Потенциальная энергия ионизации, методы ее определения
энергия ионизации относится к минимальному количеству энергии, обычно выражаемому в единицах килоджоулей на моль (кДж / моль), которое требуется для отделения электронов, находящихся в газообразном атоме, который находится в своем основном состоянии.
Газообразное состояние относится к состоянию, в котором оно свободно от влияния, которое другие атомы могут оказывать на себя, так же как любое межмолекулярное взаимодействие отбрасывается. Величина энергии ионизации является параметром, описывающим силу, с которой электрон связан с атомом, частью которого он является..
Другими словами, чем больше необходимого количества энергии ионизации, тем сложнее будет отрыв рассматриваемого электрона..
- 1 Ионизационный потенциал
- 2 Методы определения энергии ионизации
- 3 Первая энергия ионизации
- 4 Вторая энергия ионизации
- 5 ссылок
Потенциал ионизации
Потенциал ионизации атома или молекулы определяется как минимальное количество энергии, которое должно быть приложено, чтобы вызвать отрыв электрона от внешнего слоя атома в его основном состоянии и с нейтральным зарядом; то есть энергия ионизации.
Следует отметить, что когда речь идет о потенциале ионизации, используется термин, который вышел из употребления. Это связано с тем, что ранее определение этого свойства основывалось на использовании электростатического потенциала для интересующего образца..
Используя этот электростатический потенциал, произошли две вещи: ионизация химических частиц и ускорение процесса отрыва электрона, который нужно было удалить..
Поэтому, когда начали использовать спектроскопические методы для его определения, термин «потенциал ионизации» был заменен на «энергию ионизации».
Также известно, что химические свойства атомов определяются конфигурацией электронов, присутствующих на самом внешнем энергетическом уровне в этих атомах. Таким образом, энергия ионизации этих частиц напрямую связана со стабильностью их валентных электронов..
Методы определения энергии ионизации
Как упоминалось ранее, методы определения энергии ионизации в основном задаются процессами фотоэмиссии, которые основаны на определении энергии, испускаемой электронами в результате применения фотоэлектрического эффекта..
Хотя можно сказать, что атомная спектроскопия является самым непосредственным методом определения энергии ионизации образца, у нас также есть фотоэлектронная спектроскопия, в которой измеряются энергии, с которыми электроны связаны с атомами..
В этом смысле ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (также известная под названием UPS на английском языке) — это метод, в котором используется возбуждение атомов или молекул путем применения ультрафиолетового излучения..
Это делается для того, чтобы проанализировать энергетические переходы большинства внешних электронов в изученных химических веществах и характеристики образующихся связей.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и экстремальное ультрафиолетовое излучение также известны, в которых используется тот же принцип, который описан выше, с различиями в типе излучения, падающего на образец, скорости, с которой выбрасываются электроны, и разрешающей способности. полученный.
Первая энергия ионизации
В случае атомов, которые имеют более одного электрона на своем внешнем уровне, то есть так называемых полиэлектронных атомах, значение энергии, необходимой для запуска первого электрона атома, находящегося в его основном состоянии, определяется следующее уравнение:
Энергия + A (г) → A + (г) + е —
«А» символизирует атом любого элемента, а отсоединенный электрон представлен как «е» — ». Это приводит к первой энергии ионизации, называемой «I1«.
Как видите, происходит эндотермическая реакция, так как атом снабжается энергией для получения электрона, добавленного к катиону этого элемента.
Аналогично, значение первой энергии ионизации элементов, присутствующих в тот же период, увеличивается пропорционально увеличению их атомного номера..
Это означает, что оно уменьшается справа налево за период и сверху вниз в той же группе периодической таблицы.
В этом смысле благородные газы имеют высокие величины энергий ионизации, в то время как элементы, относящиеся к щелочным и щелочноземельным металлам, имеют низкие значения этой энергии..
Вторая энергия ионизации
Таким же образом, вытягивая второй электрон из того же атома, получается вторая энергия ионизации, обозначенная как «I2«.
Энергия + А + (ж) → А 2+ (г) + е —
Та же схема применяется для других энергий ионизации при запуске следующих электронов, зная, что после отрыва электрона от атома в его основном состоянии отталкивающий эффект между оставшимися электронами уменьшается.
Поскольку свойство, называемое «зарядом ядра», остается постоянным, требуется большее количество энергии для запуска другого электрона ионных частиц, который имеет положительный заряд. Таким образом, энергии ионизации возрастают, как показано ниже:
Энергия, необходимая для отрыва электрона, называется энергией
ионизации молекул воздуха W ≈ 14 эВ. 1 эВ = 1,602 176 487(40)×10−19 Дж. В биологии это значит, что биологические объекты создают плазму из воздушного аэрозоля. В биологии не нужны миллионы градусов Цельсия для создания плазмы. Эта плазма видна при рассмотрении через светофильтры.
