Какво трябва да е напрежението на електрода на въздушния йонизатор
Всъщност фразата за безполезността на йонизаторите на въздуха с електродно напрежение под 20,25 kV се повтаря от няколко десетилетия в различни публикации, както и в изказвания по радиото и телевизията. Семантичното му значение е съвсем ясно: не правете йонизатори с по-ниско напрежение или не купувайте такива, ако някой ги произвежда.
След като я опознаят, мнозина имат естествен въпрос: защо? И ако обяснението не последва, тогава реакцията на такова изявление ще бъде нулева. И тъй като фразата живее десетилетия, това означава, че има сериозно обяснение!
Започнах да търся това обяснение и ето какво намерих.
A.L. Chizhevsky в "Ръководство за използване на йонизиран въздух в промишлеността, селското стопанство и медицината" от 1959 г. пише:
По-рано в същата работа:
В своя фундаментален труд „Аероионификацията в народното стопанство“ през 1960 г. Чижевски пише:
А ето какво пише М. Н. Лившиц за йонизацията на кислорода през 1990 г. в монографията си "АЕРОЙОНИФИКАЦИЯ. Практическо приложение".
Б. С. Иванов, известен ентусиаст и популяризатор на идеите на А. Л. Чижевски, в статията си "Полилей на Чижевски - със собствените си ръце" (Радио, № 1, 1997 г.) пише:
Е, как ви харесват тези аргументи в полза на високото напрежение на електрода и високоенергийните йони? Убедително? Вероятно за по-голямата част от населението това е убедително. Защото тя (bomost) е мързелива и лековерна. Но за хората, които са специалисти, дадените цитати могат да предизвикат съвсем различни реакции.
Нека се опитаме да разберем този въпрос. И нека започнем с първата цитирана фраза на А. Л. Чижевски, че за да излязат електроните от повърхността на върховете на полилея, те трябва да имат определена кинетична енергия.
Това разбира се е вярно, тъй като свободните електрони, които присъстват в големи количества в металните игли, не могат да надхвърлят своите граници поради факта, че на границата метал-въздух за електроните има потенциална (енергийна) бариера от най-малко 1 eV, асреднататоплинна (кинетична) енергия на електроните при стайна температура е само 0,025 eV. Електроните в твърдото тяло могат да се разглеждат като електронен газ в съд, чиито стени са гранични повърхности на тялото и са пропускливи за електрони. Тази пропускливост е толкова по-висока, колкото по-голямо е налягането на електронния газ (кинетичната енергия на електроните) и колкото по-малка е височината и ширината на енергийната бариера. За да напуснат повърхността на метален електрод, електроните се нуждаят от допълнителна енергия, равна или по-голяма от работната функция (стойност на енергийната бариера).
Но откъде мога да го взема, ако иглата е студена? Следователно Чижевски, за да постигне електронно излъчване, използва много силно електрическо поле, образувано в краищата на метални игли, когато към тях се прилага висок отрицателен електрически потенциал. В този случай кинетичната енергия на електроните (налягането на електронния газ) не се увеличава, т.к електрическото поле практически не прониква в метала и електроните нямат възможност да се ускорят в него. Но височината и ширината на потенциалната бариера на повърхността намалява и вероятността за тунелиране през бариерата се увеличава за електроните. Това явление на излъчване на електрони от повърхността на тялото под въздействието на електрическо поле се нарича електростатично (автоелектронно) излъчване. Плътността на електронния ток от повърхността при този вид излъчване се увеличава с увеличаване на електрическото поле (напрежение) по експоненциален закон. Тоест такава емисия няма прагова зависимост отнапрегнатост на електрическото поле в края на иглата.
Следователно фразата на А. Л. Чижевски, че "за да се даде на електроните необходимата енергия, когато се изхвърлят от метални точки, към полилея трябва да се приложи ток от най-малко 20-25 киловолта", най-вероятно се дължи на ниската чувствителност на измервателните уреди, с които разполага.
Електростатично излъчване от върха се наблюдава и при напрежение 100 V. В този процес основна роля играе не напрежението, а силата на електрическото поле върху повърхността на електрода. А това от своя страна зависи от напрежението, разстоянието между електродите (между "полилея" и пода, стените, тавана) и остротата на заточване на електрода. Това е последният фактор, който прави възможно получаването на емисионни токове, приемливи за практиката от студени електроди дори при напрежения под 1 kV.
