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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Física de la ionización del aire. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Radioaficionado principiante Los ionizadores de aire de varios tipos, incluidos los candelabros Chizhevsky, se están convirtiendo cada vez más en parte de nuestra vida cotidiana. Muchos radioaficionados los fabrican ellos mismos. Sin embargo, no todo el mundo entiende lo que sucede “en la punta de las agujas” de la estructura. ¿Cuál es el "destino" de los iones de aire generados y cómo optimizar los parámetros y el diseño del ionizador de aire? Estas cuestiones son consideradas por el autor del artículo. Sin ninguna esperanza de dar una respuesta exhaustiva a todas las preguntas que surjan, intentaré hablar de los procesos físicos que ocurren durante la ionización. Probablemente deberíamos comenzar con una descripción de lo que representa físicamente el aire que nos rodea. Se compone de un 78% de nitrógeno molecular N2 y un 21% de oxígeno molecular 02 con una pequeña mezcla de dióxido de carbono y gases inertes. Las moléculas de los gases son muy pequeñas, su diámetro es de unos 2-10 m. Un metro cúbico de aire en condiciones normales (temperatura 10°C y presión 0 mm Hg) contiene 760·2,5 moléculas. Están en continuo movimiento térmico, moviéndose caóticamente y chocando continuamente entre sí (Fig. 1025). En realidad, la presión del aire u otros gases se explica por el impacto de las moléculas en las paredes del recipiente.
La física molecular enseña que la energía del movimiento térmico es proporcional a la temperatura absoluta T y es igual a kT/2 para cada grado de libertad de la molécula, donde k = 1,38·10-23 J/K es la constante de Boltzmann. Sólo a temperatura de cero absoluto (T = 0 o -273,1°C) se detiene el movimiento térmico. Será interesante para los entusiastas de la radio observar que los electrones en conductores, resistencias, lámparas y transistores también están sujetos a movimiento térmico, por lo que aparece un pequeño voltaje que varía caóticamente en los terminales de estos elementos, llamado voltaje de ruido. La potencia de ruido aplicada a la entrada de cualquier amplificador o receptor de radio está determinada por la fórmula de Nyquist: N = kTV, donde B es el ancho de banda. Las velocidades de las moléculas toman diversos valores, pero en general obedecen a la distribución de Maxwell. Si trazamos la velocidad v a lo largo del eje de abscisas y el número de moléculas que tienen una velocidad dada, N(v), a lo largo del eje de ordenadas, obtenemos una gráfica de la distribución de moléculas por velocidad (Maxwell), que se muestra en la figura. 2
La velocidad cuadrática media de las moléculas (es ligeramente superior a la más probable correspondiente al máximo de la curva) es en condiciones normales de unos 500 m/s, ¡lo que es 1,5 veces mayor que la velocidad del sonido! Está absolutamente claro que con una concentración tan alta de moléculas y sus enormes velocidades, a menudo chocan entre sí, y el camino libre promedio no supera los 0,25 micrones (esto es la mitad de la longitud de onda de la luz). ¡Uno sólo puede preguntarse cómo “sobreviven” los iones en esta pesadilla de aplastamiento! Mirémoslos. Los iones son los mismos átomos o moléculas, pero con un electrón "extra" faltante o adjunto. Recuerde que cada átomo contiene un núcleo cargado positivamente y una capa de electrones. La carga está cuantificada y la carga elemental mínima posible es igual a la carga del electrón (e = 1,6-10-19 K). Cualquier carga en la naturaleza es ne, donde n es un número entero, aunque puede ser un número muy grande. El número de electrones cargados negativamente en un átomo, igual al número de cargas positivas en el núcleo, corresponde al número atómico del elemento en la tabla periódica. Por ejemplo, un átomo de nitrógeno tiene 7 electrones, un átomo de oxígeno tiene 8. En general, el átomo es eléctricamente neutro y bastante fuerte; se debe gastar energía para modificarlo o destruirlo. Para dividir un núcleo se necesitan cantidades de energía especialmente grandes; tales energías sólo se obtienen en aceleradores especiales de partículas cargadas o durante reacciones nucleares. La forma más sencilla es eliminar un electrón externo de un átomo. El trabajo que se debe realizar en este caso es igual a la energía de ionización. Para la doble ionización de un átomo (eliminación de dos electrones) se necesita mucha más energía. Un ion atómico o molecular ligero muy pronto une a su alrededor un determinado conglomerado de moléculas y se convierte en un aeroión mediano (I. Pollock), caracterizado por una masa mucho mayor y menor movilidad. Al depositarse en micropartículas, aerosoles, partículas de polvo, etc., estos iones se convierten en aeroiones pesados y superpesados (P. Langevin), que tienen una masa aún mayor y una movilidad aún menor. Ya no se trata de iones, sino de aerosoles cargados, cuya concentración depende totalmente de la pureza del aire ionizado. Las características de los iones de aire para aire fresco al aire libre se resumen en la tabla.