В устройстве дли получения “высокочастотных” фотографий пластины конденсатора, между которыми сосредоточено электрическое поле, подсоединены к высокочастотному генератору. Пластины покрыты диэлектриками (роль одного из них играет фотопленка, на которой и получается изображение); между ними помещается объект. Расстояние между поверхностью последнего и фотопленкой (разрядный промежуток) составляет 10—100 микрон, а напряжение — 20—100 кв. Таким образом, высокочастотный разряд возникает при напряженности электрического поля примерно 10000000 В/см. (для коронарного разряда в воздухе напряженность электрического поля должна быть 25000 кВ/см).
Разрядный промежуток заполнен воздухом, который УЖЕ ЯВЛЯЕТСЯ ионизированным под действием электромагнитного поля человека.
Обычно на поверхностных слоях кожи появляется довольно слабый потенциал — примерно 0,05 В (вольт). Большие потенциалы, вплоть до 10 В, — это результат так называемой внешней электризации, например, результат того, что человек несколько раз потер тыльную сторону руки. Как правило, напряженность электрического поля человека выше 10 В не бывает.
Мы предлагали большой группе добровольцев (мужчины и женщины) в возрасте от 20 до 55 лет приблизить ладони к очень чувствительному вольтметру. Когда между корпусом прибора и рукой расстояние уменьшалось до 2-3 сантиметров, он начинал фиксировать показания. Испытуемые во время замеров пребывали в разнообразном физиологическом и психологическом состоянии — усталые, отдохнувшие, голодные, сытые, злые, веселые, грустные. Выяснилось, что все обследуемые обладали разным потенциалом, и он зависел от физиологического и эмоционального состояния человека
Таким образом, на поверхности кожи имеется 1—2-миллиметровый слой особенно уплотненной плазмы, которая в виде небольших факелов вырывается из пор кожи.
Во всех исследованиях с ВФ, подобных описанным выше, имеются определенные трудности методологического порядка, которые в настоящее время практически лишают нас возможности составить точное представление о механизмах наблюдаемых эффектов. Так, палец, помещенный на пленку, оказывает на нее переменное давление, однако экспериментаторы почти не заботятся о том, чтобы тщательно его контролировать. Манфред Клин провел ряд остроумных экспериментов, замеряя вертикальное и горизонтальное давление пальцев испытуемых, представлявших, будто они переживают различные эмоции. Клин обнаружил ряд характерных образцов «реакции давления» на эмоции, обладающих постоянным временем длительности и общих для испытуемых из различных культур. Эти открытия заставили многих людей задуматься, не является ли ВФ кончиков пальцев попросту формой измерения давления пальцев.
Для проверки этой гипотезы Уильям Тиллер и Дэвид Бойерс из Стенфордского университета разработали чувствительное оборудование, снабженное особым пальцедержателем и микрометрическим устройством. Для предотвращения повышения влажности вокруг пальца пространство между электродами постоянно продувалось сухим воздухом. Фотография выполнялась при помощи фотоаппарата, заряженного специальной высокочувствительной пленкой и расположенного в нескольких дюймах от прозрачного электрода, на который помещался палец. Последнее исключало возможность химического взаимодействия между пленкой и кончиком пальца. Этот эксперимент был, пожалуй, самым строгим из всех когда-либо проводившихся с ВФ. Однако результаты, полученные на таком оборудовании, не зафиксировали никакого влияния на коронный разряд различных эмоций и состояний сознания. Тиллер и Бойерс склоняются к мысли, что все излучение, испускаемое коронным разрядом, находится в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра. Засвечивая кусок эктахромной фотопленки ультрафиолетовыми лучами, они смогли получить красные, белые и голубые изображения. Они предположили, что красные цвета, которые Мосс связывала с эмоциональным возбуждением, в действительности были артефактами, обусловленными короблением пленки, давлением пальца или контактом пленки и электрода.
Бартон, Джойнс и Стивенс с электротехнического факультета Дьюковского университета подтвердили предположение Тиллера о том, что лучи, попадающие на пленку с обратной стороны, создают неверное представление о цвете. Однако применив фотоумножители с оптическими фильтрами, они установили, что во время ВФ наблюдается излучение в красной области спектра. В подтверждение доклада Мосс они обнаружили, что если испытуемый расслаблен, то красное излучение действительно отсутствует. Однако если испытуемый возбужден, то излучение в красной области увеличивается в четыре раза.
