|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Physique de l'ionisation de l'air. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Radioamateur débutant Divers types d'ioniseurs d'air, y compris les lustres de Chizhevsky, font de plus en plus partie de notre vie quotidienne. De nombreux radioamateurs fabriquent les leurs. Cependant, tout le monde n'imagine pas ce qui se passe "au bout des aiguilles" de la structure. Quel est le "destin" des ions d'air générés et comment optimiser les paramètres et la conception de l'ioniseur d'air lui-même ? Ces questions sont examinées par l'auteur de l'article. Loin d'espérer apporter une réponse exhaustive à toutes les questions qui se posent, je vais néanmoins essayer de parler des processus physiques qui se produisent lors de l'ionisation. Nous devrions probablement commencer par une description de ce qu'est physiquement l'air qui nous entoure. Il se compose de 78 % d'azote moléculaire N2 et de 21 % d'oxygène moléculaire 02 avec un petit mélange de dioxyde de carbone et de gaz inertes. Les molécules de gaz sont très petites, leur diamètre est d'environ 2 10-10 M. Un mètre cube d'air dans des conditions normales (température 0 ° C et pression 760 mm Hg) contient 2,5 1025 molécules. Ils sont en mouvement thermique continu, se déplaçant de manière chaotique et se heurtant continuellement les uns aux autres (Fig. 1). En fait, la pression de l'air ou d'autres gaz s'explique par l'impact des molécules sur les parois du vaisseau.
La physique moléculaire enseigne que l'énergie du mouvement thermique est proportionnelle à la température absolue T et est égale à kT / 2 pour chaque degré de liberté de la molécule, où k \u1,38d 10 23-0 J / K est la constante de Boltzmann. Ce n'est qu'à la température du zéro absolu (T = 273,1 ou -XNUMX°C) que le mouvement thermique s'arrête. Pour les radioamateurs, il sera intéressant de noter que les électrons dans les conducteurs, les résistances, les lampes et les transistors sont également soumis à des mouvements thermiques, de sorte qu'une petite tension à variation aléatoire appelée tension de bruit apparaît aux bornes de ces éléments. La puissance de bruit donnée à l'entrée de tout amplificateur ou récepteur radio est déterminée par la formule de Nyquist : N = kTV, où B est la bande passante. Les vitesses des molécules prennent diverses valeurs, mais en général elles obéissent à la distribution de Maxwell. Si la vitesse v est tracée le long de l'abscisse, et le nombre de molécules avec une vitesse donnée, N(v), est tracé le long de l'ordonnée, nous obtenons un graphique de la distribution des molécules par vitesse (Maxwell), illustré à la Fig. 2
La vitesse quadratique moyenne des molécules (elle est légèrement supérieure à la plus probable, correspondant au maximum de la courbe) est dans des conditions normales d'environ 500 m/s, soit 1,5 fois plus que la vitesse du son ! Il est tout à fait clair qu'avec une concentration aussi élevée de molécules et leurs vitesses énormes, elles se heurtent souvent les unes aux autres et le libre parcours moyen ne dépasse pas 0,25 microns (c'est la moitié de la longueur d'onde de la lumière). On ne peut que se demander comment les ions « survivent » dans cette foule cauchemardesque ! Considérons-les. Les ions sont les mêmes atomes ou molécules, mais avec un électron "supplémentaire" absent ou attaché. Rappelons que chaque atome contient un noyau chargé positivement et une couche d'électrons. La charge est quantifiée, et la charge élémentaire minimale possible est égale à la charge de l'électron (e = 1,6-10-19 K). Toute charge dans la nature est ne, où n est un nombre entier, bien qu'il puisse être un très grand nombre. Le nombre d'électrons chargés négativement dans un atome, égal au nombre de charges positives dans le noyau, correspond au nombre ordinal de l'élément dans le tableau périodique. Ainsi, par exemple, un atome d'azote a 7 électrons, un atome d'oxygène en a 8. En général, un atome