空气电离物理学。方案、说明

空气电离物理学。无线电电子电气工程百科全书

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各种类型的空气离子发生器，包括 Chizhevsky 的枝形吊灯，正日益成为我们日常生活的一部分。许多无线电爱好者自己制作。然而，并不是每个人都能想象到该结构的“针尖”会发生什么。产生的空气离子的“命运”是什么以及如何优化空气离子发生器本身的参数和设计？这些问题都是文章作者思考的。

我并不希望对出现的所有问题给出详尽的答案，但我将尝试谈论电离过程中发生的物理过程。

我们或许应该从描述我们周围的空气的物理性质开始。它由 78% 分子氮 N2 和 21% 分子氧 02 以及少量二氧化碳和惰性气体组成。气体分子非常小，其直径约为2×10-10m。正常条件下（温度0℃，压力760mmHg）一立方米空气含有2,5×1025个分子。它们处于连续的热运动中，随机移动并不断相互碰撞（图1）。实际上，空气或其他气体的压力是通过分子对容器壁的影响来解释的。

空气电离物理学

分子物理学告诉我们，热运动的能量与绝对温度 T 成正比，对于分子的每个自由度都等于 kT / 2，其中 k ≤ 1,38 10-23 J / K 是玻尔兹曼常数。仅在绝对零温度（T = 0 或 -273,1°C）时热运动才会停止。

对于无线电爱好者来说，有趣的是，导体、电阻器、灯和晶体管中的电子也会受到热运动的影响，因此在这些元件的端子上会出现一个小的、随机变化的电压，称为噪声电压。任何放大器或无线电接收器输入端的噪声功率由奈奎斯特公式确定：N = kTV，其中 B 是带宽。

分子的速度具有多种值，但通常服从麦克斯韦分布。如果沿横坐标绘制速度 v，并沿纵坐标绘制具有给定速度 N(v) 的分子数量，我们将得到分子按速度（麦克斯韦）分布的图，如图 2 所示

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分子的均方根速度（略高于最可能的速度，对应于曲线的最大值）在正常情况下约为500 m/s，比声速高1,5倍！

很明显，如此高浓度的分子及其巨大的速度，它们经常相互碰撞，平均自由程不超过0,25微米（这是光波长的一半）。人们只能想知道离子是如何在这群噩梦般的人群中“生存”的！让我们考虑一下它们。

离子是相同的原子或分子，但不存在或附加“额外”电子。回想一下，每个原子都包含一个带正电的原子核和一个电子壳层。电荷被量子化，最小可能的基本电荷等于电子电荷 (e = 1,6-10-19 K)。自然界中的任何电荷都是ne，其中n是整数，尽管它可以是一个非常大的数。原子中带负电的电子数量等于原子核中正电荷的数量，对应于元素周期表中元素的序数。例如，氮原子有 7 个电子，氧原子有 8 个。

一般来说，原子是电中性的并且足够强大——必须消耗能量来改变或破坏它。核裂变需要特别大的能量，这种能量只能在特殊的带电粒子加速器或核反应中获得。最简单的方法是从原子中除去一个外层电子。在这种情况下必须做的功等于电离能。对于原子的双电离（去除两个电子），需要更大的能量。

轻原子或分子离子很快就会将自身周围的某种分子聚集体结合起来，并变成普通的空气离子（I.波洛克），其特点是质量大得多，迁移率低。这些离子沉积在微粒、气溶胶、灰尘颗粒等上，变成重空气离子和超重空气离子（P. Langevin），其质量更大，迁移率更低。这些不再是离子，而是带电气溶胶，其浓度完全取决于电离空气的纯度。表中总结了室外新鲜空气的空气离子特性。

空气电离物理学

对于空气环境在空调系统中经过特殊处理的工业和公共场所，负极性轻空气离子的最低要求和最大允许浓度设定为 - 600 ... 50，正极性 - 000 ... 400。

