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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Física da ionização do ar. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Radioamador iniciante Vários tipos de ionizadores de ar, incluindo os lustres de Chizhevsky, estão se tornando cada vez mais parte de nossa vida cotidiana. Muitos radioamadores fazem os seus próprios. No entanto, nem todos imaginam o que acontece "nas pontas das agulhas" da estrutura. Qual é o "destino" dos íons de ar gerados e como otimizar os parâmetros e o design do próprio ionizador de ar? Essas questões são consideradas pelo autor do artigo. Longe de esperar dar uma resposta exaustiva a todas as questões que surgem, tentarei, no entanto, falar sobre os processos físicos que ocorrem durante a ionização. Provavelmente deveríamos começar com uma descrição do que é fisicamente o ar ao nosso redor. Consiste em 78% de nitrogênio molecular N2 e 21% de oxigênio molecular 02 com uma pequena mistura de dióxido de carbono e gases inertes. As moléculas de gás são muito pequenas, seu diâmetro é de cerca de 2 10-10 M. Um metro cúbico de ar em condições normais (temperatura 0 ° C e pressão 760 mm Hg) contém 2,5 1025 moléculas. Eles estão em movimento térmico contínuo, movendo-se aleatoriamente e colidindo constantemente uns com os outros (Fig. 1). Na verdade, a pressão do ar ou de outros gases é explicada pelo impacto das moléculas nas paredes do vaso.
A física molecular ensina que a energia do movimento térmico é proporcional à temperatura absoluta T e é igual a kT / 2 para cada grau de liberdade da molécula, onde k \u1,38d 10 23-0 J / K é a constante de Boltzmann. Somente na temperatura zero absoluto (T = 273,1 ou -XNUMX°C) o movimento térmico para. Para radioamadores, será interessante notar que os elétrons em condutores, resistores, lâmpadas e transistores também estão sujeitos a movimento térmico; portanto, uma pequena tensão que muda aleatoriamente, chamada tensão de ruído, aparece nos terminais desses elementos. A potência de ruído fornecida à entrada de qualquer amplificador ou receptor de rádio é determinada pela fórmula de Nyquist: N = kTV, onde B é a largura de banda. As velocidades das moléculas assumem uma variedade de valores, mas em geral obedecem à distribuição de Maxwell. Se a velocidade v for plotada ao longo da abcissa e o número de moléculas com uma dada velocidade, N(v), for plotado ao longo da ordenada, obtemos um gráfico da distribuição de moléculas por velocidade (Maxwell), mostrado na Fig. 2
A velocidade quadrática média das moléculas (é ligeiramente superior à mais provável, correspondente ao máximo da curva) é em condições normais de cerca de 500 m/s, o que é 1,5 vezes superior à velocidade do som! É bastante claro que com uma concentração tão alta de moléculas e suas enormes velocidades, elas freqüentemente colidem umas com as outras, e o caminho livre médio não excede 0,25 mícrons (isso é metade do comprimento de onda da luz). Só podemos imaginar como os íons "sobrevivem" nessa multidão de pesadelo! Vamos considerá-los. Os íons são os mesmos átomos ou moléculas, mas com um elétron "extra" ausente ou ligado. Lembre-se de que cada átomo contém um núcleo carregado positivamente e uma camada de elétrons. A carga é quantizada e a carga elementar mínima possível é igual à carga do elétron (e = 1,6-10-19 K). Qualquer carga na natureza é ne, onde n é um número inteiro, embora possa ser um número muito grande. O número de elétrons carregados negativamente em um átomo, igual ao número de cargas positivas no núcleo, corresponde ao número ordinal do elemento na tabela periódica. Assim, por exemplo, um átomo de nitrogênio tem 7 elétrons, um átomo de oxigênio tem 8. Em geral, um átomo é eletricamente neutro e suficientemente forte - deve-se gastar energia para modificá-lo ou destruí-lo. É necessária uma energia particularmente grande para a fissão nuclear; essas energias são obtidas apenas em aceleradores de partículas carregadas especiais ou em reações nucleares. A maneira mais fácil é remover um elétron externo de um átomo. O trabalho que deve ser feito neste caso é igual à energia de ionização. Para a ionização dupla de um átomo (remoção de dois elétrons), é necessária uma energia muito maior. Um íon atômico ou molecular leve logo une um certo conglomerado de moléculas em torno de si e se transforma em um íon de ar médio (I. Pollock), caracterizado por uma massa muito maior e menor mobilidade. Fixando-se em micropartículas, aerossóis, partículas de poeira, etc., esses íons se transformam em íons de ar pesados e superpesados (P. Langevin), que possuem massa ainda maior e mobilidade ainda menor. Não são mais íons, mas sim aerossóis carregados, cuja concentração depende inteiramente da pureza do ar ionizado. As características dos íons de ar para ar fresco externo estão resumidas na tabela.