Они предположили, что это обусловлено повышением проводимости кожи во время возбуждения, а также повышением концентрации натрия у кончиков пальцев, связанного с потоотделением. Ни в одном из случаев эта исследовательская группа не обнаружила никаких явлений, которые нельзя было бы объяснить на основе существующих знаний о коронном разряде. Очевидно, они не рассматривали феноменов, связанных с целительством.
Эти исследования ясно указывают на то, что ученым, которые сообщают о ярких эффектах в связи с ВФ, следует стремиться к повышению чистоты своих экспериментальных методик. Еще одна трудность при рассмотрении противоречивых сообщений о результатах экспериментов связана с тем, что исследователи работают на нестандартизированном оборудовании. Некоторые из очевидных расхождений в отчетах, исходящих из различных источников, могут объясняться огромной вариабельностью выходных характеристик применяемых высокочастотных генераторов, а также типов используемых электродов.
Самое значительное открытие в исследованиях ВФ получило название «фантом листа». Впервые о нем сообщили Острендер и Шредер в «Психических открытиях за железным занавесом». Они писали, что после удаления части листа советским ученым нередко удавалось сфотографировать его корону, имевшую такую форму, будто лист все еще продолжал оставаться целым. Это навело исследователей на мысль, что излучение энергии вокруг листа образует нечто вроде голограммы, которая действует в качестве силового поля, организующего вещество. Советские исследователи наименовали это гипотетическое организующее поле биоплазменным телом.
В течение нескольких лет американские экспериментаторы безуспешно пытались воспроизвести этот эффект. Несмотря на то, что никак не удавалось выяснить все необходимые детали методики эксперимента, такие ученые, как Уильям Тиллер, заявляли: «Значение данного наблюдения для физики и медицины требует, чтобы в поисках ответа мы не оставили не перевернутым ни одного камня!»
Наконец, в августе 1973 года Кендол Джонсон после более чем 500 безуспешных попыток воспроизвел «фантом листа» с ясно различимыми внутренними деталями. Исследователи тотчас предположили, что результаты были обусловлены какими-то артефактами, — возможно, электростатическим зарядом, оставленным на поверхности электрода листом до того, как последний был разрезан.
Работающий в лаборатории Тельмы Мосс студент-дипломник Джон Хабэчер получил к настоящему времени около дюжины фотографий «фантома листа», обладающих внутренней структурой, которая принадлежит, по всей вероятности, отрезанной части листа. Работая в весенние месяцы (считается, что это благоприятствует успеху экспериментов), Хабэчер пришел к выводу, что получение ясных изображений «фантомов» можно ожидать в 5%, а частичных в 20% попыток. Он все еще не может определить факторы, обуславливающие качество изображений. Возможно, «биоплазменное тело» должно войти в резонанс с используемым при фотографировании полем высокого напряжения. Во избежание электростатических артефактов Хабэчер обращал особое внимание на то, чтобы обрезать листья прежде, чем они попадали на электрод. Более того, прижимая целый лист к эмульсионной стороне пленки до того, как часть его отрезана, Хабэчер попытался специально воспроизвести «псевдофантом». В результате этих попыток не удалось получить ни одного достаточно качественного изображения «фантома».
Пожалуй, наиболее ярко демонстрирует данный эффект кинофильм, запечатлевший сквозь специальный прозрачный электрод угасающий «фантом листа». Скорость камеры была понижена до шести кадров в секунду. Эта работа была выполнена в лаборатории Тельмы Мосс в сотрудничестве с Кларком Даггером, выпускником знаменитого кинофакультета Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Ярко сверкающий «фантом», пульсирующий в течение нескольких секунд прежде, чем исчезнуть, был заснят как на черно-белую, так и на цветную пленку. Лист в этих экспериментах обрезался всякий раз до помещения его на электрод; «фантомы» удавалось получать лишь в течение весенних месяцев.
Работая в лаборатории Мосс, а также в лаборатории Генри Дэкина в Сан-Франциско, я смог без особого труда воспроизвести частичный «эффект фантома». Однако я лично не могу сделать никаких определенных заявлений по поводу этого феномена, поскольку для выявления всех возможных источников артефактов потребовались бы месяцы интенсивных исследований. Пожалуй, основным источником артефактов является небрежность при помещении электрода под фотографируемый объект, в результате которой может возникнуть дополнительный коронный разряд. Необъяснимые изображения появляются иногда и на ВФ обычных листьев, отпечатков пальцев, а также неодушевленных объектов. Уильям Джойнс и его коллеги с электротехнического факультета Дьюковского университета смогли, например, получить «фантом листа» в результате коробления пленки. Несмотря на то что эти сложные проблемы могут быть решены лишь в ходе дальнейших исследований, проводимых в условиях строгого эксперимента, я предчувствую, что «эффект фантома» будет проявляться и впредь, свидетельствуя о существовании чего-то вроде «биоплазменного тела».