est électriquement neutre et suffisamment puissant - il faut dépenser de l'énergie pour le modifier ou le détruire. Une énergie particulièrement importante est nécessaire pour la fission nucléaire, de telles énergies ne sont obtenues que dans des accélérateurs de particules spéciaux ou dans des réactions nucléaires. Le moyen le plus simple consiste à retirer un électron externe d'un atome. Le travail qui doit être fait dans ce cas est égal à l'énergie d'ionisation. Pour la double ionisation d'un atome (élimination de deux électrons), une énergie beaucoup plus importante est nécessaire. Un ion atomique ou moléculaire léger unit très vite un certain conglomérat de molécules autour de lui et se transforme en un ion d'air moyen (I. Pollock), caractérisé par une masse beaucoup plus grande et une mobilité plus faible. Se déposant sur des microparticules, des aérosols, des particules de poussière, etc., ces ions se transforment en ions d'air lourds et super lourds (P. Langevin), qui ont une masse encore plus grande et une mobilité encore plus faible. Il ne s'agit plus d'ions mais d'aérosols chargés dont la concentration dépend entièrement de la pureté de l'air ionisé. Les caractéristiques des ions d'air pour l'air frais extérieur sont résumées dans le tableau.
Pour les locaux industriels et publics dont l'environnement aérien est soumis à un traitement spécial dans les systèmes de climatisation, les concentrations minimales requises et maximales admissibles d'ions légers de l'air de polarité négative sont fixées - 600 ... 50 000, positives - 400 ... 50 000. La concentration optimale d'ions légers négatifs dans l'air est considérée comme 3000 5000... 1 XNUMX, positive - environ la moitié [XNUMX]. Dans les espaces clos, la concentration d'ions d'air négatifs légers utiles ne dépasse généralement pas plusieurs dizaines. La concentration de positifs nocifs augmente rapidement, surtout s'il y a des gens dans la pièce et que des téléviseurs, des écrans d'ordinateur et des appareils similaires fonctionnent. Mécanismes d'ionisation peut être différent. Photoionisation se produit lorsqu'un quantum de rayonnement électromagnétique (photon) entre en collision avec un atome ou une molécule. Ionisation par impact survient lors d'une collision avec une particule se déplaçant rapidement et, par conséquent, ayant une grande énergie cinétique (mv2/2). Ionisation thermique est causée par un fort échauffement du gaz, tel que l'énergie du mouvement thermique devient comparable à l'énergie d'ionisation. Enfin, auto-ionisation se déroule sous l'action d'un fort champ électrique d'une intensité de 107...108 V/m, suffisant pour "casser" l'électron externe de l'atome par les forces d'interaction électrostatique [2]. L'énergie d'ionisation peut être mesurée, comme prévu, en joules (unités SI), mais c'est beaucoup plus pratique - en électron-volts (1 eV = 1,6-10-19 J). Dans ce cas, il est numériquement égal au potentiel d'ionisation P - la plus petite différence de potentiel d'accélération qu'un électron doit traverser pour acquérir une énergie eP suffisante pour ioniser un atome ou une molécule non excité par impact électronique. Les potentiels d'ionisation de l'azote et de l'oxygène atomiques sont respectivement de 14,5 et 13,6 V, mais il n'y a pratiquement pas de gaz atomiques dans les couches inférieures de l'atmosphère. Les molécules d'azote et d'oxygène ont d'autres potentiels d'ionisation - 15,6 et 12,2 V. Il est intéressant de noter que le potentiel d'ionisation de l'oxygène moléculaire est sensiblement inférieur, d'où une conclusion pratique importante : l'ioniseur doit fonctionner à la tension la plus basse possible, à dont les ions légers sont encore obtenus. , - alors les ions oxygène, utiles pour la santé, prévaudront. Dans des conditions normales, les molécules de gaz peuvent-elles s'ioniser ou échanger des charges lors de collisions causées par un mouvement thermique ? Évidemment non, puisque le calcul de l'énergie