1.5 Ионизация воздуха
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 см3 воздуха при нормальных условиях содержится 2,7 1019 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 см3 . Отсюда, проводимость атмосферы состоит из полярных проводимостей – положительной и отрицательной, т.е.
 (1.1)
где:
  - проводимость атмосферы,
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:
=  +  = nke + nke (1.2)
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 =  (1.3)
 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 (1.4)
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 1104 электрических едениц.
 (1.5)
Плотность вертикального тока проводимости атмосферы
  (1.6)
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+N0 (1.7)
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- + N0) = / n t (1.8)
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:
 (1.9)
где:
d -
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  (1.10)
Средняя продолжительность существования лёгких аэроионов может быть выражена так:
 (1.11)
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.
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.
 , (1.12)
где:
- 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
- работа ионизации,
e – заряд электрона.
  (1.13)
где:
m- масса электрона (кг.)
V- скорость электрона (м/сек.)
e – заряд электрона.
Если кинетическая энергия электрона равна:
 , (1.14)
Энергия W, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциалов U равна:
W=eU (1.15)
А потенциал ионизации (энергия, обладая которой электрон при столкновении в другим электроном сможет ионизировать его) равна:
= T+W, (1.16)
получим:
 (1.17)
или:
 (1.18)
где:
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).
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.
Она колеблется у большинства различных газов 0,75—-4,5 эВ. В инертных газах - в аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне, а также в азоте — отрицательные ионы не возникают.
Значения для некоторых молекул различных компонентов атмосферного воздуха приведены в таблице 1. 10
 Таблица 1.2
Газ
|
Потенциал ионизации (эВ)
|
Ar
|
15.8
|
N2
|
15.6
|
H2
|
15.4
|
CO2
|
14.4
|
CO
|
14.1
|
SO2
|
13.1
|
H2O
|
12.6
|
O2
|
12.5
|
NO2
|
11.0
|
NO
|
9.5
|
Скорость электрона (километр в секунду), прошедшего без столкновений
разность потенциалов U (вольт), определяется выражением:
 (1.19)
Подставляя в эту формулу ионизационные потенциалы, видим, что электрон ионизирует газовые молекулы, когда скорость его движения свыше 1000 км/с.
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
  (1.20)
Где
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.
2) Ионизация соударения (воздействие  и  частицами (электрон, позитрон);
Термическая ионизация (нагревание до высокой температуры).
Вероятность термической ионизации воздуха при нормальной атмосферной температуре Т = 20 °C ничтожно мала. Степень ионизации воздуха, т. е. отношение числа ионизированных частиц к общему их количеству в единице объема при температуре Т = 10 000 К, составляет 0,02 Поэтому при такой низкой степени ионизации возникновение термической ионизации невозможно.
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.
 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:
 (1.21)
где:
- количество рекомбинирующих пар ионов (за секунду в единице объема).
r – коэффициент пропорциональности.
n - число имеющихся в единице объема пар ионов.
Концентрация ионов в газе:
 (1.22)
 где:
n – число одновременно генерируемых ионов в газе
v – коэффициент рекомбинации.
При отсутствии внешнего поля наступает равновесие: число пар ионизированных молекул равно числу пар рекомбинированных молекул, т.е.
 , (1.23)
откуда число пар ионов в единице объема равно:
 . (1.24)
где:
- 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 см3 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:
 , (1.25)
где:
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;
Ток между электродами ионизатора:
I=jS (1.26)
где:
j – плотность тока
S – площадь каждого электрода в пространстве, между которыми имеет место эффект генерации ионов
Из выражения получим, что концентрация пар ионов, нейтрализованных на электродах в единицу времени равна
 , (1.27)
где:
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:
 (1.28)
где:
- 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 получим
 . (1.29)
где:
- 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
 , (1.30)
где:
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 :
  (1.31)
где:
u+ и u- – скорости направленного движения положительных и отрицательных ионов,
 и  – подвижность положительных и отрицательных ионов,
E – напряженность поля.
то получим:
 , (1.32)
где:
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.
 , (1.33)
где:
j – плотность тока в газе,
q+ , q -- - заряды
n+ , n -- концентрация
u+ , u -- - скорость
упорядоченного движения положительных и отрицательных ионов.