Научное значение этих открытий (если они не являются артефактами) трудно переоценить, поэтому совершенно необходимо, чтобы они были воспроизведены с соблюдением всей строгости и чистоты эксперимента, предоставив тем самым надежную основу для теоретических разработок. Большинство читателей наверняка согласится с тем, что поразительные сообщения отдельных исследователей, работающих с ВФ, проливают некоторый свет на те странные переживания, которые украшают иногда нашу жизнь и от которых с раздражением отмахивается официальная наука.
Первые исторически зафиксированные попытки вызвать сияние объектов при воздействии высокочастотного тока высокого напряжения были сделаны в конце восемнадцатого века. В 1777 г. немецкий физик и философ Георг Лихтенберг, исследуя электрический разряд в изоляторе, наблюдал веерообразное излучение. Я.O. Наркевич-Иодко (считается основателем электрографии) разработал метод регистрации энергии при воздействии электрического поля, которую генерирует живой организм. Анализируя электрографические изображения, Я.O. Наркевич-Иодко пришел к выводу, что в формы излучения, представленные изображениях, зависит от здоровья и эмоционального состояния человека, и предложил использовать этот метод для диагностики различных заболеваний на ранних этапах, а также определения совместимости людей. Новые находки были забыты вплоть до 1939 года, когда Семён Давидович Кирлиан и Валентина Хрисанфовна Кирлиан открыли и документировали каскадный эффект газового разряда или коронарного излучения под воздействием высокочастотного электрического поля. Явление было названо эффектом Кирлиана. С.Д. Кирлиан создал устройство для фотографирования разряда, которое существенно отличалось от своих предшественников. В 70-х годах 20-го века немецкий ученый, доктор Питер Мендел показал взаимосвязь между разрядом и электроакупунктурным методом Фолля, и, с использованием эмпирических методов, создал метод диагностики, который сам также проверил и доказал на практике. Сегодня ученые, используя новейшие научные достижения, продолжают работать над методом визуализации газового разряда. Под руководством русского ученого, профессора Константина Георгиевича Короткова создана камера газоразрядной визуализации (ГРВ камера), которая фиксирует биоэнергетическое излучение вокруг фаланг пальцев человека. Немецкая компания "Биомед" с 1977 года производит и продает оборудование и программное обеспечение, основанное на эффекте Кирлиана. А так же компания "Инфорай" проектирует и продает на оборудование, основанное на эффекте Кирлиана, предназначенное для фотографирования пальцев рук и ног человека и конечностей животных.
В СССР долго не хотели обращать внимание на возможности применения этого эффекта. Только в конце 70 -х годов президиум Академии наук СССР рассмотрел "состояние вопроса" и были даны поручения догонять другие страны. Первый физик, защитивший в нашей стране диссертацию по методике Кирлиан — Виктор Адаменко. Ему удалось получить кирлиановские изображения не только на фотоплёнке, но и на люминисцентном экране, на электростатической бумаге, даже на термографических пластинках.
Также одним из последователей супругов Кирлиан, их учеником был Станислав Филиппович Романий (Днепропетровск). Им был разработан и внедрен в практику целый спектр устройств (на основе эффекта Кирлиан) для неразрушающего контроля материалов и конструкций, неподдающихся контролю традиционными методами. Эти методики с успехом были использованы предприятиями ракетной отрасли. Также им был создан аппарат газоразрядной визуализации (АГРД), который позволял получать важную информацию о жизнедеятельности организма, проводить раннюю экспресс — диагностику и определять эффективность проводимой терапии. Новизна этой разработки подтверждена авторскими свидетельствами. Прибор АГРД прошел успешные клинические испытания в ряде медицинских учреждений Украины, России, Латвии. В 1990 г Минздравом СССР было дано заключение и рекомендация для широкого внедрения разработки в медучреждениях СССР. Однако распад Союза и экономические трудности не позволили провести работы в данном направлении в необходимых объемах. А скоропостижный уход С.Ф. Романия на некоторое время прервал исследования в этом направлении на Украине.