moyenne du mouvement de translation de la molécule (3 degrés de liberté) donne la valeur ZkT/2 = 6 10-21 J, soit deux ordres de grandeur et demi de moins que l'énergie d'ionisation . Dans des conditions naturelles, l'air est ionisé par le rayonnement ultraviolet du Soleil, les éléments radioactifs de la croûte terrestre, les orages et autres phénomènes électriques dans l'atmosphère. Des ions se forment également lors de l'évaporation et de la pulvérisation de particules d'eau, du fait de l'activité vitale des plantes et des animaux. Par exemple, chaque expiration humaine contient des millions d'ions positifs [3], tandis que les poils de chat peuvent créer des ions négatifs [4]. Ionisation sur aiguilles à haut potentiel, comme indiqué, se produit sous l'influence d'un champ électrique à haute intensité, et les électrons s'échappent d'une aiguille chargée négativement - après tout, le métal a un excès d'électrons "libres" qui ne sont pas associés aux atomes du réseau cristallin, grâce à eux le métal est conducteur. La fonction de travail d'un électron de la plupart des métaux est de plusieurs électron-volts, ce qui est inférieur à l'énergie d'ionisation du gaz. L'émission autoélectronique [2] d'un métal se produit à une intensité de champ supérieure à 107 V/m et fournit des électrons primaires qui ne servent qu'à initier les processus d'ionisation. Parallèlement, un effet photoélectrique peut également se produire - assommant des électrons par des quanta de lumière et de rayonnement ultraviolet, si le gaz à proximité de la pointe de l'aiguille brille. L'électron éjecté ne reste pas longtemps libre : après avoir parcouru une distance de l'ordre du libre parcours, il va heurter une molécule de gaz et y être attiré par des forces électriques, formant un ion négatif. Le processus d'attachement d'un électron à une molécule neutre ne nécessite plus d'énergie, de plus, ce processus libère même une petite quantité d'énergie. Cependant, la "productivité" d'une aiguille fonctionnant de cette manière serait très faible. Il est intéressant d'accélérer un électron à une vitesse telle que, lorsqu'il entre en collision avec une molécule, il assomme un autre électron, qui est lui aussi accéléré par le champ et en assomme un autre, et ainsi de suite. de la pointe de l'aiguille. Les ions positifs sont attirés par l'aiguille chargée négativement, accélérés par le champ et bombardent le métal, assommant des électrons supplémentaires. Les électrons, d'autre part, se connectant aux molécules neutres, forment un flux d'ions d'air négatifs légers, s'envolant de la pointe de l'aiguille dans la direction des lignes de force du champ électrique. Le bombardement ionique fournit probablement la majeure partie des électrons primaires. Pour que les électrons et les ions accélèrent à des énergies suffisantes pour l'ionisation, la différence de potentiel de champ sur le libre parcours moyen doit être de 12 ... 13 V. Cela signifie que l'intensité du champ E \u12d dU / dl doit être de 0,25 V / 50 μm \uXNUMXd XNUMX MV/m (mégavolt par mètre !). Cette énorme valeur de l'intensité du champ ne devrait pas être gênante - elle s'avère vraiment dans les vrais ioniseurs. L'ionisation par avalanche décrite s'accompagne d'autres phénomènes intéressants. Certains atomes reçoivent des collisions avec des électrons et des ions une énergie insuffisante pour l'ionisation, mais transfèrent l'atome à un état excité (les électrons des atomes excités se déplacent vers des orbites supérieures). Tout dans le monde a tendance à s'équilibrer, et très vite un atome excité, passant à l'état fondamental (d'équilibre), déverse l'énergie excédentaire sous la forme d'un quantum de rayonnement électromagnétique. L'énergie des quanta de rayonnement infrarouge (thermique) est inférieure à environ 2 eV, visible (lumière) - 2...4 eV, les quanta avec une énergie plus élevée appartiennent à la gamme ultraviolette. Tous ces rayonnements de faible intensité sont présents lors de