空気イオン化の物理。スキーム、説明

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空気イオン化の物理学。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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チジェフスキーのシャンデリアを含むさまざまなタイプの空気イオナイザーが、ますます私たちの日常生活の一部になりつつあります。多くのアマチュア無線家が自作しています。しかし、誰もが構造の「針の先端」で何が起こるかを想像しているわけではありません。生成された空気イオンの「運命」と、空気イオナイザー自体のパラメーターと設計を最適化する方法は何ですか? これらの質問は記事の著者によって検討されています。

生じたすべての質問に徹底的に答えることを望むわけではありませんが、それでも、イオン化中に発生する物理プロセスについて話そうと思います。

おそらく、私たちの周囲の空気が物理的にどのようなものであるかを説明することから始めるべきでしょう。これは、78% の分子状窒素 N2 と 21% の分子状酸素 O02 と、少量の二酸化炭素と不活性ガスの混合物で構成されています。気体分子は非常に小さく、その直径は約2×10-10 mで、通常の状態（温度0℃、圧力760 mm Hg）では空気2,5立方メートル中に1025×1個の分子が含まれています。それらは継続的な熱運動を行っており、ランダムに移動し、常に互いに衝突しています（図XNUMX）。実際には、空気やその他の気体の圧力は、容器の壁に対する分子の影響によって説明されます。

空気イオン化の物理学

分子物理学では、熱運動のエネルギーは絶対温度 T に比例し、分子の自由度ごとに kT / 2 に等しいと教えています。ここで、k \u1,38d 10 23-0 J / K はボルツマン定数です。絶対零度温度 (T = 273,1 または -XNUMX°C) でのみ、熱運動が停止します。

アマチュア無線家にとって、導体、抵抗器、ランプ、トランジスタ内の電子も熱運動の影響を受けるため、これらの素子の端子にノイズ電圧と呼ばれる小さなランダムに変化する電圧が現れることに注目するのは興味深いでしょう。アンプまたはラジオ受信機の入力に与えられるノイズ電力は、ナイキストの公式 N = kTV によって決定されます。ここで、B は帯域幅です。

分子の速度はさまざまな値をとりますが、一般にマクスウェル分布に従います。速度 v を横軸にプロットし、特定の速度を持つ分子の数 N(v) を縦軸にプロットすると、図に示すように、速度別の分子の分布 (マクスウェル) のグラフが得られます。 2

空気イオン化の物理学

分子の二乗平均平方根速度 (曲線の最大値に相当する最も可能性の高い速度よりわずかに高い) は、通常の条件下では約 500 m/s であり、これは音速の 1,5 倍です。

これほど分子が高濃度であり、その速度が非常に速いため、分子が互いに衝突することが多く、平均自由行程が 0,25 ミクロン (これは光の波長の半分) を超えないことは明らかです。この悪夢のような群衆の中でイオンがどのようにして「生き残る」のか不思議でなりません。それらについて考えてみましょう。

イオンは同じ原子または分子ですが、「余分な」電子が存在しないか、または付着しています。各原子には正に帯電した原子核と電子殻が含まれていることを思い出してください。電荷は量子化されており、可能な最小の素電荷は電子の電荷と等しくなります (e = 1,6-10-19 K)。自然界の電荷はすべて ne です。n は整数ですが、非常に大きな数になる場合もあります。原子内の負に帯電した電子の数は、原子核内の正電荷の数に等しく、周期表における元素の序数に対応します。たとえば、窒素原子には 7 個の電子があり、酸素原子には 8 個の電子があります。

一般に、原子は電気的に中性であり、十分な強度を持っています。原子を変更または破壊するにはエネルギーを消費する必要があります。核分裂には特に大きなエネルギーが必要であり、そのようなエネルギーは特別な荷電粒子加速器または核反応でのみ得られます。最も簡単な方法は、原子から外側の電子を XNUMX つ取り除くことです。この場合に行わなければならない仕事はイオン化エネルギーに等しい。原子の二重イオン化 (XNUMX つの電子の除去) には、はるかに大きなエネルギーが必要です。