在封闭空间内，有用的轻负空气离子浓度通常不超过几十。有害阳性物质的浓度正在迅速增加，特别是当房间里有人并且电视、电脑显示器和类似设备正在工作时。

电离机制 可能不同。 光电离 当电磁辐射量子（光子）与原子或分子碰撞时就会发生。 碰撞电离 是在与快速移动的、因此具有大动能 (mv2/2) 的粒子碰撞时产生的。 热电离 是由气体的强烈加热引起的，使得热运动的能量变得与电离能相当。最后， 自电离 发生在强度为 107...108 V/m 的强电场作用下，足以通过静电相互作用力“破坏”原子的外层电子 [2]。

正如预期的那样，电离能可以以焦耳（SI 单位）为单位进行测量，但更方便 - 以电子伏特为单位（1 eV = 1,6-10-19 J）。在这种情况下，它在数值上等于电离势 P——电子必须通过的最小加速电势差，以获得足以通过电子撞击电离未激发原子或分子的能量 eP。

氮原子和氧原子的电离势分别为 14,5 和 13,6 V，但大气下层实际上不存在原子气体。氮和氧分子具有不同的电离电势 - 15,6 和 12,2 V。有趣的是，分子氧的电离电势明显较低，由此得出一个重要的实际结论：电离器必须在尽可能低的电压下运行，在该电压下仍能获得轻离子 - 那么对健康有益的氧离子将占上风。

正常条件下的气体分子在热运动引起的碰撞中能否电离或交换电荷？显然不是，因为分子平动运动的平均能量（3个自由度）的计算给出的值是ZkT/2 = 6·10-21 J，该值比电离能小两个半数量级。

在自然条件下，空气因太阳的紫外线辐射、地壳的放射性元素、雷暴和大气中的其他电现象而电离。由于植物和动物的生命活动，在水颗粒的蒸发和喷洒过程中也会形成离子。例如，人类的每次呼气都含有数百万个正离子[3]，而猫毛可以产生负离子[4]。

高电位针上的电离如上所述，发生在高强度电场的影响下，电子从带负电的针中逸出 - 毕竟，金属具有过量的“自由”电子，这些电子与晶格的原子无关，因此金属是导体。大多数金属的电子功函数为几个电子伏特，小于气体的电离能。金属的自电子发射 [2] 在场强高于 107 V/m 时发生，并提供仅用于启动电离过程的初级电子。与此同时，如果针尖附近的气体发光，也会发生光电效应——通过光量子和紫外线辐射击出电子。

喷射出的电子不会长时间保持自由状态：在行进了自由路径数量级的距离后，它将与气体分子碰撞并被电力吸引，形成负离子。电子附着在中性分子上的过程不再需要能量，而且这个过程甚至释放出少量的能量。然而，以这种方式操作的针的“生产率”会非常低。有趣的是，将电子加速到与分子碰撞的速度，它会击出另一个电子，该电子也被场加速并击出另一个电子，依此类推，形成电子雪崩，从针尖飞出。正离子被带负电的针吸引，在电场的作用下加速并轰击金属，击出额外的电子。另一方面，电子与中性分子连接，形成一股光负空气离子流，沿着电场力线的方向从针尖飞走。离子轰击可能提供了大部分初级电子。

为了使电子和离子加速到足以电离的能量，平均自由程上的场电位差必须为 12 ... 13 V。这意味着场强 E × dU / dl 必须为 12 V / 0,25 μm × 50 MV / m（兆伏每米！）。如此巨大的场强值不应令人尴尬 - 它确实出现在真正的电离器中。

所描述的雪崩电离还伴随着其他有趣的现象。一些原子从与电子和离子的碰撞中获得不足以电离的能量，但将原子转移到激发态（激发原子的电子移动到更高的轨道）。

世界上的一切都趋于平衡，很快，一个受激原子进入基态（平衡）状态，以电磁辐射量子的形式释放多余的能量。红外（热）辐射量子的能量小于约2 eV，可见光（光）- 2...4 eV，能量较高的量子属于紫外线范围。所有这些低强度辐射都存在于气体电离过程中。