В России одним из ведущих специалистов по кирлианографии стал Константин Георгиевич Коротков. Им создан комплекс аппаратуры для исследования биологических объектов методом газоразрядной визуализации с прямым вводом газоразрядных изображений в компьютер. Эта система позволяет наблюдать развитие Кирлиан — изображения в реальном масштабе времени, в обычном, не затемненном помещении, записывать их, преобразовывать, распечатывать и хранить в памяти компьютера. А разработанное программное обеспечение дает возможность построить поле человека, наблюдать его изменения, а также количественно оценить параметры изображений, для более четкой оценки динамики происходящих в организме процессов.
В настоящее время метод газоразрядной визуализации (эффект Кирлиан) является одним из немногих методов, позволяющих быстро, достоверно и безопасно исследовать физическое, психоэмоциональное и энергетическое состояние человека, выявить болезнь задолго до ее клинической манифестации и найти ее первопричину, а также подобрать индивидуальные методики лечения и оздоровления, проконтролировать в динамике их эффективность.
"… Велика заслуга наших изобретателей, супругов Кирлиан, перед наукой и человечеством, ибо открытие их велико и всей глубины значения его учесть еще невозможно. …Труды супругов Кирлиан найдут должную оценку и признание. Ведь центром-то всех достижений и всего прогресса является все-таки человек, и понимание всей сложности устройства аппарата человеческого организма и всех его функций может двинуть науку лишь только вперед" (Гр.А.Й., 6.11.1960г).
В настоящее время под термином эффект Кирлиан понимается визуальное наблюдение или регистация на фотоматериале свечения газового разряда, возникающего вблизи поверхности объекта при помещении его в электрическое поле высокой напряженности. При описании результатов исследования биологических объектов применяется также термин биоэлектрография или кирлианография.
Кирлианография получила большое распространение в мире как метод экспериментальных исследований: библиография по эффекту Кирлиан насчитывает более тысячи публикаций. Наибольший интерес вызвали исследования кирлианограмм биологических объектов, в основном организма человека.
Расширение сферы применения эффекта Кирлиан, стремление консолидировать исследования, проводимые в разных странах, привело к организации в 1978 в США и Англии Международного Союза медицинской и прикладной Биоэлектрографии (IUMAB). Союз был поддержан учеными разных стран, в том числе российскими. Был защищен ряд диссертаций с привлечением большого объема экспериментальных данных по исследованию различных биологических объектов с помощью эффекта Кирлиан.
Эффект Кирлиан является в данный момент единственным инструментальным методом, позволяющим на физическом и энерго-информационном уровнях оценить состояние не отдельного органа или системы, а всего организма в целом во взаимоотношении отдельных частей друг с другом. В перспективе этот метод видится как практический инструмент на столе любого врача.
Физический принцип действия холодильников
Атмосферный воздух представляет собой смесь многих газообразных веществ. Кроме кислорода и азота , образующих основную массу воздуха, в его состав входят в небольшом количестве так называемые инертные газы, двуокись углерода и водяные пары. Помимо перечисленных газов , в воздухе содержится ещё большее или меньшее количество пыли и некоторые случайные примеси. Кислород, азот и инертные газы считаются постоянными составляющими частями воздуха, так как их содержание в воздухе практически повсюду одинаково. Наоборот, содержание 2 CO , водяных паров и пыли может изменяться в зависимости от различных условий. Как известно при обычных условиях давления и температуры различные газы, входящие в состав воздуха, являются диэлектриками.
В случае, если часть молекул ионизируется, то газ проводит ток.
Когда мы говорим, что воздух ионизирован, это значит, что некоторая очень большая часть газовых молекул воздуха несёт электрический заряд отрицательно или положительного знака. Заметим что в 1 см 3 воздуха при нормальных условиях содержится 2,710 19 молекул, среднее число лёгких аэроионов в естественных условиях в том же объёме равно приблизительно 500-700 парам.
Концентрация аэроионов в атмосфере выражается числом положительных и отрицательных ионов в 1 см 3 . Отсюда, проводимость атмосферы состоит из полярных проводимостей – положительной и отрицательной, т.е.
n – число положительных и отрицательных аэроионов,
k – подвижность положительных и отрицательных аэроионов,
e – заряд аэроиона равный 4,810 -10 абсолютных электростатических единиц.
Полная проводимость атмосферы:
= + = n k e + n k e
где:
— полная проводимость атмосферы
— положительная проводимость атмосферы
— отрицательная проводимость атмосферы
n — число положительных аэроионов
n — число отрицательных аэроионов
k — подвижность положительных аэроионов
k — подвижность отрицательных аэроионов
e – заряд аэроиона равный 4,810 -10 абсолютных электростатических единиц.