軽い原子または分子イオンは、すぐに周囲の分子の集合体を結合し、はるかに大きな質量と低い移動度を特徴とする平均的な空気イオン (I. ポロック) に変わります。これらのイオンは、微粒子、エアロゾル、塵粒子などに付着すると、質量がさらに大きく、移動度がさらに低い重空気イオンおよび超重空気イオンに変わります (P. Langevin)。これらはもはやイオンではなく、むしろ帯電エアロゾルであり、その濃度は完全にイオン化された空気の純度に依存します。屋外の新鮮な空気に対する空気イオンの特性を表にまとめます。

空気イオン化の物理学

空気環境が空調システムで特別な処理を受けている産業および公共施設の場合、負極性の軽空気イオンの最小必要濃度および最大許容濃度は、600 ... 50、正 - 000 ... に設定されています。 400. 光マイナス空気イオンの最適濃度は 50 ～ 000、プラスはその約半分と考えられています [3000]。

閉鎖空間では、通常、有用な軽マイナス空気イオンの濃度は数十を超えません。有害な陽性物質の濃度は、特に部屋に人がいてテレビ、コンピュータモニター、および同様の機器が作動している場合に急速に増加しています。

イオン化メカニズム 異なる場合があります。 光イオン化 電磁放射の量子 (光子) が原子または分子と衝突すると発生します。 衝突電離 高速で移動する、したがって大きな運動エネルギー (mv2/2) を持つ粒子との衝突で発生します。 熱イオン化 熱運動のエネルギーがイオン化エネルギーに匹敵するようになる、ガスの強力な加熱によって引き起こされます。ついに、 自動イオン化 この現象は、静電相互作用の力によって原子の外側の電子を「破壊」するのに十分な、107...108 V/m の強さの強い電場の作用下で起こります [2]。

イオン化エネルギーは、予想どおりジュール (SI 単位) で測定できますが、電子ボルト (1 eV = 1,6-10-19 J) で測定する方がはるかに便利です。この場合、それは数値的にはイオン化ポテンシャル P、つまり電子衝撃によって励起されていない原子または分子をイオン化するのに十分なエネルギー eP を得るために電子が通過しなければならない最小の加速電位差に等しくなります。

窒素原子と酸素原子のイオン化ポテンシャルはそれぞれ 14,5 V と 13,6 V ですが、大気の下層には実際には原子ガスは存在しません。窒素分子と酸素分子には、15,6 V と 12,2 V という他のイオン化ポテンシャルがあります。酸素分子のイオン化ポテンシャルが著しく低いことに注目するのは興味深いことであり、そこから重要な実際的な結論がすでに得られています。イオナイザーは可能な限り低い電圧、つまり軽イオンはまだ得られますが、その後は健康に役立つ酸素イオンが優勢になります。

通常の状態の気体分子は、熱運動によって引き起こされる衝突でイオン化または電荷交換を行うことができますか? 明らかにそうではありません。分子の並進運動 (3 自由度) の平均エネルギーを計算すると、値 ZkT/2 = 6 10-21 J が得られ、これはイオン化エネルギーより XNUMX 桁小さいからです。。

自然条件下では、空気は太陽の紫外線、地殻の放射性元素、雷雨、その他の大気中の電気現象によってイオン化されます。植物や動物の生命活動の結果として、水粒子の蒸発や噴霧中にもイオンが形成されます。たとえば、人間の呼気には何百万ものプラスイオンが含まれています [3] が、猫の毛はマイナスイオンを生成する可能性があります [4]。

高電位針のイオン化前述したように、これは高強度の電場の影響下で発生し、マイナスに帯電した針から電子が逃げます。結局のところ、金属には結晶格子の原子に関連付けられていない過剰な「自由」電子が存在します。彼らのおかげで金属は導体になります。ほとんどの金属の電子の仕事関数は数電子ボルトであり、ガスのイオン化エネルギーよりも小さくなります。金属からの自己電子放出 [2] は 107 V/m を超える電界強度で発生し、イオン化プロセスを開始するためだけに機能する一次電子を供給します。それに加えて、針の先端付近のガスが光ると、光電効果も発生し、光量子と紫外線放射によって電子がノックアウトされます。

