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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 공기 이온화의 물리학. 무선전자공학 및 전기공학 백과사전
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 초보자 라디오 아마추어 Chizhevsky 샹들리에를 포함한 다양한 유형의 공기 이온화 장치는 점점 우리 일상 생활의 일부가 되고 있습니다. 많은 라디오 아마추어가 스스로 만듭니다. 그러나 구조의 "바늘 끝 부분"에서 무슨 일이 일어나는지 모든 사람이 이해하는 것은 아닙니다. 생성된 공기 이온의 "운명"은 무엇이며 공기 이온화 장치 자체의 매개변수와 설계를 최적화하는 방법은 무엇입니까? 이러한 질문은 기사 작성자가 고려합니다. 발생하는 모든 질문에 대해 철저한 답변을 제공하기를 바라지는 않지만 그럼에도 불구하고 이온화 중에 발생하는 물리적 과정에 대해 이야기하려고 노력할 것입니다. 아마도 우리 주변의 공기가 물리적으로 무엇을 나타내는지에 대한 설명부터 시작해야 할 것입니다. 이는 78% 분자 질소 N2와 21% 분자 산소 02로 구성되며 이산화탄소와 불활성 가스가 약간 혼합되어 있습니다. 가스 분자는 직경이 약 2·10-10m로 매우 작으며, 정상적인 조건(온도 0°C, 압력 760mmHg)에서 공기 2,5입방미터에는 1025·1개의 분자가 포함되어 있습니다. 그들은 연속적인 열 운동을 하며 혼란스럽게 움직이고 지속적으로 서로 충돌합니다(그림 XNUMX). 실제로 공기나 기타 가스의 압력은 용기 벽에 분자가 미치는 영향으로 설명됩니다.
분자 물리학에서는 열 운동 에너지가 절대 온도 T에 비례하고 분자의 각 자유도에 대해 kT/2와 같다고 가르칩니다. 여기서 k = 1,38·10-23 J/K는 볼츠만 상수입니다. 절대 영도(T = 0 또는 -273,1°C)에서만 열 이동이 중지됩니다. 라디오 애호가들은 도체, 저항기, 램프 및 트랜지스터의 전자도 열 운동을 받기 때문에 이러한 요소의 단자에 잡음 전압이라고 하는 작고 혼란스럽게 변화하는 전압이 나타난다는 점에 주목하는 것이 흥미로울 것입니다. 증폭기 또는 라디오 수신기의 입력에 적용되는 잡음 전력은 Nyquist 공식: N = kTV(여기서 B는 대역폭)에 의해 결정됩니다. 분자의 속도는 다양한 값을 가지지만 일반적으로 맥스웰 분포를 따릅니다. 가로축을 따라 속도 v를 플롯하고 세로축을 따라 주어진 속도 N(v)를 갖는 분자 수를 플롯하면 그림 2에 표시된 속도(Maxwell)별 분자 분포 그래프를 얻습니다. XNUMX
분자의 평균 제곱근 속도(곡선의 최대값에 해당하는 가장 가능성 있는 속도보다 약간 높음)는 정상 조건에서 약 500m/s로, 이는 음속보다 1,5배 더 높습니다! 이렇게 높은 농도의 분자와 엄청난 속도로 인해 종종 서로 충돌하고 평균 자유 경로가 0,25 마이크론(빛 파장의 절반)을 초과하지 않는다는 것은 분명합니다. 이 악몽 같은 크러시 속에서 이온이 어떻게 "생존"하는지 궁금할 뿐입니다! 그들을 살펴보자. 이온은 동일한 원자 또는 분자이지만 "추가" 전자가 없거나 부착되어 있습니다. 각 원자에는 양전하를 띤 핵과 전자 껍질이 포함되어 있음을 기억하십시오. 전하는 양자화되며 가능한 최소 기본 전하는 전자의 전하와 같습니다(e = 1,6-10-19 K). 