l'ionisation des gaz. Les quanta de rayonnement visible (photons) créent une lueur au bout des aiguilles, qui peut être observée dans l'obscurité absolue, de préférence au microscope, sous la forme d'une très belle étoile bleutée. Il est généralement admis qu'un bon ioniseur ne devrait pas avoir de lueur d'aiguille, mais, apparemment, il y a toujours une faible lueur et la taille de l'étoile est très petite. Le mouvement des ions dans l'air pour plusieurs raisons. La diffusion est causée par le même mouvement thermique des molécules. En raison de la diffusion, différents gaz dans le même volume se mélangent, les odeurs se propagent assez rapidement et la température s'homogénéise. Le taux de diffusion de tout gaz, particules, molécules ou ions est proportionnel au gradient de concentration, ou au degré auquel leur nombre change avec la distance. Ceci conduit à une égalisation de la concentration dans tout le volume au cours du temps. Dans l'air, le taux de diffusion est généralement très faible, mesuré en centimètres par seconde. Les ions légers se déplacent beaucoup plus rapidement sous l'action d'un champ électrique. La vitesse d'un ion dans un champ électrique est déterminée par sa mobilité : v = u·E. Par exemple, un ion négatif léger d'oxygène moléculaire, ayant une mobilité de 1,83 cm2/Vs, acquiert une vitesse d'environ 2 m/s à une intensité de champ légèrement supérieure à 10 kV/m. Les ions se déplacent strictement le long des lignes de champ de force, et en dessinant une image des lignes de champ dans la pièce, nous obtenons également une image des flux d'ions. S'il y a un mouvement ordonné de toutes les molécules (vent, courant d'air, jet d'un ventilateur), alors les ions, bien sûr, sont emportés par ce flux et se déplacent avec lui. Ce mouvement se superpose au mouvement sous l'action du champ selon les règles habituelles d'addition vectorielle des vitesses. Dans le même temps, en raison de collisions fréquentes, les ions se recombinent - lorsqu'un ion négatif et positif entre en collision, un électron passe de l'un à l'autre et deux atomes ou molécules neutres se forment. En attirant les molécules neutres, les ions légers « pèsent » et se transforment en ions moyens. En conséquence, leur concentration diminue avec le temps. La durée de vie moyenne d'un ion négatif léger est estimée à plusieurs dizaines de secondes [3]. Il s'ensuit que les ions dans une pièce fermée ne peuvent pas être stockés "pour l'avenir", et ceux qui croient qu'en allumant l'ioniseur une demi-heure avant d'aller se coucher, ils respireront de l'air ionisé toute la nuit se trompent. Il vaut mieux que l'ioniseur fonctionne constamment, mais avec une petite capacité, afin de créer une concentration d'ions pas trop élevée et optimale. Concentration de champ sur les aiguilles. Pour créer ou au moins évaluer l'image du champ près de l'ioniseur et dans l'espace environnant, il convient de diviser le problème en deux: calculer le "microchamp" à la pointe de l'aiguille, puis, en considérant l'ensemble de la structure de l'ioniseur comme une seule électrode, pour se faire une idée du "macrochamp" dans tout le volume de la pièce. Cette technique est souvent utilisée en électrodynamique, « cousant » (équivalant) les champs à la frontière des régions considérées. Commençons par l'aiguille. Depuis l'époque de M. Faraday, on sait que les lignes de champ électrique sont toujours perpendiculaires à la surface conductrice (ainsi qu'à toutes les surfaces équipotentielles), elles ne sont interrompues nulle part, commençant aux charges positives et se terminant aux négatives. Ils peuvent partir ou venir de l'infini, ce qui est impossible pour les espaces clos. L'intensité du champ est directement proportionnelle à la densité des lignes de champ et près de la surface - à la densité de charge de surface. En utilisant ces règles, nous allons représenter une image de lignes de champ à la pointe d'une aiguille avec un rayon de courbure r (Fig. 3).