放出された電子は、長く自由なままではありません。自由行程程度の距離を移動すると、ガス分子と衝突し、電気力によってそれに引き寄せられ、マイナスイオンが形成されます。電子を中性分子に結合させるプロセスにはエネルギーが必要なくなり、さらに、このプロセスでは少量のエネルギーも放出されます。しかし、このように動作する針の「生産性」は非常に低くなります。電子を分子と衝突して別の電子をノックアウトし、さらに電場によって加速されて別の電子をノックアウトするような速度まで電子を加速するのは興味深いことです。針の先端。プラスイオンはマイナスに帯電した針に引き寄せられ、電場によって加速されて金属に衝突し、追加の電子をノックアウトします。一方、中性分子と結合した電子は、軽い負の空気イオンの流れを形成し、針の先端から電力線の方向に飛び去ります。イオン衝撃はおそらく一次電子の大部分を提供します。

電子とイオンがイオン化に十分なエネルギーまで加速するには、平均自由行程にわたる場の電位差が12 ... 13 Vである必要があります。これは、場の強度E \u12d dU / dlが0,25 V / 50である必要があることを意味しますμm \uXNUMXd XNUMX MV/m（XNUMXメートルあたりのメガボルト！）。この巨大な電界強度の値は恥ずかしいことではありません。実際のイオナイザーでは実際にそれが判明します。

説明されたアバランシェイオン化には、他の興味深い現象が伴います。一部の原子は、電子やイオンとの衝突によりイオン化には不十分なエネルギーを受け取りますが、原子を励起状態に移行させます（励起原子の電子はより高い軌道に移動します）。

世界のあらゆるものはバランスをとる傾向があり、励起された原子はすぐに基底 (平衡) 状態になり、過剰なエネルギーを電磁放射の量子の形で放出します。赤外線（熱）放射線量子のエネルギーは約 2 eV 未満、可視（光） - 2...4 eV であり、より高いエネルギーを持つ量子は紫外線範囲に属します。これらの低強度の放射線はすべて、ガスのイオン化中に存在します。

可視放射線量子（光子）は針の先端に輝きを生み出し、それは絶対的な暗闇の中で、できれば顕微鏡を使って、非常に美しい青みがかった星の形で観察できます。優れたイオナイザーは針状の輝きを持たないことが一般的に受け入れられていると考えられていますが、どうやら常に弱い輝きがあり、星の大きさは非常に小さいようです。

空気中のイオンの動き いくつかの理由により。拡散は分子の同じ熱運動によって引き起こされます。拡散により、同じ体積内の異なるガスが混合され、臭いがかなり早く広がり、温度が均一になります。あらゆるガス、粒子、分子、またはイオンの拡散速度は、濃度勾配、またはそれらの数が距離に応じて変化する程度に比例します。これにより、時間の経過とともにボリューム全体の濃度が均一化されます。空気中では、拡散速度は通常非常に遅く、センチメートル/秒で測定されます。

軽イオンは、電場の作用下ではるかに速く移動します。電場におけるイオンの速度は、その移動度 v = u・E によって決まります。たとえば、1,83 cm2/Vs の移動度を有する酸素分子の軽い陰イオンは、2 kV/m をわずかに超える電界強度で約 10 m/s の速度を獲得します。イオンは厳密に力線に沿って移動します。部屋の中に力線の絵を描くことで、イオンの流れの絵も得られます。

すべての分子の規則正しい動き (風、ドラフト、ファンからの噴流) がある場合、当然のことながら、イオンもこの流れによって運ばれ、一緒に移動します。この動きは、速度のベクトル加算の通常の規則に従って、場の作用の下での動きに重ね合わされます。