자연의 모든 전하는 ne입니다. 여기서 n은 정수이지만 매우 큰 숫자일 수도 있습니다. 원자의 음전하 전자 수는 핵의 양전하 수와 동일하며 주기율표에 있는 원소의 원자 번호에 해당합니다. 예를 들어, 질소 원자에는 7개의 전자가 있고, 산소 원자에는 8개의 전자가 있습니다. 일반적으로 원자는 전기적으로 중성이며 매우 강합니다. 원자를 변형하거나 파괴하려면 에너지를 소비해야 합니다. 핵을 분리하려면 특히 많은 양의 에너지가 필요하며, 이러한 에너지는 하전 입자의 특수 가속기 또는 핵 반응 중에만 얻어집니다. 가장 쉬운 방법은 원자에서 외부 전자 하나를 제거하는 것입니다. 이 경우 수행되어야 하는 일은 이온화 에너지와 동일합니다. 원자의 이중 이온화(전자 두 개 제거)에는 훨씬 더 많은 에너지가 필요합니다. 가벼운 원자 또는 분자 이온은 곧 특정 분자 집합체를 중심으로 결합하여 훨씬 더 큰 질량과 낮은 이동성을 특징으로 하는 중간 에어로이온(I. Pollock)으로 변합니다. 미립자, 에어로졸, 먼지 입자 등에 정착된 이러한 이온은 질량이 훨씬 크고 이동성이 훨씬 낮은 무겁고 초중비 에어로이온(P. Langevin)으로 변합니다. 이들은 더 이상 이온이 아니라 오히려 하전된 에어로졸이며, 그 농도는 전적으로 이온화된 공기의 순도에 따라 달라집니다. 실외의 신선한 공기에 대한 공기 이온의 특성이 표에 요약되어 있습니다.
공조 시스템에서 공기 환경이 특별하게 처리되는 산업 및 공공 장소의 경우 음극의 가벼운 공기 이온 농도에 대한 최소 요구 및 최대 허용 표준이 설정됩니다 - 600...50, 양극 - 000 ...400 가벼운 음이온 공기 이온의 최적 농도는 50~000(양성)으로 간주되며 대략 절반 정도입니다[3000]. 밀폐된 공간에서 유용한 가벼운 음이온의 농도는 일반적으로 수십을 초과하지 않습니다. 특히 실내에 사람이 있고 텔레비전, 컴퓨터 모니터 및 유사한 장치가 작동하는 경우 유해한 양성 물질의 농도가 빠르게 증가합니다. 이온화 메커니즘 다를 수 있습니다. 광이온화 전자기 방사선(광자)의 양자가 원자나 분자와 충돌할 때 발생합니다. 충격 이온화 빠르게 움직이는 입자와 충돌할 때 발생하므로 운동 에너지(mv2/2)가 높습니다. 열 이온화 가스의 강한 가열로 인해 열 운동 에너지가 이온화 에너지와 비슷해집니다. 마지막으로, 자동 이온화 이는 정전기적 상호작용의 힘에 의해 원자의 외부 전자를 "찢어내기"에 충분한 107...108 V/m의 강도를 갖는 강한 전기장의 영향 하에서 발생합니다[2]. 이온화 에너지는 예상대로 줄(SI 단위계) 단위로 측정할 수 있지만 전자 볼트(1eV = 1,6-10-19J) 단위로 훨씬 더 편리합니다. 이 경우, 이는 이온화 전위 P(전자 충격에 의해 여기되지 않은 원자 또는 분자를 이온화하는 데 충분한 에너지 eP를 얻기 위해 전자가 통과해야 하는 가장 작은 가속 전위차)와 수치적으로 동일합니다. 원자 질소와 산소의 이온화 전위는 각각 14,5V와 13,6V이지만 대기의 하층에는 원자 가스가 실제로 없습니다. 질소와 산소 분자는 서로 다른 이온화 전위(15,6V와 12,2V)를 가지고 있습니다. 분자 산소의 이온화 전위가 눈에 띄게 낮다는 점은 흥미롭습니다. 이는 이미 중요한 실제 결론으로 이어집니다. 이온화 장치는 가능한 가장 낮은 전압에서 작동해야 합니다. 