Para instalações industriais e públicas, cujo ambiente de ar é submetido a tratamento especial em sistemas de ar condicionado, são definidas as concentrações mínima exigida e máxima permitida de íons leves de polaridade negativa - 600 ... 50, positiva - 000 ... 400 50. A concentração óptima de iões de ar negativos leves é considerada 000...3000, positiva - cerca de metade [5000]. Em espaços fechados, a concentração de íons de ar negativos leves úteis geralmente não excede várias dezenas. A concentração de positivos prejudiciais está crescendo rapidamente, especialmente se houver pessoas na sala e TVs, monitores de computador e dispositivos semelhantes estiverem funcionando. Mecanismos de ionização pode ser diferente. Fotoionização ocorre quando um quantum de radiação eletromagnética (fóton) colide com um átomo ou molécula. Ionização de impacto surge em uma colisão com uma partícula que se move rapidamente e, portanto, possui uma grande energia cinética (mv2/2). Ionização térmica é causada por um forte aquecimento do gás, de modo que a energia do movimento térmico se torna comparável à energia de ionização. Finalmente, autoionização ocorre sob a ação de um forte campo elétrico com intensidade de 107...108 V/m, suficiente para "quebrar" o elétron externo do átomo pelas forças de interação eletrostática [2]. A energia de ionização pode ser medida, como esperado, em joules (unidades SI), mas é muito mais conveniente - em elétron-volts (1 eV = 1,6-10-19 J). Nesse caso, é numericamente igual ao potencial de ionização P - a menor diferença de potencial acelerador que um elétron deve passar para adquirir energia eP suficiente para ionizar um átomo ou molécula não excitada pelo impacto do elétron. Os potenciais de ionização do nitrogênio atômico e do oxigênio são 14,5 e 13,6 V, respectivamente, mas praticamente não há gases atômicos nas camadas inferiores da atmosfera. Moléculas de nitrogênio e oxigênio possuem outros potenciais de ionização - 15,6 e 12,2 V. É interessante notar que o potencial de ionização do oxigênio molecular é notavelmente menor, donde já se segue uma importante conclusão prática: o ionizador deve operar na menor tensão possível, a quais íons leves ainda são obtidos. , - então os íons de oxigênio, úteis para a saúde, prevalecerão. As moléculas de gás sob condições normais podem ionizar ou trocar cargas em colisões causadas por movimento térmico? Obviamente que não, pois o cálculo da energia média do movimento translacional da molécula (3 graus de liberdade) dá o valor ZkT/2 = 6 10-21 J, que é duas ordens e meia de magnitude menor que a energia de ionização . Em condições naturais, o ar é ionizado pela radiação ultravioleta do Sol, elementos radioativos da crosta terrestre, tempestades e outros fenômenos elétricos na atmosfera. Os íons também são formados durante a evaporação e pulverização de partículas de água, como resultado da atividade vital de plantas e animais. Por exemplo, cada exalação humana contém milhões de íons positivos [3], enquanto pelos de gato podem criar íons negativos [4]. Ionização em agulhas de alto potencial, como observado, ocorre sob a influência de um campo elétrico de alta intensidade, e os elétrons escapam de uma agulha carregada negativamente - afinal, o metal possui um excesso de elétrons "livres" que não estão associados aos átomos da rede cristalina, graças a eles o metal é um condutor. A função de trabalho de um elétron da maioria dos metais é de vários elétron-volts, que é menor que a energia de ionização do gás. A emissão autoeletrônica [2] de um metal ocorre em uma intensidade de campo acima de 107 V/m e fornece elétrons primários que servem apenas para iniciar processos de ionização. Junto com ele, também pode ocorrer um efeito fotoelétrico - derrubando elétrons por quanta de luz e radiação ultravioleta, se o gás nas proximidades da ponta da agulha brilhar. O elétron ejetado não fica livre por muito tempo: tendo percorrido uma distância da ordem do caminho livre, colidirá com uma molécula de gás e será atraído por forças elétricas, formando um íon negativo. O processo de anexar um elétron a uma molécula neutra não requer mais energia, além disso, esse processo libera até uma pequena quantidade de energia. No entanto, a "produtividade" de uma agulha operando dessa maneira seria muito baixa. É interessante acelerar o elétron a uma velocidade tal que, colidindo com uma molécula, derrube outro elétron, que também é acelerado pelo campo e derrube outro, e assim por diante. Forma-se uma avalanche de elétrons, voando do ponta da agulha. Os íons positivos são atraídos para a agulha carregada negativamente, acelerados pelo campo e bombardeiam o metal, eliminando elétrons adicionais. Os elétrons, por outro lado, conectando-se com moléculas neutras, formam um fluxo de íons de ar negativos leves, voando para longe da ponta da agulha na direção das linhas de força do campo elétrico. O bombardeio de íons provavelmente fornece a maior parte dos elétrons primários. Para que elétrons e íons acelerem para energias suficientes para ionização, a diferença de potencial de campo ao longo do caminho livre médio deve ser de 12 ... 13 V. Isso significa que a intensidade do campo E \u12d dU / dl deve ser de 0,25 V / 50 μm \uXNUMXd XNUMX MV/m (megavolt por metro!). Este enorme valor da força do campo não deve ser embaraçoso - realmente acontece em ionizadores reais. A ionização de avalanche descrita é acompanhada por outros fenômenos interessantes. Alguns átomos recebem de colisões com elétrons e íons energia insuficiente para ionização, mas transferem o átomo para um estado excitado (os elétrons de átomos excitados se movem para órbitas mais altas). Tudo no mundo tende a se equilibrar, e muito em breve um átomo excitado, passando para o estado fundamental (equilíbrio), despeja o excesso de energia na forma de um quantum de radiação eletromagnética. A energia dos quanta de radiação infravermelha (térmica) é inferior a cerca de 2 eV, visível (luz) - 2...4 eV, os quanta com maior energia pertencem à faixa ultravioleta. Todas essas radiações de baixa intensidade estão presentes durante a ionização dos gases. Os quanta de radiação visível (fótons) criam um brilho nas pontas das agulhas, que pode ser observado na escuridão absoluta, de preferência com um microscópio, na forma de uma belíssima estrela azulada. É considerado geralmente aceito que um bom ionizador não deve ter brilho de agulha, mas, aparentemente, sempre há um brilho fraco e o tamanho da estrela é muito pequeno. O movimento dos íons no ar devido a vários motivos. A difusão é causada pelo mesmo movimento térmico das moléculas. Devido à difusão, diferentes gases no mesmo volume são misturados, os odores se espalham rapidamente e a temperatura se equilibra. A taxa de difusão de qualquer gás, partícula, molécula ou íon é proporcional ao gradiente de concentração ou ao grau em que seu número muda com a distância. Isso leva a uma equalização da concentração em todo o volume ao longo do tempo. No ar, a taxa de difusão costuma ser muito baixa, medida em centímetros por segundo. Os íons leves se movem muito mais rápido sob a ação de um campo elétrico. A velocidade de um íon em um campo elétrico é determinada por sua mobilidade: v = u·E. Por exemplo, um íon negativo leve de oxigênio molecular, tendo uma mobilidade de 1,83 cm2/Vs, adquire uma velocidade de cerca de 2 m/s em uma intensidade de campo ligeiramente acima de 10 kV/m. Os íons se movem estritamente ao longo das linhas de força do campo e, desenhando uma imagem das linhas de campo na sala, também obtemos uma imagem dos fluxos de íons. Se houver um movimento ordenado de todas as moléculas (vento, corrente de ar, jato de um ventilador), os íons, é claro, são levados por esse fluxo e se movem com ele. Este movimento é sobreposto ao movimento sob a ação do campo de acordo