同時に、頻繁な衝突によりイオンが再結合します。マイナスイオンとプラスイオンが衝突すると、電子が一方から他方に移動し、3 つの中性原子または分子が形成されます。中性分子を引き付けることにより、軽イオンは「重くなり」、中イオンに変わります。その結果、時間の経過とともに集中力が低下します。軽マイナスイオンの平均寿命は数十秒と推定されています[XNUMX]。このことから、閉め切った部屋ではイオンを「将来のために」保存することはできないということになり、就寝前XNUMX分にイオナイザーの電源を入れておけば、一晩中イオン化された空気を吸うことができると信じている人は間違いです。高すぎない最適な濃度のイオンを生成するには、イオナイザーが常に動作するものの、容量が小さい方がよいでしょう。

針へのフィールド集中。イオナイザーの近くおよび周囲の空間の場の画像を作成する、または少なくとも評価するには、問題を XNUMX つに分割するのが便利です。針の先端の「マイクロ場」を計算し、次に全体の構造を考慮します。イオナイザーを単一の電極として観察し、部屋全体の「マクロフィールド」を把握します。この手法は電気力学でよく使用され、検討中の領域の境界で場を「縫い合わせる」(等化する) ものです。針から始めましょう。

M. ファラデーの時代から、電界の力線は常に導電面 (および等電位面) に対して垂直であり、正電荷から始まり否定的なもの。それらは無限から離れたり無限からやって来たりする可能性がありますが、密閉された空間では不可能です。磁場の強さは磁力線の密度に正比例し、表面近くでは表面電荷密度に正比例します。

これらのルールを使用して、曲率半径 r の針の先端にある磁力線の図を描きます (図 3)。

空気イオン化の物理学

従来、各力線は電荷（-）で終わることが示されていました。磁力線と電荷の両方が針の先端に集中していることがわかり、磁場の構造は半径 r の球の構造と同じです。磁場の一般的な過程で知られている式を使用してみましょう。電荷 q を持つ球の強度とポテンシャル: E = q/4πεε0r2、U = q/4πεε0r。電荷 q と誘電率 εε0 を消去すると、Е = U/r が得られます。これは、より厳密な導出 [5] の結果と一致します。

イオン化に十分な場の生成には、針の電位だけでなく、針の鋭さも関係していることが分かりました。したがって、曲率半径10 μm = 10-5 mの針の先端では、すでにU = 1 kVの電圧で、強度108 V/mの非常に強い場が発生します。これは、かなり低い電圧および電極間の距離が遠い場合に顕著なイオン電流が観察された実験結果 [6] とよく一致しています。

金属の微細構造もおそらく充電の期限切れに役立っていると考えられます。図上。図 4 は、事前に研磨してからイオン衝撃を受けた銅の単結晶の表面を、倍率 3000 倍の走査型電子顕微鏡で撮影した画像を示しています [2]。おそらく、これらの印象的な「ピーク」と「クレーター」の端では、マイクロフィールドの強度が大幅に増加するはずです。

空気イオン化の物理学

屋内でのフィールド。針の先端から遠ざかるにつれて、場の強度は急速に低下し (距離の 1 乗に反比例しますが、場は依然として球形であると考えることができます)、この例では 1 cm の距離で (U = 10) kV、r = 100 μm) わずか XNUMX V/m になります。これが事実ではないことは明らかであり、ここで私たちはすでにマクロフィールドの領域に陥っているため、他の考慮事項に従う必要があります。

たとえば、「古典的な」「チジェフスキーのシャンデリア」が、たとえ貧弱であっても大きな導電テーブルの上に高さ h で吊り下げられているとします（図 5）。

空気イオン化の物理学

ある程度の拡張を加えて、シャンデリアとテーブルの間の場は均一である (力線は平行である) と考えます。次に、E = U/h、U = 30 kV、h = 1,5 mとすると、E = 20 kV/mとなります。ここで、州衛生疫学監督委員会の「衛生規則と規範」[7]に目を向ける時が来ました。このような電界強度で変電所の職員が作業できるのは 5 時間以内であり、作業日全体を通じて電界強度は 15 kV / m 未満、イオン電流密度は 20 nA / m2 以下です。。

後者は、テーブルの上面に置かれた導電板とシャンデリアの電源のプラス端子の間に微小電流計を接続し、「シートからの電流」（A. L. チジェフスキーによる）をその値で割ることによって測定できます。エリア。上記の見積もりによると、シャンデリアは許容範囲内で機能し、元の形式ではリビングルームではなく、大きなホールに適しています。