가벼운 이온이 여전히 생성되면 건강한 산소 이온이 우세하게 됩니다. 정상적인 조건에서 가스 분자가 이온화되거나 열 운동으로 인한 충돌 중에 전하를 교환할 수 있습니까? 분명히 그렇지 않습니다. 분자의 병진 운동의 평균 에너지(3 자유도)를 계산하면 ZkT/2 = 6·10-21 J 값이 나오며, 이는 이온화 에너지보다 XNUMX배 작은 크기입니다. . 자연 조건에서 태양의 자외선 복사, 지각의 방사성 원소, 뇌우 및 대기 중의 기타 전기 현상이 공기를 이온화합니다. 이온은 또한 식물과 동물의 중요한 활동의 결과로 물 입자가 증발하고 분사되는 동안 형성됩니다. 예를 들어, 인간이 내쉴 때마다 수백만 개의 양이온이 포함되어 있으며[3], 고양이 털은 음이온을 생성할 수 있습니다[4]. 고전위 바늘의 이온화, 언급한 바와 같이, 높은 강도의 전기장의 영향으로 발생하며 음으로 하전된 바늘에서 전자가 방출됩니다. 결국 금속에는 결정 격자의 원자와 관련되지 않은 풍부한 "자유"전자가 있습니다. , 덕분에 금속은 도체입니다. 대부분의 금속에서 전자의 일함수는 수 전자 볼트이며 이는 가스의 이온화 에너지보다 작습니다. 금속으로부터의 전계 전자 방출[2]은 107V/m 이상의 전계 강도에서 발생하며 이온화 과정을 시작하는 역할만 하는 XNUMX차 전자를 공급합니다. 이와 함께 광전 효과도 발생할 수 있습니다. 바늘 끝 근처의 가스가 빛을 발하면 광양자 및 자외선에 의해 전자가 녹아웃되는 현상입니다. 방출된 전자는 오랫동안 자유롭게 유지되지 않습니다. 평균 자유 경로 정도의 거리를 이동한 후 가스 분자와 충돌하고 전기력에 의해 끌어당겨 음이온을 형성합니다. 중성 분자에 전자를 추가하는 과정에는 더 이상 에너지가 필요하지 않으며, 더욱이 이 과정에서는 소량의 에너지도 방출됩니다. 그러나 이러한 방식으로 작동하는 바늘의 "성능"은 매우 낮습니다. 분자와 충돌하여 다른 전자를 녹아웃시키는 속도로 전자를 가속하는 것은 흥미 롭습니다. 이 전자는 필드에 의해 가속되어 다른 전자를 녹아웃시키는 등의 작업을 수행합니다. 끝에서 날아가는 전자 눈사태가 형성됩니다. 바늘의. 양이온은 음전하를 띤 바늘로 끌려가 전기장에 의해 가속되고 금속에 충격을 가해 추가 전자를 제거합니다. 중성 분자와 결합된 전자는 가벼운 음이온의 흐름을 형성하여 바늘 끝에서 전기력선 방향으로 산란됩니다. 이온 충격은 아마도 XNUMX차 전자의 대부분을 공급할 것입니다. 전자와 이온이 이온화에 충분한 에너지로 가속되기 위해서는 평균 자유 경로의 전계 전위차가 12...13V여야 합니다. 이는 전계 강도 E = dU/dl이 12V/0,25μm여야 함을 의미합니다. = 50MV/m(미터당 메가볼트!) 전계 강도의 이 엄청난 값은 혼동되어서는 안 됩니다. 이는 실제로 실제 이온화 장치에서 얻어집니다. 설명된 눈사태 이온화에는 다른 흥미로운 현상이 동반됩니다. 일부 원자는 이온화하기에 부족한 전자 및 이온과의 충돌로 에너지를 받지만 원자를 들뜬 상태로 옮깁니다(여기된 원자의 전자는 더 높은 궤도로 이동합니다). 세상의 모든 것은 균형을 위해 노력하고 있으며 곧 바닥(평형) 상태로 전환되는 여기된 원자는 전자기 복사의 양자 형태로 과도한 에너지를 방출합니다. 적외선(열) 복사의 양자 에너지는 약 2eV 미만, 가시광선(빛) - 2...4eV, 더 높은 에너지를 갖는 양자는 자외선 범위에 속합니다. 