Para locales industriales y públicos, cuyo ambiente aéreo está sujeto a un tratamiento especial en sistemas de aire acondicionado, se establecen los estándares mínimos requeridos y máximos permitidos para la concentración de iones ligeros del aire de polaridad negativa - 600...50 000, positivo - 400 ...50 000. La concentración óptima de iones de aire ligeros negativos se considera 3000...5000, positivos, aproximadamente la mitad [1]. En espacios cerrados, la concentración de iones de aire negativos ligeros útiles no suele exceder de varias decenas. La concentración de positivos dañinos crece rápidamente, especialmente si hay gente en la habitación y hay televisores, monitores de computadora y dispositivos similares en funcionamiento. Mecanismos de ionización Puede ser diferente. Fotoionización Ocurre cuando un cuanto de radiación electromagnética (fotón) choca con un átomo o molécula. Ionización de impacto ocurre al chocar con una partícula que se mueve rápidamente y, por lo tanto, tiene alta energía cinética (mv2/2). Ionización térmica causado por un fuerte calentamiento del gas, de modo que la energía del movimiento térmico se vuelve comparable a la energía de ionización. Finalmente, autoionización tiene lugar bajo la influencia de un fuerte campo eléctrico con una fuerza de 107...108 V/m, suficiente para "arrancar" el electrón externo de un átomo mediante fuerzas de interacción electrostática [2]. La energía de ionización se puede medir, como se esperaba, en julios (sistema de unidades SI), pero es mucho más conveniente: en electronvoltios (1 eV = 1,6-10-19 J). En este caso, es numéricamente igual al potencial de ionización P, la diferencia de potencial de aceleración más pequeña que debe atravesar un electrón para adquirir energía eP suficiente para ionizar un átomo o molécula no excitado mediante el impacto de un electrón. Los potenciales de ionización del nitrógeno atómico y el oxígeno son 14,5 y 13,6 V, respectivamente, pero prácticamente no hay gases atómicos en las capas inferiores de la atmósfera. Las moléculas de nitrógeno y oxígeno tienen diferentes potenciales de ionización: 15,6 y 12,2 V. Es interesante observar que el potencial de ionización del oxígeno molecular es notablemente menor, lo que ya lleva a una conclusión práctica importante: el ionizador debe funcionar al voltaje más bajo posible, a qué iones ligeros todavía se producen, entonces predominarán los iones de oxígeno saludables. ¿Se pueden ionizar las moléculas de gas en condiciones normales o intercambiar cargas durante las colisiones causadas por el movimiento térmico? Evidentemente no, ya que el cálculo de la energía media del movimiento de traslación de una molécula (3 grados de libertad) da el valor ZkT/2 = 6·10-21 J, que es dos órdenes de magnitud y medio menor que la energía de ionización. . En condiciones naturales, la radiación ultravioleta del Sol, los elementos radiactivos de la corteza terrestre, las tormentas eléctricas y otros fenómenos eléctricos de la atmósfera ionizan el aire. Los iones también se forman durante la evaporación y pulverización de partículas de agua, como resultado de la actividad vital de plantas y animales. Por ejemplo, cada exhalación humana contiene millones de iones positivos [3], y los pelos de gato pueden crear iones negativos [4]. Ionización en agujas de alto potencial, como se señaló, ocurre bajo la influencia de un campo eléctrico de alta intensidad y los electrones se emiten desde una aguja cargada negativamente; después de todo, el metal tiene una gran cantidad de electrones "libres" que no están asociados con los átomos de la red cristalina. , gracias a lo cual el metal es conductor. La función de trabajo de un electrón en la mayoría de los metales es de varios electronvoltios, que es menor que la energía de ionización del gas. La emisión de electrones de campo [2] de un metal se produce con intensidades de campo superiores a 107 V/m y suministra electrones primarios que sirven sólo para iniciar procesos de ionización. Junto a esto también puede producirse un efecto fotoeléctrico: la destrucción de electrones por cuantos de luz y radiación ultravioleta, si el gas que se encuentra