Плотность вертикального тока атмосферы можно выразить так:
I =
где:
— полная проводимость атмосферы,
I- плотность вертикального тока атмосферы,
— вертикальный градиент потенциала.
Отношение положительных аэроионов к отрицательным близ поверхности земли равно приблизительно 1,2 т.е.:
K = = 1,2
где:
K – коэффициент униполярности,
n — число положительных аэроионов,
n — число отрицательных аэроионов.
Присутствие в воздухе некоторого избытка положительных аэроионов объясняется тем, что почвенный воздух, выходя наружу через капилляры почвы, оставляет на них преимущественно отрицательные аэроионы. Как известно, проводимость почвенного воздуха в 30 раз больше проводимости воздуха атмосферного.
Электрическая проводимость атмосферы в среднем составляет 110 4 электрических едениц.
Плотность вертикального тока проводимости атмосферы
Градиент потенциала электрического поля земли претерпевает резкие искажения благодаря разным неровностям на земной поверхности. Эквипотенциальные поверхности огибают препятствия и сгущаются над возвышенными предметами. Внутри зданий градиент потенциала электрического поля равен нулю, электрическое поле внутри зданий отсутствует даже при сильных атмосферно-электрических явлениях . Это обстоятельство учитывается при электроэффлювиальном методе аэроионофикации.
Ввиду того, что атмосферный воздух содержит, кроме газовых молекул, также и взвешенные в нём твёрдые или жидкие микрочастицы, адсорбирующие лёгкие аэроионы, ионизационное равновесие может быть выражено так:
q = n + n — + n + N — + n + N 0
где:
q – число аэроионов, образующихся в 1 см 3 /с,
n — число положительных аэроионов,
n — число отрицательных аэроионов,
— коэффициент рекомбинации лёгких аэроионов,
— коэффициент соединения лёгких аэроионов с заряженными частицами,
N — — число заряженных частиц,
N 0 — число нейтральных частиц.
Но так как число взвешенных микрочастиц обычно значительно больше числа лёгких аэроионов, ионизационное равновесие может быть представлено уравнением:
q = n + ( n — + N — + N 0 ) = / n t
где:
q – число аэроионов, образующихся в 1 см 3 /с,
n — число положительных аэроионов,
n — число отрицательных аэроионов,
— коэффициент рекомбинации лёгких аэроионов,
— коэффициент соединения лёгких аэроионов с заряженными частицами,
N — — число заряженных частиц,
N 0 — число нейтральных частиц,
t – промежуток времени,
n – общее количество ионов,
/ — постоянная исчезновения аэроионов.
Изменение числа аэроионов в атмосферном воздухе при изменении ионообразования выражается:
t – промежуток времени,
q – число аэроионов, образующихся в 1 см 3 /с,
/ — постоянная исчезновения аэроионов,
n – общее количество ионов.
В случае отсутствия ионообразования число ионов убывает со временем t по закону:
n = n0 e
Средняя продолжительность существования лёгких аэроионов может быть выражена так:
Многочисленные измерения числа лёгких аэроионов воздуха, произведённые во многих странах сотнями физиков, геофизиков, метеорологов и врачей, нельзя признать безусловно достоверными. Счётчик аэроионов Эберта, с помощью которого произведены эти измерения, далеко не удовлетворяют предъявляемым к нему требованиям.
Методика измерения числа аэроионов в единице объёма до сих пор не получила окончательного и точного решения вследствие сложного комплекса факторов, сопутствующих ионным процессам в атмосферном воздухе.
[6]
Ионизация состоит в расщеплении молекул на электрон и ион (заряд +). Так как молекулы и атомы газа довольно устойчивы, то для ионизации нужно совершить работу против сил взаимодействия между электроном и ионом. Работа эта называется работой ионизации . Работа ионизации зависит от природы газа и от энергетического состояния электрона.
Работу ионизации можно определить потенциалом ионизации .
Потенциалом ионизации называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы увеличение его энергии было равно работе ионизации.
, (1)
— потенциал ионизации (эВ),
Электрон-вольт (эВ) — энергия, которую приобретает частица, имеющая заряд, равный заряду электрона, прошедшая разность потенциалов 1 В. Эта внесистемная единица энергии в настоящее время допущена к применению в физике. 1эВ = 1,6021892·10 -19 Дж
e – заряд электрона.
m- масса электрона (кг.)
V- скорость электрона (м/сек.)
e – заряд электрона.
