, iniziando con cariche positive e terminando con quelli negativi. Possono partire o venire dall'infinito, cosa impossibile per gli spazi chiusi. L'intensità del campo è direttamente proporzionale alla densità delle linee di campo e, vicino alla superficie, alla densità di carica superficiale. Usando queste regole, rappresenteremo un'immagine delle linee di campo sulla punta di un ago con un raggio di curvatura r (Fig. 3).
Convenzionalmente, si mostra che ogni linea di forza termina con una carica (-). Si può vedere che sia le linee di campo che le cariche sono concentrate sulla punta dell'ago, dove la struttura del campo è la stessa di una palla di raggio r. Usiamo le formule note dal corso generale di fisica per il campo forza e il potenziale di una sfera con una carica q: E = q/4πεε0r2, U = q/4πεε0r. Eliminando la carica q e le permittività εε0, si ottiene Å = U/r, che coincide con il risultato di una derivazione più rigorosa [5]. Si scopre che non solo il potenziale sull'ago, ma anche la sua nitidezza è coinvolta nella creazione di un campo sufficiente per la ionizzazione. Quindi, sulla punta di un ago con un raggio di curvatura di 10 μm = 10-5 m, già a una tensione di U = 1 kV, si forma un campo molto forte con un'intensità di 108 V/m. Ciò è in buon accordo con i risultati sperimentali [6], quando è stata osservata una notevole corrente ionica a voltaggi piuttosto bassi e grandi distanze tra gli elettrodi. La microstruttura del metallo aiuta probabilmente anche la scadenza delle cariche. Sulla fig. La figura 4 mostra un'immagine della superficie di un singolo cristallo di rame, che è stato prelucidato e poi sottoposto a bombardamento ionico, presa con un microscopio elettronico a scansione con un ingrandimento di 3000 [2]. Probabilmente, ai bordi di questi impressionanti "picchi" e "crateri" la forza del microcampo dovrebbe aumentare notevolmente.
Campo al chiuso. Man mano che ci si allontana dalla punta dell'ago, l'intensità del campo diminuisce rapidamente (inversamente proporzionale al quadrato della distanza, mentre il campo può ancora essere considerato sferico), e ad una distanza di 1 cm nel nostro esempio (U = 1 kV, r = 10 μm) sarebbe solo 100 V/m. È ovvio che non è così, e qui ricadiamo già nella regione del macrocampo, quindi dobbiamo essere guidati da altre considerazioni. Lascia che, ad esempio, il "classico" "lampadario Chizhevsky" penda ad un'altezza h su un tavolo grande, anche se scarsamente conduttivo (Fig. 5).
Con un certo sforzo, consideriamo omogeneo il campo tra il lampadario e il tavolo (le linee di forza sono parallele). Allora E = U/h, e ponendo U = 30 kV e h = 1,5 m, otteniamo E = 20 kV/m. Qui è il momento di rivolgersi alle "Regole e norme sanitarie" del Comitato statale per la vigilanza sanitaria ed epidemiologica [7]! Consentono il lavoro del personale delle sottostazioni elettriche a tale intensità di campo per non più di 5 ore e durante l'intera giornata lavorativa l'intensità di campo è inferiore a 15 kV / me la densità di corrente ionica non è superiore a 20 nA / m2 . Quest'ultimo può essere misurato collegando un microamperometro tra la piastra conduttrice posta sulla superficie superiore del tavolo e il terminale positivo della fonte di alimentazione del lampadario, dividendo poi la "corrente dal foglio" (secondo A. L. Chizhevsky) per il suo la zona. Secondo le stime di cui sopra, il lampadario funziona al limite del consentito e nella sua forma originale è più adatto per grandi sale e non per salotti. Ciò è evidenziato anche dai dati sulla concentrazione di ioni ottenuti sperimentalmente dall'autore durante il funzionamento dello ionizzatore Elion-135 (Diod factory, versione 1995). La stima è stata effettuata dalla velocità di carica e scarica dell'elettroscopio e ha dato un valore di concentrazione dell'ordine di 300 ioni/cm000 a una distanza di circa 3 m dallo ionizzatore. La "corrente da un foglio" con un'area di 2 m0,5, situata a una distanza di 2 m sotto il "lampadario", ammontava a circa 1,7 nA, che fornisce una densità di corrente sei volte superiore a quella consentita. Apparentemente, date le prestazioni così elevate, il dispositivo fornisce una modalità di funzionamento a impulsi. Ovviamente nessuno ha annullato la legge di Ohm e la corrente ionica deve tornare al polo positivo della fonte di alimentazione. La conducibilità delle pareti, del pavimento e del soffitto è abbastanza sufficiente per il passaggio di una microscopica corrente ionica. Troviamo la resistenza equivalente dividendo la tensione sul "lampadario" per la sua corrente. Supponiamo che in questo esempio la corrente del "lampadario" sia 1 μA, quindi la resistenza equivalente sarà 30 kV / 1 μA = 30 GΩ. Il "filo di ritorno" è l'armatura del muro in cemento armato, il cablaggio nascosto e in generale qualsiasi oggetto volumetrico, anche se isolato, che abbia una capacità sufficiente per "assorbire" una debole corrente ionica. In questo caso, l'oggetto verrà addebitato negativamente. In fig. 6.
