Многие знают и даже сталкивались с таким явлением, как «ионный ветер» — направленным движением воздуха, которое вызывается стекающими с одного электрода и ускоряющимися к другому электроду зарядами.

Благодаря простоте реализации, подобный эффект может быть протестирован практически любым желающим, хоть немного знакомым с электроникой и электротехникой.

Предыстория

Первое упоминание ионного ветра относится ещё к началу XVIII века, когда английский учёный С. Грей обнаружил, что если поднести заряженный объект к незаряженному, и последний при этом будет достаточно лёгким, то это вызовет его смещение с места. 

Однако на тот момент он ограничился только фиксацией сего занимательного факта, а вот его более подробное изучение и выяснение природы происходящего уже принадлежит другому учёному, которого мы все уже хорошо знаем — Майклу Фарадею.

Именно он провёл ряд опытов, которые явственно показали, что благодаря зарядам происходит движение воздушных потоков, а сам принцип, лежащий в основе, заключается в некоем воздействии зарядов на молекулы воздуха (в чём он, кстати, был совершенно прав). В ходе своих экспериментов он использовал конструкцию, представленную двумя электродами, где один из них был заострённым, а второй выполнен в виде сетки или пластины, заземлённой и расположенной на определённом расстоянии от заострённого электрода; также применялся источник высокого напряжения.

Было обнаружено, что при подаче высокого напряжения заострённый электрод покрывается голубоватым свечением, а между электродами возникает явственный ветер, который хорошо ощущается рукой, если её внести в межэлектродное пространство. 

Кроме того, им было обнаружено, что интенсивность воздушного потока зависит от того, какой полюс источника питания подключен к заострённому электроду:

• если к иглообразному электроду подключен отрицательный полюс, то наблюдаемый поток ветра был менее мощным и гораздо более стабильным, чем в обратном случае;

• при подключении же иглы к положительному полюсу наблюдался пульсирующий (т.е. менее стабильный) и более активный поток воздуха.

По результатам экспериментов Фарадей предположил, что у кончика заострённого электрода наблюдается высокая напряжённость электрического поля, что вызывает ионизацию молекул воздуха — то есть происходит образование «ионов», представляющих собой заряженные частицы.

Объяснение физики происходящего

С современной точки зрения, наблюдавшаяся Фарадеем разница заключается в принципиальных отличиях того, как происходит ионизация в том или другом случае полярности на заострённом электроде, поэтому более подробно изучим оба варианта с точки зрения современного понимания процессов.

В первом случае, когда заострённый электрод имеет отрицательную полярность, всё происходящее сконцентрировано в очень маленьком пространстве вокруг кончика иглы, где напряжённость электрического поля имеет максимальную величину.

Весь процесс начинается с некоторого порогового значения, при котором электроны, в обычном состоянии находящиеся в структуре металла, начинают «вылетать» из него в области наименьшей кривизны (проще говоря, из самого острого места) — такой процесс носит название «автоэлектронной эмиссии».

В ходе такого вылета задействуются «электроны проводимости», имеющиеся в металлах, так называемый «электронный газ». 

Это принципиально отличается от случая другой полярности, который мы увидим далее. Запомним это. 

Получается как бы интересная аналогия: если представить металлический проводник как резервуар, заполненный газом под давлением, то высокая напряжённость электрического поля как бы «проделывает отверстие» в его оболочке, и газ (то есть, электроны) начинает активно выдуваться наружу.

Таким образом, если сказать более научно, то высокая напряжённость электрического поля помогает электронам преодолеть так называемый «энергетический барьер» — силу, которая и удерживает электрон внутри структуры металла, а само преодоление барьера происходит с помощью туннелирования сквозь него. 

Далее электрон, вышедший за пределы острия, вылетает с достаточно высокой скоростью и с большой вероятностью сталкивается с молекулой газа из состава воздуха, где в результате, если при таком столкновении кинетическая энергия летящего электрона была достаточно велика, удар приводит к разрыву связи между электроном оболочки и ядром в молекуле соответствующего газа.

Тут надо отметить, что преимущественно производит выбивание только одного электрона, так как энергии обычно хватает только на разрыв 1 связи.

После удара ударивший электрон летит дальше, а кроме него появляется ещё один электрон, выбитый из молекулы, который теперь летит в том же направлении.

Кроме электронов, появляется ещё и положительно заряженная молекула, которая ранее была нейтральной, но после потери электрона у неё появился заряд и называется она теперь «положительный ион». 

Нетрудно догадаться, что такое удвоение электронов очень быстро приводит к лавинообразному процессу нарастания ионизации (количества ионов).