com as regras usuais de adição vetorial de velocidades. Ao mesmo tempo, devido a colisões frequentes, os íons se recombinam - quando um íon negativo e um positivo colidem, um elétron passa de um para o outro e dois átomos ou moléculas neutras são formados. Ao atrair moléculas neutras, os íons leves "pesam" e se transformam em médios. Como resultado, sua concentração diminui com o tempo. O tempo de vida médio de um íon negativo leve é estimado em dezenas de segundos [3]. Conclui-se que os íons em uma sala fechada não podem ser armazenados "para o futuro", e enganam-se aqueles que acreditam que ligando o ionizador meia hora antes de dormir, eles respirarão ar ionizado a noite toda. É melhor que o ionizador funcione constantemente, mas com uma capacidade pequena, para criar uma concentração ideal de íons não muito alta. Concentração de campo nas agulhas. Para criar ou pelo menos avaliar a imagem do campo próximo ao ionizador e no espaço circundante, é conveniente dividir o problema em dois: calcular o "microcampo" na ponta da agulha e, a seguir, considerar toda a estrutura do ionizador como um único eletrodo, para ter uma ideia do "macrocampo" em todo o volume da sala. Esta técnica é frequentemente utilizada em eletrodinâmica, "costurando" (equacionando) os campos na fronteira das regiões em consideração. Vamos começar com a agulha. É sabido desde a época de M. Faraday que as linhas de força do campo elétrico são sempre perpendiculares à superfície condutora (bem como a quaisquer superfícies equipotenciais), não são interrompidas em nenhum lugar, começando em cargas positivas e terminando em negativos. Eles podem sair ou vir do infinito, o que é impossível para espaços fechados. A intensidade do campo é diretamente proporcional à densidade das linhas de campo e perto da superfície - à densidade de carga da superfície. Usando essas regras, representaremos uma imagem das linhas de campo na ponta de uma agulha com um raio de curvatura r (Fig. 3).
Convencionalmente, mostra-se que cada linha de força termina em uma carga (-). Pode-se ver que tanto as linhas de campo quanto as cargas estão concentradas na ponta da agulha, onde a estrutura do campo é a mesma de uma bola de raio r. Usemos as fórmulas conhecidas do curso geral de física para o campo força e o potencial de uma esfera com carga q: E = q/4πεε0r2, U = q/4πεε0r. Eliminando a carga q e as permissividades εε0, obtemos Е = U/r, o que coincide com o resultado de uma derivação mais rigorosa [5]. Acontece que não apenas o potencial na agulha, mas também sua nitidez está envolvida na criação de um campo suficiente para ionização. Assim, na ponta de uma agulha com raio de curvatura de 10 μm = 10-5 m, já com tensão de U = 1 kV, surge um campo muito forte com intensidade de 108 V/m. Isso está de acordo com os resultados experimentais [6], quando uma corrente iônica perceptível foi observada em tensões bastante baixas e grandes distâncias entre os eletrodos. A microestrutura do metal provavelmente também ajuda na expiração das cargas. Na fig. A Figura 4 mostra uma imagem da superfície de um monocristal de cobre, que foi pré-polido e depois submetido a bombardeio iônico, obtido com um microscópio eletrônico de varredura com aumento de 3000 [2]. Provavelmente, nas bordas desses impressionantes "picos" e "crateras", a força do microcampo deve aumentar fortemente.
Campo dentro de casa. À medida que você se afasta da ponta da agulha, a intensidade do campo cai rapidamente (inversamente proporcional ao quadrado da distância, enquanto o campo ainda pode ser considerado esférico) e a uma distância de 1 cm em nosso exemplo (U = 1 kV, r = 10 μm) seria apenas 100 V/m. É óbvio que não é assim, e aqui já caímos na região do macrocampo, então devemos nos guiar por outras considerações. Deixe, por exemplo, o "clássico" "candelabro de Chizhevsky" pendurado a uma altura h acima de uma mesa grande, embora mal conduzida (Fig. 5).