Если кинетическая энергия электрона равна:
Энергия W, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциалов U равна:
W=eU (2.2)
А потенциал ионизации (энергия, обладая которой электрон при столкновении в другим электроном сможет ионизировать его) равна:
= T+W, (2.3)
То подставив (2.1) и (2.2) в (2.3) получим:
U – разность потенциалов, которую необходимо пройти 1 электрону,
чтобы обладать энергией, достаточной для ионизации электрона, с которым он столкнётся..
e – заряд электрона,
m- масса электрона (кг.),
V- скорость электрона (м/сек.),
— потенциал ионизации (эВ).
[1]
В некоторых газах, например в кислороде, углекислом газе, парах воды,
отделившийся электрон при одной из ближайших встреч с другой нейтральной
молекулой соединяется с ней, превращая ее в электроотрицательный ион.
Присоединение, «прилипанием электрона к нейтральной молекуле приводит в
подобных случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что в итоге энергия молекулы, захватившей лишний электрон, оказывается меньше энергии нейтральной молекулы на некоторую величину, которую называют энергией сродства к электрону.
Скорость электрона (километр в секунду), прошедшего без столкновений
разность потенциалов U (вольт), определяется выражением:
Подставляя в эту формулу ионизационные потенциалы, видим, что электрон ионизирует газовые молекулы, когда скорость его движения свыше 1000 км/с.
[5]
В зависимости от того, каким образом производится ионизация, различают следующие виды ионизации:
1) Фотоионизация (воздействие рентгеновскими Х-лучами и гамма-лучами);
Известно, что ионизация воздуха и образование частичных поверхностных разрядов (ЧПР) могут произойти, например, при фотоионизации. Чтобы воздействие излучения привело к ионизации воздуха, должно выполняться условие
с — скорость света;
— длина волны излучения;
h — постоянная Планка;
Wи — энергия ионизации
Определяя длину волны излучения по приведенной формуле, получим
10–7 м, или 103 Å.
Волны с такими длинами лежат на границе ультрафиолетового и рентгеновского излучений (так называемый вакуумный ультрафиолет), видимый же свет не может привести к ионизации воздуха.
- Термическая ионизация (нагревание до высокой температуры).
4) Ионизация электрическим полем. Для того чтобы образовались отрицательные и положительные ионы в результате электростатической эмиссии, необходимо внешнее электрическое поле напряженностью более 1000 кВ/см. Этот вид ионизации наиболее распространим и его применяют для искусственной ионизации воздуха в бытовых помещениях, при помощи приборов, которые называются аэроионизаторы. Далее мы будем рассматривать этот вид ионизации.
[2]
В результате всех этих видов ионизации возникают носители тока. В этом случае говорят о несамостоятельной проводимости газа. Если носители тока возникают в газе, которые обусловлены только приложенным к газу электрическим полем, проводимость называется самостоятельной.
Рассмотрим несамостоятельный газовый разряд. Газовым разрядом называется прохождение тока через газ.
Под действием внешнего ионизатора происходит расщепление молекулы газа на электрон и ион . Электрон может быть захвачен нейтральной молекулой, которая превратится в ион.
Число пар ионизированных молекул в единице объема V и в единицу времени t обозначим через . Часть ионизированных молекул рекомбинируют, т.е. происходит нейтрализация разноименных пар при их встрече.
Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.
Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных ионов. Поэтому количество рекомбинирующих за секунду в единице объема пар ионов пропорционально квадрату числа имеющихся в единице объема пар ионов n:
— количество рекомбинирующих пар ионов (за секунду в единице объема).
r – коэффициент пропорциональности.
n — число имеющихся в единице объема пар ионов.
Концентрация ионов в газе:
n – число одновременно генерируемых ионов в газе
v – коэффициент рекомбинации.
[5]
При отсутствии внешнего поля наступает равновесие: число пар ионизированных молекул равно числу пар рекомбинированных молекул, т.е.
, (3)
откуда число пар ионов в единице объема равно:
.
— число пар ионизированных молекул в единице объема V и в единицу времени t.
r – коэффициент пропорциональности.
n — число имеющихся в единице объема пар ионов.
Под действием космического излучения и следов радиоактивных веществ, имеющихся в земной коре в 1 см 3 при равновесной концентрации ионов значение порядка . Эта концентрация недостаточна для того, чтобы обусловить заметную проводимость (чистый сухой воздух является очень хорошим изолятором).