Далее наблюдается очень интересный процесс, в котором, если разобраться, выяснится множество неочевидных фактов, а имеющиеся общепринятые объяснения этому процессу либо вскользь проходят мимо этого момента, либо весьма туманны и наукообразны и, в результате, очень сложны для восприятия и понимания.

Попробуем разобраться, что же здесь наблюдается, для чего вернёмся к тому моменту, когда мы имеем положительный ион, электроны и электрическое поле вокруг...

Дело в том, что если до выбивания электрона молекула газа была нейтральной, то после выбивания она стала иметь заряд, в результате чего на неё стало оказывать влияние окружающее электрической поле! 

А, как мы знаем, разноимённые заряды притягиваются, поэтому этот ион неудержимо начинает тянуть к отрицательному полюсу — заострённому электроду! 

В принципе, в этом нет ничего удивительного, если мы задумаемся о том, что величина напряжённости электрического поля между электродами очень велика и может достигать тысяч вольт на сантиметр. Кстати говоря, именно поэтому ион начинает притягиваться к заострённому электроду, а не «куда-то вбок», где тоже есть отрицательные заряды — электроны (летящие в сторону положительного электрода). Масса находящихся сбоку электронов настолько незначительна по сравнению с массой иона, равно как и сила притяжения между ними, да ещё и на больших скоростях, что у них просто нет никакого шанса «перетянуть» ион вбок. Вследствие этого он и начинает лететь в сторону отрицательного заострённого электрода.

Вроде бы, ничего удивительного — ну летит себе заряженная молекула газа в сторону заострённого электрода, ну и что тут такого... 

«Но, подождите!» — скажут те, кто когда-либо интересовался ионным ветром или даже самостоятельно проводил эксперименты с его созданием. 

«Ну как же так?! Почему газ то движется в сторону заострённого электрода, когда на практике мы знаем, что дуновение воздуха ощущается из кончика острия, то есть совсем в противоположную сторону!?»

А вот тут-то как раз и есть «самая мякотка»: движение ионов газа в сторону острия приводит к возникновению, назовём его условно, «локального вакуума», то есть из этой точки пространства ион вылетел, и образовалась пустота.

И дальше что? Верно: в эту пустоту происходит подсос газов окружающего воздуха, причём преимущественно из зоны повышенного давления, то есть из места, куда «втиснулся» ион! 

И чем более активно вылетел ион (чем более велика напряжённость электрического поля/или чем ближе расположены электроды, другими словами), тем активней происходит подсос! 

Фактически получается, что две молекулы просто поменялись местами: одна активно ушла, например, влево, а на её место слева другая ушла направо.

Далее при ударе о поверхность заострённого электрода ускорившийся ион (хотя он может поймать электрон и в полёте) получает электрон, теряет импульс от удара (как шарик, замедлившийся от столкновения с преградой) и перестаёт чувствовать воздействие электрического поля, так как перестаёт быть ионом и становится нейтральной молекулой.

В результате получается интересная картина: несмотря на то, что изначально движение ионов наблюдается в сторону заострённого электрода, итоговый, набравший силу ветер мы всё-таки чувствуем, движущийся от острия. Это связано не только с непосредственным обменом молекул местами, но и с локальными эффектами турбулентности, сопровождающимися дополнительным подсосом воздуха «с боков», то есть не имеющего прямого отношения к обмену молекул.

Тут ещё надо рассмотреть и такой интересный момент — мы ведь не забыли, что электрон, как только покинул кончик острия, сразу оказался в зоне самой высокой напряжённости электрического поля?

Из этого следует, что электрон эффективно и очень быстро разгоняется до очень больших скоростей, в результате чего он начинает обладать очень высокой энергией, достаточной для расщепления молекул газов!

Выше мы уже говорили о самом простом варианте, когда удар разогнавшегося электрона выбивает электрон из атома, превращая его в ион, однако абсолютно не факт, что он может попасть*, собственно, в электрон — он может попасть и в место связи между атомами.

Когда мы говорим «попасть в электрон», то используем это выражение довольно утрированно для простоты рассуждений, так как в реальности происходит не «попадание шара в шар», а скорее возмущение электронного облака атома. Если возмущение достаточно велико, электрон атома может покинуть свою орбиту.

В зависимости от того, куда конкретно попал разогнавшийся электрон, образуется либо атомарная форма газа (то есть ударом молекулу разбило на атомы), либо ион, если удар пришёлся по электрону.