이러한 낮은 강도의 방사선은 모두 가스 이온화 중에 존재합니다. 가시 광선 양자(광자)는 바늘 끝에서 빛을 생성하며, 이는 절대 암흑에서 관찰할 수 있으며, 가급적이면 현미경을 사용하여 매우 아름다운 푸른빛 별의 형태로 관찰할 수 있습니다. 좋은 이온화 장치는 바늘에서 빛이 나지 않아야 한다는 것이 일반적으로 인정되지만 분명히 항상 약한 빛이 있고 별의 크기가 매우 작습니다. 공기 중의 이온의 이동 여러 가지 이유 때문에. 확산은 분자의 동일한 열 이동에 의해 발생합니다. 확산 덕분에 한 부피의 다양한 가스가 혼합되고 냄새가 매우 빠르게 퍼지며 온도가 균일해집니다. 가스, 입자, 분자 또는 이온의 확산 속도는 농도 구배 또는 거리에 따라 그 수가 변하는 정도에 비례합니다. 이는 시간이 지남에 따라 부피 전체에 걸쳐 농도가 균등화되도록 합니다. 공기 중에서 확산 속도는 일반적으로 매우 작으며 초당 센티미터로 측정됩니다. 가벼운 이온은 전기장의 영향으로 훨씬 빠르게 움직입니다. 전기장 내 이온의 속도는 이동도에 따라 결정됩니다: v = u·E. 예를 들어, 1,83 cm2/Vs의 이동도를 갖는 분자 산소의 가벼운 음이온은 2 kV/m보다 약간 높은 전계 강도에서 약 10 m/s의 속도를 얻습니다. 이온은 엄격하게 자기장 선을 따라 이동하며, 방 안의 자기장 선을 그리면 이온 흐름의 그림도 얻을 수 있습니다. 모든 분자(바람, 통풍, 팬 제트)의 규칙적인 움직임이 있는 경우 이온은 물론 이 흐름에 의해 운반되어 함께 움직입니다. 이 움직임은 속도 벡터 추가의 일반적인 규칙에 따라 필드의 영향을 받는 움직임에 중첩됩니다. 동시에, 빈번한 충돌로 인해 이온이 재결합합니다. 음이온과 양이온이 충돌하면 전자가 한 곳에서 다른 곳으로 전달되고 두 개의 중성 원자 또는 분자가 형성됩니다. 중성 분자를 끌어당김으로써 가벼운 이온은 "무거워지고" 중간 이온으로 변합니다. 결과적으로 시간이 지남에 따라 농도가 감소합니다. 가벼운 음이온의 평균 수명은 수십 초로 추정됩니다[3]. 따라서 "향후 사용을 위해"밀폐된 방에 이온을 저장하는 것은 불가능하며, 잠자리에 들기 XNUMX분 전에 이온화 장치를 켜면 밤새 이온화된 공기를 흡입할 것이라고 믿는 사람들은 잘못된 것입니다. 이온화 장치가 지속적으로 작동하지만 출력이 낮아서 너무 높지 않은 최적의 이온 농도를 생성하는 것이 더 좋습니다. 바늘에 필드 농도. 이온화 장치 근처와 주변 공간에서 필드 패턴을 생성하거나 평가하려면 문제를 두 가지로 나누는 것이 편리합니다. 즉, 바늘 끝의 "마이크로필드"를 계산한 다음 이온화 장치의 전체 구조를 고려하는 것입니다. 단일 전극으로서 방 전체의 "매크로필드"에 대한 아이디어를 얻으십시오. 이 기술은 고려 중인 영역 경계의 필드를 "일치"(동일화)하는 전기 역학에서 자주 사용됩니다. 바늘부터 시작해보자. M. Faraday 이후로 전기력선은 전도성 표면(및 등전위 표면)에 항상 수직이며 양전하에서 시작하여 음전하에서 끝나는 어디에서나 중단되지 않는다는 것이 알려져 있습니다. 그들은 무한대에서 떠나거나 올 수 있는데, 이는 폐쇄된 공간에서는 불가능합니다. 전계 강도는 필드 라인의 밀도와 표면의 표면 전하 밀도에 정비례합니다. 이 규칙을 사용하여 곡률 반경 r을 갖는 바늘 끝의 힘선 그림을 그릴 것입니다(그림 3).