Если, каждую секунду на электродах ионизатора нейтрализуется пар ионов, то сила тока в цепи будет равна:
, (4)
I — сила тока между излучающими электродами ионизатора,
– заряд носителя тока (иона),
количество пар ионов которые нейтрализуется на электродах ионизатора,
S – площадь электродов,
l – расстояние между электродами;
[1]
Ток между электродами ионизатора:
j – плотность тока
S – площадь каждого электрода в пространстве, между которыми имеет место эффект генерации ионов
[5]
Из выражения (4) получим, что концентрация пар ионов, нейтрализованных на электродах в единицу времени равна
, (5)
количество пар ионов которые нейтрализуется на электродах ионизатора,
I — сила тока между излучающими электродами ионизатора,
– заряд носителя тока (иона),
S – площадь электродов,
l – расстояние между электродами;
j – плотность тока.
При наличии тока условие равновесия ионов запишется следующим образом:
— число пар ионизированных молекул в единице объема V и в единицу времени t,
— количество рекомбинирующих пар ионов (за секунду в единице объема),
количество пар ионов которые нейтрализуется на электродах ионизатора.
Используя выражения (3) и (5), получим
. (6)
— число пар ионизированных молекул в единице объема V и в единицу времени t,
r – коэффициент пропорциональности,
n — число имеющихся в единице объема пар ионов,
j – плотность тока,
– заряд носителя тока (иона),
l – расстояние между электродами.
Плотность тока определяется выражением
, (7)
j – плотность тока,
– заряд носителя тока (иона),
n — число имеющихся в единице объема пар ионов (концентрация ионов),
u + и u — – скорости направленного движения положительных и отрицательных ионов.
Так как скорость направленного движения электронов зависит от напряженности поля E :
u + и u — – скорости направленного движения положительных и отрицательных ионов,
и – подвижность положительных и отрицательных ионов,
E – напряженность поля.
то получим:
j – плотность тока в газообразном диэлектрике,
– заряд носителя тока (иона),
n — число имеющихся в единице объема пар ионов,
и – подвижность положительных и отрицательных ионов,
E – напряженность поля.
j – плотность тока в газе,
q + , q — — заряды
n + , n — концентрация
u + , u — — скорость
упорядоченного движения положительных и отрицательных ионов.
[1]
В случае однородного электрического поля, напряженность которого в каждой точке его одинакова как по модулю, так и по направлению, напряжённость электрического поля можно найти по формуле:
E = .
1 и 2 — потенциалы точек двух эквипотенциальных поверхностей;
d — расстояние между этими поверхностями вдоль электрической силовой линии.
[3]
Напряжённость электрического поля (достаточная для ионизации воздуха) Eи приблизительно составляет от 10 5 до 10 6 в/м.
[5]
Удельная электропроводность газа определяется подвижностью носителей тока, их концентрацией
, (9)
— удельная электропроводность газа,
– заряд носителя тока (иона),
n — число имеющихся в единице объема пар ионов,
и – подвижность положительных и отрицательных ионов.
Закон Ома полученый из выражения (8).
j – плотность тока,
— удельная электропроводность газа,
E – напряженность поля.
Во второй области на кривой зависимости линейная зависимость между плотностью тока и напряженностью нарушается вследствие того, что концентрация ионов в газе убывает.
В третьей области, начиная с некоторого значения напряженности плотность тока остается постоянной при увеличении Е. Это связано с тем, что при неизменной интенсивности ионизации в сильных электрических полях все ионы, образовавшиеся в единицу времени в газе достигают электродов. Значение плотности тока при этом называется плотностью тока насыщения:
. (10)
J нас – плотность тока насыщения,
– заряд носителя тока (иона),
— число пар ионизированных молекул в единице объема V и в единицу времени t,
l – расстояние между электродами.
Реальное значение тока насыщения в воздухе весьма мало и составляет примерно J нас=10 -15 А/м 2 .
[5]
За областью насыщения лежит область резкого возрастания плотности тока (на рис. 2 эта область изображена штриховой линией). Это возрастание объясняется тем, что, начиная с некоторого значения Е, порождаемые внешним ионизатором электроны успевают за время свободного пробега приобрести энергию, достаточную для того, чтобы столкнувшись с молекулой, вызвать ее ионизацию, т.е.
, (11)
где – кинетическая энергия электрона; – работа ионизации молекулы. Возникшие при ионизации электроны, разогнавшись, вызывают в свою очередь ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, возникших при воздействии внешнего ионизатора. Однако процесс не утрачивает характера несамостоятельного разряда.
Энергия ионизации воздуха как найти
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 2,5·10 25 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 (mv 2 /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 10 7 . 10 8 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 10 7 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 см 2 /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/4πεε0r 2 , 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 10 8 В/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/м 2.
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/см 3 на расстоянии около 2 м от ионизатора. «Ток с листа» площадью 0,5 м 2 , 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.