可见辐射量子（光子）在针尖处产生辉光，可以在绝对黑暗中观察到，最好用显微镜，以非常美丽的蓝色恒星的形式观察。人们普遍认为，好的离子发生器不应该有针辉光，但显然，总是有微弱的辉光，而且星形的尺寸很小。

离子在空气中的运动 由于多种原因。扩散是由分子的相同热运动引起的。由于扩散，相同体积的不同气体混合，气味传播得相当快，温度也趋于均匀。任何气体、颗粒、分子或离子的扩散速率与浓度梯度或它们的数量随距离变化的程度成正比。这导致整个体积内的浓度随着时间的推移而均衡。在空气中，扩散速率通常非常低，以厘米每秒为单位。

轻离子在电场的作用下移动得更快。电场中离子的速度由其迁移率决定：v = u·E。例如，分子氧的轻负离子的迁移率为 1,83 cm2/Vs，在略高于 2 kV/m 的场强下获得约 10 m/s 的速度。离子严格沿着力线移动，通过绘制房间内的力线图，我们还可以获得离子流的图。

如果所有分子都有有序的运动（风、气流、风扇喷射），那么离子当然会被这种流动带走并随之移动。该运动根据速度矢量相加的通常规则叠加在场作用下的运动上。

同时，由于频繁的碰撞，离子重新结合——当负离子和正离子碰撞时，电子从一个离子传递到另一个离子，形成两个中性原子或分子。通过吸引中性分子，轻离子“增重”并变成中等离子。结果，它们的浓度随着时间的推移而降低。轻负离子的平均寿命估计为数十秒[3]。由此可见，密闭房间中的离子无法储存“以备将来”，那些认为睡前打开离子发生器半小时就能整晚呼吸离子空气的人是错误的。离子发生器最好能够持续工作，但容量较小，以便产生不太高的最佳离子浓度。

针上的现场浓度。为了创建或至少评估电离器附近和周围空间中的场的图像，可以方便地将问题分为两个：计算针尖处的“微场”，然后将电离器的整个结构视为单个电极，以了解房间整个体积中的“宏观场”。这种技术经常用于电动力学，“缝合”（等同）所考虑区域边界处的场。我们先从针开始吧。

自法拉第时代以来，人们就知道电场力线始终垂直于导电表面（以及任何等电位面），它们不会在任何地方中断，从正电荷开始到负电荷结束。它们可以离开或来自无限远，这对于封闭空间来说是不可能的。场强与场线密度成正比，在表面附近与表面电荷密度成正比。

使用这些规则，我们将在曲率半径为 r 的针尖处描绘出场线图（图 3）。

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传统上，每条力线都以电荷 (-) 结束。可以看出，场线和电荷都集中在针的尖端，那里的场结构与半径为 r 的球的场结构相同。让我们使用物理通识课程中已知的公式来计算带电荷 q 的球体的场强和电势： Е = q/4πεε0r2，U = q/4πεε0r。消除电荷q和介电常数εε0，我们得到Е = U/r，这与更严格的推导结果一致[5]。

事实证明，不仅针上的电势，而且它的锋利度都与创建足以电离的场有关。因此，在曲率半径为 10 μm = 10-5 m 的针尖处，电压 U = 1 kV 时，会产生强度为 108 V/m 的非常强的场。这与实验结果非常吻合 [6]，当在相当低的电压和电极之间的较大距离下观察到明显的离子电流时。

金属的微观结构也可能有助于电荷的失效。上图。图4显示了用放大倍数为3000的扫描电子显微镜拍摄的经过预抛光然后进行离子轰击的铜单晶表面图像[2]。也许，在这些令人印象深刻的“峰”和“坑”的边缘，微场强度应该会急剧增加。

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室内场。当您远离针尖时，场强迅速下降（与距离的平方成反比，而场仍然可以被视为球形），在我们的示例中，距离 1 厘米（U = 1 kV，r = 10 μm）时，场强仅为 100 V/m。显然情况并非如此，这里我们已经陷入了宏观领域，所以我们必须以其他考虑为指导。