Classiquement, on montre que chaque ligne de force se termine par une charge (-). On peut voir que les lignes de force et les charges sont concentrées à la pointe de l'aiguille, où la structure du champ est la même que celle d'une boule de rayon R. Utilisons les formules connues du cours général de physique pour l'intensité du champ et le potentiel d'une sphère de charge q : U = q/4πεε0r. En éliminant la charge q et les permittivités εε2, on obtient Е = U/r, ce qui coïncide avec le résultat d'une dérivation plus rigoureuse [4]. Il s'avère que non seulement le potentiel sur l'aiguille, mais aussi sa netteté sont impliqués dans la création d'un champ suffisant pour l'ionisation. Ainsi, à la pointe d'une aiguille avec un rayon de courbure de 10 μm = 10-5 m, déjà à une tension de U = 1 kV, un champ très fort apparaît avec une force de 108 V/m. Ceci est en bon accord avec les résultats expérimentaux [6], lorsqu'un courant ionique notable a été observé à des tensions plutôt basses et à de grandes distances entre les électrodes. La microstructure du métal contribue aussi probablement à l'expiration des charges. Sur la fig. La figure 4 montre une image de la surface d'un monocristal de cuivre, qui a été pré-poli puis soumis à un bombardement ionique, prise avec un microscope électronique à balayage avec un grossissement de 3000 [2]. Probablement, aux bords de ces "pics" et "cratères" impressionnants, l'intensité du microchamp devrait augmenter fortement.
Terrain à l'intérieur. Au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la pointe de l'aiguille, l'intensité du champ chute rapidement (inversement proportionnelle au carré de la distance, alors que le champ peut encore être considéré comme sphérique), et à une distance de 1 cm dans notre exemple (U = 1 kV, r = 10 μm) ce ne serait que 100 V/m. Il est évident que ce n'est pas le cas, et ici on tombe déjà dans le domaine du macrochamp, il faut donc se laisser guider par d'autres considérations. Soit, par exemple, le "lustre Chizhevsky" "classique" suspendu à une hauteur h au-dessus d'une grande table conductrice, bien que médiocre (Fig. 5).
Avec un peu d'étirement, on considère que le champ entre le lustre et la table est homogène (les lignes de force sont parallèles). Alors E = U/h, et en mettant U = 30 kV et h = 1,5 m, on obtient E = 20 kV/m. Il est temps ici de se tourner vers les "Règles et Normes Sanitaires" du Comité d'Etat de Surveillance Sanitaire et Epidémiologique [7] ! Ils permettent le travail du personnel des sous-stations électriques à une telle intensité de champ pendant 5 heures au maximum, et pendant toute la journée de travail, l'intensité de champ est inférieure à 15 kV / m et la densité de courant ionique ne dépasse pas 20 nA / m2 . Ce dernier peut être mesuré en connectant un microampèremètre entre la plaque conductrice placée sur la surface supérieure de la table et la borne positive de la source d'alimentation du lustre, puis en divisant le "courant de la feuille" (selon A. L. Chizhevsky) par son zone. Selon les estimations ci-dessus, le lustre fonctionne à la limite autorisée et, dans sa forme originale, convient mieux aux grandes salles et non aux salons. Ceci est également mis en évidence par les données sur la concentration en ions obtenues expérimentalement par l'auteur lors du fonctionnement de l'ioniseur Elion-135 (usine Diod, version 1995). L'estimation a été faite à partir du taux de charge et de décharge de l'électroscope et a donné une valeur de concentration de l'ordre de 300 000 ions/cm3 à une distance d'environ 2 m de l'ioniseur. Le "courant d'une feuille" d'une superficie de 0,5 m2, située à une distance de 1,7 m sous le "lustre", s'élevait à environ 60 nA, ce qui donne une densité de courant six fois supérieure à celle autorisée. Apparemment, compte tenu de ces performances élevées, l'appareil offre un mode de fonctionnement pulsé. Bien sûr, personne n'a annulé la loi d'Ohm et le courant ionique doit revenir au pôle positif de la source d'alimentation. La conductivité des murs, du sol et du plafond est tout à fait suffisante pour le passage d'un courant ionique microscopique. On trouve la résistance équivalente en divisant la tension sur le "lustre" par son courant. Supposons que dans cet exemple le courant "lustre" est de 1 μA, alors la résistance équivalente sera de 30 kV / 1 μA = 30 GΩ. Le "fil de retour" est une armature de mur en béton armé, un câblage dissimulé et, en général, tout objet volumétrique, quoique isolé, qui a une capacité suffisante pour "absorber" un faible courant ionique. Dans ce cas, l'objet sera chargé négativement. Une tentative de représenter une image de lignes de force autour d'un "lustre" dans une pièce vide est faite sur la fig. 6.