일반적으로 각 힘선은 전하(-)에서 끝나는 것으로 표시됩니다. 자기장 선과 전하가 모두 바늘 끝에 집중되어 있는 것을 볼 수 있는데, 여기서 자기장 구조는 반지름 r인 공의 구조와 동일합니다. 일반 물리학 과정에서 알려진 자기장의 강도에 대한 공식을 사용하겠습니다. 전하 q를 갖는 구의 전위: E = q/4πεε0r2, U = q/4πεε0r. 전하 q와 유전 상수 εε0을 제외하면 E = U/r을 얻습니다. 이는 보다 엄격한 유도 결과와 일치합니다[5]. 바늘의 전위뿐만 아니라 바늘의 선명도도 이온화에 충분한 장을 생성하는 데 관여한다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 곡률 반경이 10μm = 10-5m인 바늘 끝 부분에는 전압 U = 1kV에서도 108V/m의 강도를 갖는 매우 강한 전계가 나타납니다. 이는 상당히 낮은 전압과 전극 사이의 먼 거리에서 눈에 띄는 이온 전류가 관찰된 실험 결과[6]와 매우 일치합니다. 금속의 미세구조는 아마도 전하의 흐름에도 도움이 될 것입니다. 그림에서. 그림 4는 사전 연마된 후 이온 충격을 받은 구리 단결정의 이미지를 3000배율의 주사 전자 현미경으로 촬영한 이미지입니다[2]. 이러한 인상적인 "봉우리"와 "분화구"의 가장자리에서는 마이크로필드 강도가 크게 증가할 가능성이 높습니다.
실내 필드. 바늘 끝에서 멀어짐에 따라 전계 강도는 급격히 떨어지고(거리의 제곱에 반비례하며, 전계는 여전히 구형으로 간주될 수 있음), 이 예에서는 1cm 거리에서(U = 1) kV, r = 10μm) 100V/m에 불과합니다. 분명히 그렇지 않습니다. 여기서 우리는 이미 매크로필드 영역에 있으므로 다른 고려 사항을 따라야 합니다. 예를 들어, "클래식" "Chizhevsky 샹들리에"가 전도성이 좋지는 않지만 대형 테이블 위 h 높이에 매달려 있다고 가정해 보겠습니다(그림 5).