Le linee di campo sono più spesse dove c'è meno distanza dalle pareti o dal soffitto. Lì, l'intensità del campo è più alta e gli ioni si precipitano lì. Hanno solo pochi secondi di "tempo di viaggio" e sono per lo più inutili per te. Cosa fare? Abbassa il "lampadario" più in basso in modo che sia più vicino al pavimento che al soffitto e il più lontano possibile dagli oggetti circostanti, quindi alzati, siediti o sdraiati sotto di esso. Quindi il flusso di ioni si precipiterà principalmente verso di te. Polvere e aerosol. Oggetti piccoli e ben isolati - particelle di polvere, fumo, goccioline d'acqua, ecc. - vengono elettrificati piuttosto rapidamente nel campo dello ionizzatore. Il processo va così: la particella neutra viene prima polarizzata, cioè le cariche positive si accumulano sul lato rivolto verso lo ionizzatore e le cariche negative sul lato opposto (vedi Fig. 3). I primi sono attratti più fortemente (sono più vicini) dei secondi si respingono, quindi la particella volerà verso lo ionizzatore, rimanendo neutra. Ma verso di esso si muove un flusso di ioni, che presto compenserà la carica positiva, di conseguenza l'intera particella verrà caricata negativamente. Ora volerà lungo la linea di campo dallo ionizzatore e si stabilizzerà dove finisce la linea. È prevedibile che nel tempo rimarranno macchie di polvere depositata sul soffitto e sulla carta da parati e saranno necessarie riparazioni. A volte il motivo del rinforzo interno appare in modo molto evidente sulle pareti e sul soffitto. Tali fenomeni indesiderati indicano, in primo luogo, l'errata installazione dello ionizzatore e, in secondo luogo, che non è stato acceso in aria pulita. In conclusione, vorrei augurare buona fortuna agli sperimentatori, ai pazienti - salute e ai lettori che hanno imparato questo articolo - entrambi, con l'espressione della speranza che esprimano anche i loro desideri e pensieri sulle questioni sollevate. Letteratura
Autore: V.Polyakov, Mosca
Il rumore del traffico ritarda la crescita dei pulcini
06.05.2024 Altoparlante wireless Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Un nuovo modo di controllare e manipolare i segnali ottici
05.05.2024
▪ Carta di pagamento intelligente BrilliantTS ▪ Stazione di ricarica Bluetti AC180 ▪ Due forme simultanee di acqua liquida ▪ Pannelli solari da materie prime economiche ▪ Google Glass presso General Motors
▪ sezione del sito Amplificatori di potenza. Selezione dell'articolo ▪ articolo Legge fondamentale dell'elettrostatica. Storia ed essenza della scoperta scientifica ▪ articolo elettricista. Descrizione del lavoro
Homepage | Biblioteca | Articoli | Mappa del sito | Recensioni del sito
www.diagram.com.ua |
Vedi altri articoli sezione 
Ultime notizie di scienza e tecnologia, nuova elettronica:
Tutte le lingue di questa pagina