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 =  . (1.34)
где:
1 и 2 — потенциалы точек двух эквипотенциальных поверхностей;
d — расстояние между этими поверхностями вдоль электрической силовой линии.
Напряжённость электрического поля (достаточная для ионизации воздуха) Eи приблизительно составляет от 105 до 106 в/м.
Удельная электропроводность газа определяется подвижностью носителей тока, их концентрацией
 , (1.35)
где:
 - удельная электропроводность газа,
– заряд носителя тока (иона),
n - число имеющихся в единице объема пар ионов,
и – подвижность положительных и отрицательных ионов.
 (1.36)
Закон Ома полученый из выражения.
где:
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:
 . (1.37)
где:
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=10-15А/м2.
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.
 , (1.38)
 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.
1.5.1 Самостоятельный газовый разряд
Самостоятельным газовым разрядом называется электрический разряд в газе, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Для существования такого разряда необходимо, чтобы в газе происходило непрерывное образование новых пар противоположно заряженных частиц. Основным источником таких частиц является ударная ионизация газа. При некотором достаточном напряжении между электродами электроны в объеме газа настолько сильно разгоняются электрическим полем, что их энергии оказывается достаточной для ионизации молекул газа (объемная ионизация).
Вторичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, также ионизируют молекулы газа. В итоге сильно возрастает число носителей тока в газе и его электропроводность (4-я область на рис. 2). Однако одной ионизации под действием электронов недостаточно для осуществления самостоятельного разряда.
Электроны, движущиеся в направлении от катода к аноду, ионизируют молекулы газа, расположенные ближе к аноду по сравнению с местом возникновения электронов. Если энергии положительных ионов недостаточно для ударной ионизации молекул газа или для выбивания электронов из металлического катода (поверхностная ионизация), то в этих условиях может прекратиться газовый разряд. Поверхностная ионизация,  возникающая при большом напряжении, порождает вторичные электроны и создает двухстороннюю лавину электронов и положительных ионов. При этом действие внешнего ионизатора несущественно для дальнейшего протекания газового разряда. С повышением напряжения между электродами газообразной трубки можно осуществить электрический пробой газа, т.е. переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.
Так как в процессе ионизации может произойти электрический разряд, рассмотрим основные виды электрических разрядов, которые могут происходить в воздухе, а именно:
тлеющий,
искровой,
дуговой,
коронный
плазму.
1.5.1.1 Тлеющий разряд
Самостоятельный разряд, возникающий в газе при пониженном давлении и обусловленный вторичной электронной эмиссией называют тлеющим разрядом. Возникает этот разряд при низком давлении ( .) и большом напряжении ( ).
Основных процессов при тлеющем разряде два:
1) вторичная электронная эмиссия из катода, вызванная бомбардировкой его положительными ионами;
2) ударная ионизация электронами молекул газа.
Рассмотрим условие ударной ионизации.
Энергия частицы, движущейся в электрическом поле равна,
W = qEx (1.39)
где:
 q — заряд частицы;
Е — напряженность электрического поля;
х — путь, пройденный частицей перед столкновением
Подставив значение W в условие ионизации (W  Wи) и учитывая, что
Wи = qUи (1.40)
где
q — заряд частицы,
Uи — потенциал ионизации, который лежит в пределах 10...25 В ,
Получим соотношение для хи:
хи  (1.41)
Таким образом, при потенциале ионизации Uи 15 В и при напряженности поля Е = 25·103 В/см
хи = = 0,6·10–3 см. (1.42)
Длина свободного пробега электрона в воздухе при нормальных условиях составляет хэ 10–5 м. Отсюда видно, что в наших условиях ударной ионизации воздуха не происходит. Заметная ионизация, играющая существенную роль при формировании самостоятельного разряда, происходит лишь при напряженностях электрического поля более 30 кВ/см.
Следовательно рассчитывая ионизатор, необходимо учитывать расстояние от токонесущих частей до корпуса холодильника, чтоб не возник тлеющий разряд.
 Также важно учесть, что ионизированный воздух проводит ток лучше, чем воздух с малым количеством отрицательных или положительных ионов в еденицу объёма. На основании этого необходимо задать толщину изоляции больше расчётной, а рассчитывать изоляцию изходя из того, что сопротивление воздуха уменьшится в несколько раз, после включения аэроионизатора.
|