어느 정도 늘려서 샹들리에와 테이블 사이의 필드가 균일하다고 간주합니다(필드 라인이 평행함). 그러면 E = U/h이고, U = 30 kV와 h = 1,5 m를 넣으면 E = 20 kV/m이 됩니다. 이제 국가 위생 및 역학 감독 위원회의 "위생 규칙 및 규범"을 살펴볼 시간입니다[7]! 이를 통해 변전소 직원은 이 전계 강도에서 5시간 이상 작업할 수 없으며 전체 근무일 동안 15kV/m 미만의 전계 강도와 20nA/m2 이하의 이온 전류 밀도가 허용됩니다. . 후자는 테이블의 윗면에 위치한 전도성 판과 샹들리에 전원의 양극 단자 사이에 마이크로 전류계를 연결 한 다음 "시트의 전류"(A.L. Chizhevsky의 표현)를 나누어 측정 할 수 있습니다. 영역. 위의 추정에 따르면 샹들리에는 허용되는 한도 내에서 작동하며 원래 형태는 거실보다 큰 홀에 더 적합합니다. 이는 저자가 Elion-135 이온화 장치(다이오드 공장, 1995년 제조)를 작동하는 동안 실험적으로 얻은 이온 농도에 대한 데이터에서도 입증됩니다. 평가는 검전기의 충방전 속도를 기준으로 이루어졌으며, 이온화 장치로부터 약 300m 거리에서 000ions/cm3 정도의 농도 값을 나타냈습니다. "샹들리에" 아래 2m 거리에 있는 0,5m2 면적의 "시트로부터의 전류"는 약 1,7nA였으며 이는 허용되는 전류 밀도보다 60배 더 큰 전류 밀도를 제공합니다. 분명히 높은 생산성을 고려하여 장치에는 펄스 작동 모드가 있습니다. 물론 옴의 법칙은 취소되지 않았으며 이온 전류는 전원의 양극으로 돌아가야 합니다. 벽, 바닥 및 천장의 전도성은 미세한 이온 전류의 통과에 매우 충분합니다. 우리는 "샹들리에"의 전압을 전류로 나누어 등가 저항을 찾습니다. 고려 중인 예에서 "샹들리에" 전류가 1μA이고 등가 저항이 30kV/1μA = 30GOhm이라고 가정해 보겠습니다. "리턴 와이어"는 철근 콘크리트 벽, 숨겨진 배선 및 일반적으로 약한 이온 전류를 "흡수"할 수 있는 충분한 용량을 가진 격리된 물체이기는 하지만 체적을 강화하는 것입니다. 이 경우 물체는 음전하를 띠게 됩니다. 빈 방의 "샹들리에" 주변의 힘선을 묘사하려는 시도가 그림 6에 나와 있습니다. XNUMX.
벽이나 천장까지의 거리가 짧을수록 전력선이 더 두꺼워집니다. 그곳에서는 전계 강도가 더 높고 이온이 그곳으로 돌진합니다. 그들의 "이동 시간"은 최대 몇 초이며 대부분 당신에게 쓸모가 없습니다. 무엇을 해야 할까요? 천장보다 바닥에 더 가깝고 주변 물체에서 최대한 멀리 떨어지도록 "샹들리에"를 낮추고 그 아래에 서거나 앉거나 눕습니다. 그러면 이온의 흐름이 주로 당신을 향해 돌진할 것입니다. 먼지와 에어로졸. 작고 잘 절연된 물체(먼지, 연기, 물방울 등)는 이온화 장치에서 매우 빠르게 전기를 흘립니다. 이 과정은 다음과 같이 진행됩니다. 중성 입자가 먼저 분극됩니다. 즉, 이온화 장치를 향하는 쪽에 양전하가 축적되고 반대쪽에 음전하가 축적됩니다(그림 3 참조). 전자는 후자보다 더 강하게 끌리므로(더 가깝습니다) 입자는 중립을 유지하면서 이온화 장치로 날아갑니다. 그러나 이온의 흐름이 그쪽으로 이동하여 곧 양전하를 보상하고 결과적으로 전체 입자가 음전하를 띄게 됩니다. 이제 이온화 장치의 전력선을 따라 날아가서 선이 끝나는 곳에 정착합니다. 시간이 지남에 따라 쌓인 먼지로 인한 얼룩이 천장과 벽지에 남아 수리가 필요할 것으로 예상해야 합니다. 때로는 내부 보강 패턴이 벽과 천장에 매우 명확하게 나타나는 경우도 있습니다. 이러한 바람직하지 않은 현상은 첫째, 이온화 장치가 잘못 설치되었음을 나타냅니다. 둘째, 깨끗한 공기에서 켜지지 않았습니다. 끝으로, 실험자에게 행운이 있기를, 환자에게 건강이 있기를, 그리고 이 글을 숙지한 독자들에게도 행운이 있기를 바라며, 제기된 문제에 대한 자신의 바람과 생각도 표현해 주기를 바랍니다. 문학
저자: V.Polyakov, 모스크바
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