Com algum alongamento, consideramos que o campo entre o candelabro e a mesa é homogêneo (as linhas de força são paralelas). Então E = U/h, e colocando U = 30 kV e h = 1,5 m, obtemos E = 20 kV/m. Aqui é hora de recorrer às "Regras e Normas Sanitárias" do Comitê Estadual de Vigilância Sanitária e Epidemiológica [7]! Eles permitem o trabalho do pessoal das subestações elétricas em tal intensidade de campo por não mais que 5 horas, e durante todo o dia de trabalho a intensidade do campo é inferior a 15 kV / m e a densidade de corrente de íons não é superior a 20 nA / m2 . Este último pode ser medido conectando um microamperímetro entre a placa condutora colocada na superfície superior da mesa e o terminal positivo da fonte de alimentação do lustre, dividindo a "corrente da folha" (de acordo com A. L. Chizhevsky) por sua área. De acordo com as estimativas acima, o lustre funciona no limite do permitido e em sua forma original é mais adequado para grandes salões, e não para salas de estar. Isso também é evidenciado pelos dados sobre a concentração de íons obtidos experimentalmente pelo autor durante a operação do ionizador Elion-135 (fábrica Diod, lançamento de 1995). A estimativa foi feita a partir da taxa de carga e descarga do eletroscópio e deu um valor de concentração da ordem de 300 íons/cm000 a uma distância de cerca de 3 m do ionizador. A "corrente de uma folha" com área de 2 m0,5, situada a uma distância de 2 m sob o "lustre", era de cerca de 1,7 nA, o que dá uma densidade de corrente seis vezes maior que a permitida. Aparentemente, devido a um desempenho tão alto, o dispositivo fornece um modo de operação pulsado. Claro, ninguém cancelou a lei de Ohm e a corrente de íons deve retornar ao pólo positivo da fonte de energia. A condutividade das paredes, piso e teto é suficiente para a passagem de uma corrente microscópica de íons. Encontramos a resistência equivalente dividindo a tensão no "lustre" por sua corrente. Vamos supor que neste exemplo a corrente do "candelabro" seja de 1 μA, então a resistência equivalente será de 30 kV / 1 μA = 30 GΩ. O "fio de retorno" é o reforço da parede de concreto armado, fiação oculta e, em geral, qualquer objeto volumétrico, embora isolado, que tenha capacitância suficiente para "absorver" uma corrente iônica fraca. Nesse caso, o objeto será carregado negativamente. Na fig. 6.
As linhas de campo são mais espessas onde há menos distância das paredes ou do teto. Lá, a força do campo é maior e os íons correm para lá. Eles têm apenas alguns segundos de "tempo de viagem" e são inúteis para você. O que fazer? Abaixe o "lustre" para que fique mais próximo do chão do que do teto e o mais longe possível dos objetos ao redor, depois fique de pé, sente-se ou deite-se sob ele. Então o fluxo de íons correrá principalmente em sua direção. Poeira e aerossóis. Objetos pequenos e bem isolados - partículas de poeira, fumaça, gotas de água, etc. - são eletrificados rapidamente no campo do ionizador. O processo é o seguinte: a partícula neutra é primeiro polarizada, ou seja, as cargas positivas se acumulam no lado voltado para o ionizador e as cargas negativas no lado oposto (ver Fig. 3). Os primeiros são atraídos mais fortemente (estão mais próximos) do que os últimos se repelem, então a partícula voará em direção ao ionizador, permanecendo neutra. Mas um fluxo de íons se move em sua direção, o que logo compensará a carga positiva, como resultado, toda a partícula ficará carregada negativamente. Agora ele voará ao longo da linha de campo do ionizador e se estabelecerá onde a linha termina. É de se esperar que, com o tempo, manchas de poeira depositada permaneçam no teto e no papel de parede e sejam necessários reparos. Às vezes, o padrão de reforço interno aparece com muito destaque nas paredes e no teto. Tais fenômenos indesejáveis indicam, em primeiro lugar, a instalação incorreta do ionizador e, em segundo lugar, que ele não foi ligado em ar limpo. Em conclusão, gostaria de desejar boa sorte aos experimentadores, aos pacientes - saúde e aos leitores que dominaram este artigo - ambos, com a expressão da esperança de que eles também expressem seus desejos e pensamentos sobre as questões levantadas. Literatura
Autor: V.Polyakov, Moscou
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