cerca de la punta de la aguja brilla. El electrón emitido no permanece libre por mucho tiempo: después de recorrer una distancia del orden de la trayectoria libre media, chocará con una molécula de gas y será atraído hacia ella por fuerzas eléctricas, formando un ion negativo. El proceso de añadir un electrón a una molécula neutra ya no requiere energía; además, este proceso incluso libera una pequeña cantidad de energía. Sin embargo, el “rendimiento” de una aguja funcionando de esta manera sería muy bajo. Es interesante acelerar un electrón a tal velocidad que, al chocar con una molécula, derribe a otro electrón, que también será acelerado por el campo y derribará a otro, etc. Se forma una avalancha de electrones que vuelan desde la punta. de la aguja. Los iones positivos son atraídos por la aguja cargada negativamente, acelerados por el campo y bombardean el metal, eliminando electrones adicionales. Los electrones, combinados con moléculas neutras, forman una corriente de iones de aire ligeros negativos que se dispersan desde la punta de la aguja en la dirección de las líneas del campo eléctrico. El bombardeo de iones probablemente suministra la mayor parte de los electrones primarios. Para que los electrones y los iones se aceleren a energías suficientes para la ionización, la diferencia de potencial de campo a lo largo del camino libre medio debe ser de 12... 13 V. Esto significa que la intensidad del campo E = dU/dl debe ser de 12 V/0,25 μm. = 50 MV/m (¡megavoltios por metro!). Este enorme valor de la intensidad del campo no debe causar confusión: en realidad se obtiene en ionizadores reales. La ionización de avalancha descrita va acompañada de otros fenómenos interesantes. Algunos átomos reciben energía de las colisiones con electrones e iones que es insuficiente para la ionización, pero transfiere el átomo a un estado excitado (los electrones de los átomos excitados se mueven a órbitas más altas). Todo en el mundo busca el equilibrio y muy pronto el átomo excitado, al pasar al estado fundamental (de equilibrio), libera el exceso de energía en forma de un cuanto de radiación electromagnética. La energía de los cuantos de radiación infrarroja (térmica) es inferior a aproximadamente 2 eV, visible (luz): 2...4 eV, los cuantos con mayor energía pertenecen al rango ultravioleta. Todas estas radiaciones de baja intensidad están presentes durante la ionización de gases. Los cuantos de radiación visibles (fotones) crean un brillo en las puntas de las agujas, que se puede observar en la oscuridad absoluta, preferiblemente con un microscopio, en forma de una estrella azulada muy hermosa. En general, se acepta que un buen ionizador no debe tener brillo en las agujas, pero, aparentemente, siempre hay un brillo débil y el tamaño de la estrella es muy pequeño. El movimiento de iones en el aire. debido a varias razones. La difusión es causada por el mismo movimiento térmico de moléculas. Gracias a la difusión, se mezclan diferentes gases en un volumen, los olores se propagan con bastante rapidez y se iguala la temperatura. La velocidad de difusión de cualquier gas, partícula, molécula o ion es proporcional al gradiente de concentración, o al grado en que su número cambia con la distancia. Esto conduce a la igualación de la concentración en todo el volumen a lo largo del tiempo. En el aire, la velocidad de difusión suele ser muy pequeña y se mide en centímetros por segundo. Los iones ligeros se mueven mucho más rápido bajo la influencia de un campo eléctrico. La velocidad de un ion en un campo eléctrico está determinada por su movilidad: v = u·E. Por ejemplo, un ion ligero negativo de oxígeno molecular, que tiene una movilidad de 1,83 cm2/Vs, adquiere una velocidad de aproximadamente 2 m/s con una intensidad de campo ligeramente superior a 10 kV/m. Los iones se mueven estrictamente a lo largo de las líneas de campo y, al dibujar las líneas de campo en la habitación, también obtenemos una imagen de los flujos de iones. Si hay un movimiento ordenado de todas las moléculas (viento, corriente de aire, chorro de ventilador), entonces los iones, por supuesto, son arrastrados por este flujo y se mueven con