これは、Elion-135 イオナイザー (Diod 工場、1995 年リリース) の動作中に著者が実験的に取得したイオン濃度のデータによっても証明されています。この推定は検電器の充放電速度から行われ、イオナイザーから約 300 m の距離で 000 イオン/cm3 程度の濃度値が得られました。「シャンデリア」の下2 mの距離にある面積0,5 m2の「シートからの電流」は約1,7 nAに達し、許容値の60倍の電流密度を与えます。明らかに、このような高性能を考慮すると、デバイスはパルス動作モードを提供します。

もちろん、オームの法則をキャンセルした人は誰もいないので、イオン電流は電源の正極に戻らなければなりません。壁、床、天井の導電性は、微視的なイオン流を通過させるのに十分です。「シャンデリア」の電圧を電流で割ることで等価抵抗を求めます。この例では、「シャンデリア」電流が 1 μA であると仮定します。その場合、等価抵抗は 30 kV / 1 μA = 30 GΩ になります。「戻り線」とは、鉄筋コンクリートの壁の補強材、隠ぺいされた配線、そして一般に、たとえ孤立していても、弱いイオン電流を「吸収」するのに十分な静電容量を有する任意の体積物体を指します。この場合、物体はマイナスに帯電します。

空の部屋の「シャンデリア」の周りの力線の絵を描く試みが図に行われます。 6.

空気イオン化の物理学

壁や天井までの距離が近いところでは磁力線が太くなります。そこでは電界強度がより高く、イオンがそこに殺到します。それらの「移動時間」は数秒しかなく、ほとんど役に立ちません。何をすべきか？「シャンデリア」を天井よりも床に近くなり、周囲の物からできるだけ遠ざけるように、シャンデリアを下げて、その下に立ったり、座ったり、横になったりしてください。すると、イオンの流れが主にあなたに向かって押し寄せます。

粉塵とエアロゾル。小さくて十分に絶縁された物体（塵、煙、水滴などの粒子）は、イオナイザーの領域ではかなり早く帯電します。このプロセスは次のように進みます。中性粒子はまず分極されます。つまり、イオナイザーに面した側に正電荷が蓄積され、反対側に負電荷が蓄積されます (図 3 を参照)。前者は後者が反発するよりも強く引き付けられる (より近くにある) ため、粒子は中性を保ったままイオナイザーに向かって飛行します。

しかし、イオンの流れがそれに向かって移動し、すぐに正電荷を補い、その結果、粒子全体が負に帯電します。これで、イオナイザーからの磁力線に沿って飛行し、線の終点に落ち着きます。時間が経つと、天井や壁紙に付着したほこりによる斑点が残り、修理が必要になることが予想されます。場合によっては、内部補強のパターンが壁や天井に非常に顕著に現れることがあります。このような望ましくない現象は、第一にイオナイザーの取り付けが間違っていること、第二に清浄な空気中でイオナイザーのスイッチが入っていないことを示しています。

結論として、私は実験者の幸運と患者の健康、そしてこの記事を読み終えた読者の両者の幸運を祈り、提起された問題についての希望や考えも表明してほしいという希望を表明したいと思います。

文学

産業および公共施設における空気イオン化の許容レベルの衛生基準。 - ソ連保健省、1980年。
物理百科事典。 - M .: Sov. 百科事典、1983。
チジェフスキーA.L.空気イオンと生命。 -M .:思考、1999年。
Polyakov V. Cat - 静電気発生器。 - ラジオ、2001 年、第 3 号、p. 56.
カラシニコフS.G.電気。 -M .: Nauka、1985年。
Polyakov V.「歌う」静かな放電。 - ラジオ、2001 年、No. 8、p. 55、56。
変電所および UHV 直流架空線の職員に対する静電界およびイオン電流密度の許容レベル。 - M.: ゴスコムサネピドナゾール RF、1993 年。

著者: V.Polyakov、モスクワ

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