Les lignes de champ sont plus épaisses là où il y a moins de distance aux murs ou au plafond. Là, l'intensité du champ est plus élevée et les ions s'y précipitent. Ils n'ont que quelques secondes de "temps de trajet" et vous sont pour la plupart inutiles. Ce qu'il faut faire? Abaissez le "lustre" plus bas de manière à ce qu'il soit plus proche du sol que du plafond et aussi loin que possible des objets environnants, puis placez-vous, asseyez-vous ou allongez-vous en dessous. Ensuite, le flux d'ions se précipitera principalement vers vous. Poussières et aérosols. Les petits objets bien isolés - particules de poussière, fumée, gouttelettes d'eau, etc. - sont assez rapidement électrifiés dans le champ de l'ioniseur. Le processus se déroule ainsi : la particule neutre est d'abord polarisée, c'est-à-dire que des charges positives s'accumulent du côté faisant face à l'ioniseur et des charges négatives du côté opposé (voir Fig. 3). Les premiers sont plus fortement attirés (ils sont plus proches) que les seconds ne se repoussent, la particule s'envolera donc vers l'ioniseur en restant neutre. Mais un flux d'ions se dirige vers lui, ce qui compensera bientôt la charge positive, en conséquence, la particule entière sera chargée négativement. Maintenant, il volera le long de la ligne de champ depuis l'ioniseur et se déposera là où la ligne se termine. Il faut s'attendre à ce qu'au fil du temps, des taches de poussière déposée restent sur le plafond et le papier peint, et des réparations seront nécessaires. Parfois, le motif de renforcement interne apparaît très en évidence sur les murs et le plafond. De tels phénomènes indésirables indiquent, premièrement, l'installation incorrecte de l'ioniseur, et deuxièmement, qu'il n'a pas été allumé en air pur. En conclusion, je souhaite bonne chance aux expérimentateurs, aux patients - santé, et aux lecteurs qui ont maîtrisé cet article - tous les deux, avec l'expression de l'espoir qu'ils exprimeront également leurs souhaits et leurs réflexions sur les questions soulevées. littérature
Auteur : V. Polyakov, Moscou
L'énergie de l'espace pour Starship
08.05.2024 Nouvelle méthode pour créer des batteries puissantes
08.05.2024 Teneur en alcool de la bière chaude
07.05.2024
▪ vision nocturne des papillons ▪ Système de vision artificielle basé sur le corps d'un crabe violoniste ▪ Puces de la série Toshiba TC3567x prenant en charge Bluetooth 4.1 LE ▪ Première greffe de foie robotisée réussie ▪ Jus dans une bouteille multicouche
▪ section du site Expériences en physique. Sélection d'articles ▪ article Urgences en temps de guerre. Bases de la vie en toute sécurité ▪ article A quoi sert une langue ? Réponse détaillée ▪ Article Ventilation industrielle ▪ article Timer sur une bascule D. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique ▪ article Une autre prédiction. Concentrer le secret
Page principale | bibliothèque | Articles | Plan du site | Avis sur le site
www.diagramme.com.ua |
Voir d'autres articles section 
Dernières nouvelles de la science et de la technologie, nouvelle électronique :
Toutes les langues de cette page