Elektricky nabité složky a přimíšeniny v ovzduší

Úkol měření:

  1. Změřit koncentraci kladných a záporných iontů jedné pohyblivostní skupiny v ovzduší laboratoře.
  2. Vypočítat koeficient unipolarity.
  3. Ověřit nárůst koncentrace při spuštění generátoru iontů popř. závislost koncentrace iontů na vzdálenosti od generátorů.
  4. Odhadnout měrnou elektrickou vodivost vzduchu v laboratoři.

Teorie:

Elektricky nabité částice představují velmi pestrý soubor a liší se navzájem velikostí elektrického náboje, rozměry, kinetickou energií, tvarem, pohyblivostí a složením, popř. původem. V rámci laboratorní úlohy se měří pouze tzv. lehké a střední ionty (viz. Přednáška) s jedním elementárním nábojem obojí polarity v oboru pohyblivosti vyšší než 1,2 cm2V-1s-1. Koncentrace nabitých částic se nejčastěji měří tzv. iontometrickými metodami. Spočívají v tom, že se měří proud, tekoucí volných prostorem vyplněným měřeným vzduchem, mezi dvěma elektrodami. Velikost tohoto proudu závisí na počtu nabitých částic, na jejich náboji (o němž budeme předpokládat, že je roven náboji elementárnímu) a množství vzduchu M, které prošlo za jednotku času mezi elektrodami, čili
(rovnice 1)
Z toho pak vychází hledaná koncentrace
(rovnice 2)
Proud I měříme buď přímo nebo nepřímo. Pro měření nepřímé neboli integrální se používají elektronické i klasické elektrometry, elektroskopy, popř. elektrostatické voltmetry, přičemž se měří pokles (nebo nárůst) napětí v čase. Potom je velikost proudu
(rovnice 3)
a koncentrace nabitých částic
(rovnice 4)
Přitom C je kapacita dvojice měřicích elektrod plus kapacita elektrometru a U je napětí na elektrodách. Elektrody se konstruují nejčastěji jako koaxiální, např podle obr. 1. Podle potenciálu střední elektrody se měří kladné nebo záporné částice. Ionty nesené vzdušným proudem rovnoběžně s osou koaxiálních elektrod (koax. kondenzátoru) podléhají současně působení elektrického pole. Následkem toho se pohybují po parabolické dráze. Je-li splněna podmínka daná vzorcem 5
(rovnice 5)
kde Km je mezní pohyblivost měřicího koaxiálního kondenzátoru, pak jsou zachyceny právě všechny ionty příslušného pohyblivostního oboru. Laboratorní úlohu tvoří nejjednodušší typ vybíjecího iontometru, tzv. iontometr Ebertův (obr. 2). Je konstruován pro ionty obou polarit o pohyblivosti Km > 1,2 cm2V-1s-1.
(rovnice 6)
(obr. 1)

(obr. 2)

Postup měření:

  1. Seznámíme se s návodem a aparaturou.
  2. Pomocí tlačítka NT nabijeme postupně obě soustavy elektrometr-kondenzátor a určíme volný spád napětí (ventilátory jsou vypnuty) pro vybíjecí dobu t=5-8 min. Čas měříme stopkami.
  3. Znovu nabijeme obě soustavy
  4. Necháme prosávat vzduch po dobu 8-10 min. Po uplynutí zvolené doby t přečteme výchylky obou přístrojů U1, přičemž U0 - U1 zmenšíme o volný spád dle bodu 2. Za M dosadíme 0,87.10-3m-3s-1, za C 26 pF.
  5. Určíme koncentraci kladných a záporných iontů dané pohyblivosti podle vzorce.
  6. Měření podle bodů 3, 4, 5 několikrát opakujeme, přičemž vždy určíme koeficient unipolarity n+/n-. Po každém měření měřicí soustavu vybijeme tlačítky VT a před novým měřením znovu nabijeme pomocí NT.
  7. Ve vzdálenosti cca 1 m spustíme iontový generátor a změříme koncentraci iontů v místě měření (za případného užití kratšího času).
  8. Z naměřených koncentrací podle bodu 7 při proměnné vzdálenosti iontového generátoru sestrojíme graf závislosti koncentrace iontů na vzdálenosti ionizátoru.
  9. Vypočteme mezní měrnou elektrickou vodivost laboratorního vzduchu za předpokladu, že platí přibližně n+=n- podle vzorce .

Podmínky měření:

Kromě požadavku nepřítomnosti cizích elektrostatických polí je nezbytně nutné, aby teplota v laboratoři byla odlišná od rosného bodu.

Přístroje a pomůcky:

Ebertův iontometr, napájecí zdroje, stopky, iontové generátory, popř. iontometry jiné konstrukce.

Kontrolní otázky a úkoly:

  1. Posuďte jaké zdroje chyb se při tomto měření uplatňují a vyčíslete absolutní a relativní chybu svých měření.
  2. Při měření jste zjistili přítomnost nějakých iontů ve vzduchu. O jaké ionty jde?
  3. Proč má na měření vliv teplota rosného bodu? Jaký vliv mají další příměsi: vodní pára, prach, exhaláty, ...?
  4. Zhodnoťte ovzduší laboratoře z hlediska žádoucího obsahu nabitých částic.
  5. Formulujte podmínky účinné aplikace ionizátorů k terapeutickým účelům.

Literatura:

  1. Spurný Z.:Atmosférická ionizace, Academia Praha 1985
  2. Bednář J.: Pozoruhodné jevy v atmosféře, Academia Praha 1989
  3. Tverskoj P. N.: Optické, elektrické a akustické jevy v atmosféře, Naše vojsko Praha 1955