él. Este movimiento se superpone al movimiento bajo la influencia del campo según las reglas habituales de la suma vectorial de velocidades. Al mismo tiempo, debido a las frecuentes colisiones, los iones se recombinan: cuando un ion negativo y uno positivo chocan, un electrón pasa de uno a otro y se forman dos átomos o moléculas neutras. Al atraer moléculas neutras, los iones ligeros se vuelven "más pesados" y se convierten en iones medianos. Como resultado, su concentración disminuye con el tiempo. La vida media de un ion ligero negativo se estima en decenas de segundos [3]. De ello se deduce que es imposible almacenar iones en una habitación cerrada "para uso futuro", y quienes creen que al encender el ionizador media hora antes de acostarse respirarán aire ionizado toda la noche, se equivocan. Es mejor si el ionizador funciona constantemente, pero con un rendimiento bajo, para crear una concentración óptima de iones no demasiado alta. Concentración de campo en agujas. Para crear o al menos evaluar el patrón de campo cerca del ionizador y en el espacio circundante, es conveniente dividir el problema en dos: calcular el "microcampo" en la punta de la aguja y luego, considerando toda la estructura del ionizador. como electrodo único, tenga una idea del “macrocampo” en todo el volumen de la habitación. Esta técnica se utiliza a menudo en electrodinámica, "emparejando" (igualando) los campos en los límites de las regiones consideradas. Empecemos por la aguja. Desde la época de M. Faraday, se sabe que las líneas del campo eléctrico son siempre perpendiculares a la superficie conductora (así como a cualquier superficie equipotencial) y no se interrumpen en ningún lugar, comenzando con cargas positivas y terminando con cargas negativas. Pueden salir o venir del infinito, lo cual es imposible en espacios cerrados. La intensidad del campo es directamente proporcional a la densidad de las líneas de campo y, en la superficie, a la densidad de carga superficial. Usando estas reglas, dibujaremos las líneas de fuerza en la punta de la aguja con un radio de curvatura r (Fig. 3).
Convencionalmente, se demuestra que cada línea de fuerza termina en una carga (-). Se puede observar que tanto las líneas de campo como las cargas se concentran en la punta de la aguja, donde la estructura del campo es la misma que la de una bola de radio r. Utilicemos las fórmulas conocidas del curso de física general para la intensidad del campo. y potencial de una esfera con carga q: E = q/4πεε0r2, U = q/4πεε0r. Excluyendo la carga q y las constantes dieléctricas εε0, obtenemos E = U/r, lo que coincide con el resultado de una derivación más rigurosa [5]. Resulta que en la creación de un campo suficiente para la ionización interviene no sólo el potencial de la aguja, sino también su agudeza. Así, en la punta de una aguja con un radio de curvatura de 10 μm = 10-5 m, incluso con una tensión de U = 1 kV, aparece un campo muy intenso con una intensidad de 108 V/m. Esto concuerda bastante con los resultados experimentales [6], cuando se observó una corriente iónica notable a voltajes bastante bajos y grandes distancias entre los electrodos. La microestructura del metal probablemente también ayude al flujo de cargas. En la Fig. La Figura 4 muestra una imagen de un monocristal de cobre prepulido y luego sometido a bombardeo iónico, tomada con un microscopio electrónico de barrido con un aumento de 3000 [2]. Es probable que en los bordes de estos impresionantes “picos” y “cráteres” la intensidad del microcampo aumente considerablemente.
campo interior. A medida que nos alejamos de la punta de la aguja, la intensidad del campo cae rápidamente (inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, mientras que el campo todavía puede considerarse esférico), y a una distancia de 1 cm en nuestro ejemplo (U = 1 kV, r = 10 μm) serían sólo 100 V/m. Evidentemente no es así, y aquí ya nos encontramos en la región del macrocampo, por lo que debemos guiarnos por otras consideraciones. Supongamos, por ejemplo, que la "clásica" "lámpara de araña Chizhevsky" cuelgue a una altura h por encima de una mesa de gran tamaño, aunque mal conductora (Fig. 5).