Фразата на Чижевски, че "... отрицателните въздушни йони започват да се оттичат от върховете при напрежение най-малко 20-25 киловолта" е много неуспешна вулгаризация на протичащите физически процеси, т.к. въздушните йони не се оттичат от точките, а се образуват във въздушното пространство по време на коронен разряд в близост до точките на "полилея".
След това се обръщаме към следната фраза, която е ключова в разбирането на Чижевски и повтаряна от много от неговите последователи: "Освен това, един електрон, излъчен от метал, трябва да има допълнителна кинетична енергия, за да йонизира молекулите на въздуха или неговия компонент, кислорода. Тази енергия на йонизация на молекула кислород във въздуха трябва да бъде равна на поне 34 електронволта" .
Това твърдение смесва поне две физични явления, които са противоположни по значение: - ударна йонизация на газови молекули чрез отделяне на електрони от тях (образуване на положително заредени въздушни йонии свободни електрони); - йонизация на молекули чрез прикрепване (улавяне) на допълнителен свободен електрон (образуване на отрицателно заредени въздушни йони).
Положително заредените йони могат да се образуват от всякакви атоми и молекули и за това е необходимо да се извърши работа за отделяне на електрони от тези частици. Стойността на тази работа или йонизационна енергия зависи преди всичко от структурата на атома, т.е. от принадлежността му към определен химичен елемент. При всякакъв вид електрически разряд в газ се образуват положителни йони и свободни електрони. Естествено при електрически разряди в земната атмосфера се образуват и положителни йони. Въздухът се състои от 80% азот и 20% кислород (засега няма да вземаме предвид останалите компоненти). От справочника на физичните величини откриваме, че йонизационната енергия на молекулата на азота е 15,58 eV, а на молекулата на кислорода - 12,07 eV. Това са йонизационните енергии на еднозаредени молекули (първият етап на йонизация), когато им липсва по един електрон. За да се постигне вторият етап на йонизация, вече са необходими енергии от 29,6 eV и 35,12 eV съответно за азота и кислорода.
Друг процес е производството на отрицателни йони. Оказва се, че не всички атоми и молекули притежават способността да прикрепят допълнителен електрон и тяхната способност да прикрепят електрони се нарича електронен афинитет. За повечето атоми и молекули, които имат това свойство, прикрепването на допълнителен електрон става не само без изразходване на енергия отвън, но дори и с освобождаването му. Следователно, в процеса на улавяне на електрони, освободената енергия се излъчва под формата на фотон или се прехвърля към друга квантова частица (атом или молекула).
Нека сега се обърнем къмN2 иO2. Оказва се, че азотът изобщо няма афинитет към електрони.притежава, а афинитетната енергия (енергията, освободена при улавяне на електрон) за кислорода е 1,46 eV (заOатом) и 0,44 eV (заO2 молекула).
Когато съпоставим твърденията на Чижевски и неговите последователи с достоверни научни данни, виждаме, че има съвпадение, но до обратния знак на обвинението! Енергията на първия етап на йонизация на кислород (еднократно зареден положителен йон), според различни оценки, е в диапазона от 12,13,6 eV, а вторият етап на йонизация (двузареден положителен йон) е 34,35,12 eV.
Но дали Чижевски нарече тези кислородни йони лечебни? Говорили ли са Лившиц, Иванов, Бизов и други за тях като биологично активни и дълголетни, способни да достигнат до бронхите? Разбира се, имаха предвид отрицателни кислородни йони! Но, както следва от референтните данни, тези йони не могат да имат такава енергия. Това означава, че А. Л. Чижевски и неговите последователи погрешно приписват полезна роля на високоенергийните кислородни йони с енергия от 34 eV, тъй като това са положително заредени йони, срещу които те активно се обявиха.
И така, какъв е ефектът от напрежението върху йонизиращия електрод на въздушния йонизатор? Разбира се, от концентрацията на въздушни йони, създадени от устройството, и от радиуса на неговото действие.
И в заключение, смея да твърдя, че отрицателните кислородни йони, получени с помощта на йонизатори с различни конструкции и с различни напрежения на йонизиращи електроди (до няколко киловолта), не могат да се различават по физиологични ефекти върху живите организми. В този случай трябва да се подчертае специално, че ефективността на самите йонизатори, разбира се, зависи от конструкцията и начина на работа. Но това е отделен въпрос.