例如，让“经典”“Chizhevsky 枝形吊灯”悬挂在一张大的（尽管导电性很差）桌子上，高度为 h（图 5）。

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经过一些拉伸，我们认为枝形吊灯和桌子之间的场是均匀的（力线是平行的）。那么 E = U/h，并设 U = 30 kV 和 h = 1,5 m，我们得到 E = 20 kV/m。这里就该翻看国家卫生流行病学监督委员会的《卫生规则和规范》了[7]！允许变电站工作人员在这种场强下工作不超过5小时，并且在整个工作日场强小于15kV/m，离子电流密度不大于20nA/m2。

后者可以通过在放置在桌子上表面的导电板和吊灯电源的正极端子之间连接微安计，然后将“来自板材的电流”（根据 A. L. Chizhevsky 的说法）除以其面积来测量。根据上述估计，吊灯在允许的限度内工作，其原始形式更适合大型大厅，而不适合客厅。

笔者在Elion-135离子发生器（Diod厂，1995年发布）运行过程中实验获得的离子浓度数据也证明了这一点。根据验电器的充电和放电速率进行估计，并在距离子发生器约 300 m 的距离处给出约 000 个离子/cm3 的浓度值。 “吊灯”下距离 2 m 处，面积为 0,5 m2 的“来自薄片的电流”约为 1,7 nA，电流密度是允许电流密度的六倍。显然，鉴于如此高性能，该器件提供了脉冲操作模式。

当然，没有人取消欧姆定律，离子电流必须返回电源的正极。墙壁、地板和天花板的导电性足以让微观离子流通过。我们通过将“枝形吊灯”上的电压除以它的电流来找到等效电阻。假设在此示例中“吊灯”电流为 1 μA，则等效电阻将为 30 kV / 1 μA = 30 GΩ。 “返回线”是钢筋混凝土墙加固、隐藏布线，以及一般而言任何具有足够电容以“吸收”微弱离子电流的体积物体（尽管是孤立的）。在这种情况下，物体将带负电。

图 6 试图描绘空房间中“枝形吊灯”周围的力线图。 XNUMX.

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距离墙壁或天花板较近的地方，场线较粗。那里的场强较高，离子会涌向那里。它们只有几秒钟的“旅行时间”，对你来说大多毫无用处。该怎么办？将“枝形吊灯”放低，使其距离地板比距离天花板更近，并尽可能远离周围的物体，然后在其下方站立、坐下或躺下。然后离子流将主要冲向您。

灰尘和气溶胶。绝缘良好的小物体——灰尘颗粒、烟雾、水滴等——在电离器的电场中很快就会带电。过程是这样的：中性粒子首先被极化，即正电荷积聚在面向电离器的一侧，负电荷积聚在相反的一侧（见图 3）。前者的吸引力比后者的排斥力更强（它们更接近），因此粒子将飞向电离器，保持中性。

但一股离子流向它移动，很快就会补偿正电荷，结果，整个粒子将带负电。现在，它将沿着电离器的场线飞行，并停留在场线结束的地方。预计随着时间的推移，天花板和壁纸上会残留灰尘留下的斑点，需要进行维修。有时，内部加固的图案在墙壁和天花板上显得非常显眼。这种不良现象首先表明离子发生器安装不正确，其次表明它没有在清洁空气中打开。

最后，我祝愿实验者好运，患者健康，以及掌握本文的读者，希望他们也能就所提出的问题表达自己的愿望和想法。

文学

工业和公共场所空气电离允许水平的卫生和卫生规范。 - 苏联卫生部，1980 年。
物理百科词典。 - M.：Sov。百科全书，1983 年。
Chizhevsky A. L. 空气离子和生命。 - M.：思想，1999。
Polyakov V. Cat - 静电发生器。 - 广播，2001 年，第 3 期，p。 56.
卡拉什尼科夫 S.G. 电力。 - M.：瑙卡，1985 年。
Polyakov V.“唱歌”安静放电。 - 广播，2001 年，第 8 期，第 55 页。 56、XNUMX。
变电站和特高压直流架空线路人员允许的静电场和离子流密度水平。 - M.：Goskomsanepidnadzor RF，1993。

作者：V.Polyakov，莫斯科

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