Con un poco de estiramiento, consideramos que el campo entre la lámpara y la mesa es uniforme (las líneas de campo son paralelas). Entonces E = U/h, y poniendo U = 30 kV y h = 1,5 m, obtenemos E = 20 kV/m. ¡Ha llegado el momento de recurrir a las “Reglas y normas sanitarias” del Comité Estatal de Supervisión Sanitaria y Epidemiológica [7]! Permiten que el personal de la subestación eléctrica trabaje con esta intensidad de campo durante no más de 5 horas, y durante toda la jornada laboral se permite una intensidad de campo inferior a 15 kV/m y una densidad de corriente iónica no superior a 20 nA/m2. . Este último se puede medir conectando un microamperímetro entre una placa conductora colocada en la superficie superior de la mesa y el terminal positivo de la fuente de alimentación de la lámpara, y luego dividiendo la "corriente de la hoja" (en palabras de A.L. Chizhevsky) por su área. Según las estimaciones anteriores, la lámpara de araña funciona al límite de lo permitido y en su forma original es más adecuada para pasillos grandes que para salas de estar. Esto también se evidencia en los datos sobre concentraciones de iones obtenidos experimentalmente por el autor durante el funcionamiento del ionizador Elion-135 (planta de diodos, fabricada en 1995). La evaluación se realizó basándose en la velocidad de carga y descarga del electroscopio y arrojó un valor de concentración del orden de 300 iones/cm000 a una distancia de aproximadamente 3 m del ionizador. La "corriente de una hoja" con un área de 2 m0,5, que se encontraba a una distancia de 2 m debajo de la "candelabro", era de aproximadamente 1,7 nA, lo que da una densidad de corriente seis veces mayor que la permitida. Al parecer, dada una productividad tan alta, el dispositivo tiene un modo de funcionamiento por impulsos. Por supuesto, la ley de Ohm no ha sido cancelada y la corriente iónica debe regresar al polo positivo de la fuente de energía. La conductividad de las paredes, el suelo y el techo es suficiente para el paso de una corriente iónica microscópica. Encontramos la resistencia equivalente dividiendo el voltaje en el "candelabro" por su corriente. Supongamos que en el ejemplo considerado la corriente de "candelabro" es 1 μA, entonces la resistencia equivalente será 30 kV/1 μA = 30 GOhm. El “cable de retorno” es el refuerzo de muros de hormigón armado, cableado oculto y, en general, cualquier objeto volumétrico, aunque aislado, que tenga capacidad suficiente para “absorber” una corriente iónica débil. En este caso, el objeto se cargará negativamente. En la figura 6 se intenta representar una imagen de las líneas de fuerza alrededor de una “candelabro” en una habitación vacía. XNUMX.
Las líneas eléctricas son más gruesas donde la distancia a las paredes o al techo es más corta. Allí la intensidad del campo es mayor y los iones se precipitan allí. Su “tiempo de viaje” es de unos pocos segundos como máximo y en su mayoría son inútiles para usted. ¿Qué hacer? Baje la "candelabro" más abajo para que esté más cerca del piso que del techo y lo más lejos posible de los objetos circundantes, luego párese, siéntese o acuéstese debajo de él. Entonces el flujo de iones se precipitará predominantemente hacia usted. Polvo y aerosoles. Los objetos pequeños y bien aislados (partículas de polvo, humo, gotas de agua, etc.) se electrifican con bastante rapidez en el campo del ionizador. El proceso es el siguiente: primero se polariza la partícula neutra, es decir, se acumulan cargas positivas en el lado que mira hacia el ionizador y cargas negativas en el lado opuesto (ver Fig. 3). Los primeros se atraen con más fuerza (están más cerca) que los segundos, por lo que la partícula volará hacia el ionizador y permanecerá neutra. Pero hacia ellos se mueve un flujo de iones, que pronto compensará la carga positiva, como resultado toda la partícula quedará cargada negativamente. Ahora volará a lo largo de la línea eléctrica desde el ionizador y se asentará donde termina la línea. Es de esperar que, con el tiempo, queden manchas de polvo sedimentado en el techo y el papel tapiz, y será necesario realizar reparaciones. A veces, el patrón de refuerzo interno aparece muy claramente en las paredes y el techo. Estos fenómenos indeseables indican, en primer lugar, que el ionizador se instaló incorrectamente y, en segundo lugar, que no se encendió en aire limpio. En conclusión, me gustaría desear buena suerte a los experimentadores, salud a los pacientes y a los lectores que dominaron este artículo, expresando la esperanza de que ellos también expresen sus deseos y pensamientos sobre las cuestiones planteadas. Literatura
Autor: V.Polyakov, Moscú
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