В зависимости от того, по молекуле какого газа пришёлся удар, образуется либо атомарный кислород, либо атомарная форма любого из газов, присутствующих в воздухе. 

Если удар пришёлся по кислороду, то атомы разбитой молекулы кислорода присоединяются преимущественно к любой из находящихся в воздухе молекул кислорода, образуя озон. Атомарный кислород в меньшей степени может прореагировать с другими газами благодаря своей высокой активности; однако на практике это происходит реже, чем реакция с молекулой кислорода.

При этом не забываем, что в составе воздуха есть и множество других газов, которые в случае соответствующего разбивания молекул могут соединиться с кислородом, образуя вредные для человека формы... 

Таким образом, получается, что высокая скорость электронов при отрицательной полярности на заострённом электроде — «преимущественно не есть хорошо».

Но возможен и другой вариант, когда этот заострённый электрод имеет положительную полярность. Что же происходит в этом случае?

Здесь ситуация выглядит ещё более интересной: если в предыдущем случае происходил вылет из кончика острия электронов «электронного газа», то есть свободных электронов проводимости в металле, то в этом же случае происходит в буквальном смысле разрушение структуры металла! 

А именно: благодаря сильному электрическому полю на кончике острия иглы происходит вырывание электрона из...атомов кристаллической решётки на самом кончике, где кривизна наименьшая!

Таким образом, после потери электрона атом кристаллической решётки превращается в положительный ион, начиная представлять собой чужеродную структуру в составе кристаллической решётки. 

Так как это теперь положительно заряженный ион, который не имеет никакого отношения к кристаллической решётке (то есть не может удержаться в её составе), он покидает её. 

Мало того: так как ион заряжен положительно и кончик заострённого электрода тоже имеет положительный заряд (а одноимённые знаки отталкиваются), его отбрасывает от кончика, то есть этот ион покидает металл, вылетая в воздушное пространство. 

А что в это время происходит с электроном, который был выдернут из атома? Мы же не забываем, что у нас электрод имеет положительную полярность, а разноимённые знаки притягиваются? Вот здесь и кроется ответ: электрон втягивает внутрь металла и он становится частью «электронного газа» — электронов проводимости, имеющихся в металле. «Теперь ты — часть команды, часть корабля» ©. 

Однако вернёмся к иону, который покинул остриё: здесь на него начинает действовать электрическое поле между контактами, и ион устремляется к отрицательному электроду, где он стремится получить электрон и снова стать нейтральным. 

Однако ион — достаточно большая и тяжёлая конструкция по сравнению с электроном и поэтому не может разгоняться до таких же скоростей, как электрон, и, в результате, обладать достаточной энергией для разбивания молекул на атомы.

Поэтому в самом начале, когда ион относительно быстрый, при ударах он выбивает электроны, образуя ионы. 

По мере ударов он замедляется, его энергетики уже перестаёт хватать на это действие, и поэтому его удары теперь только толкают другие имеющиеся в воздухе нейтральные молекулы вперёд, усиливая ионный ветер!

Казалось бы, всё хорошо и озон при этой полярности не образуется?

Не совсем. Дело в том, что выбивание электронов всё равно происходит, однако уже далеко от зоны максимальной напряжённости поля (кончик острия). Тем не менее, в некоторых случаях этого хватает, чтобы разогнать электроны до энергии, достаточной для разбивания молекул на атомы.

Помимо непосредственно самого удара, в образовании озона здесь также принимают участие и высокоэнергетические фотоны, преимущественно жёсткого ультрафиолетового спектра, которые генерируются электронами, также разбивающими молекулы на атомы*.

Если не вдаваться глубоко в научные объяснения, суть заключается в том, что электрон, движущийся на большой скорости, если начинает раскачиваться во время полёта по своей траектории из стороны в сторону, начинает излучать электромагнитные волны той длины, которую генерирует текущая частота колебаний.

Опять же, если глубоко не вдаваться в теорию, то можно пока остановиться на том, что это фундаментальное свойство материи. 

На этом принципе создают даже лазерные установки, где отсутствует какой-либо оптический источник света, и где с помощью электромагнитов колеблют в ваккумном канале поток электронов, который при этом излучает свет нужной длины волны. 

В теории, такой подход позволяет создать лазерную установку без какого-либо источника света, излучающую лазерный луч любой длины волны, по запросу. 

Подробнее можно почитать вот тут.

В нашем же случае движение электронов и их колебания в этом процессе излучают свет широкого спектра длин волн, где в том числе присутствует и ультрафиолет жёсткого спектра, который, в свою очередь, уже и выступает разрушителем молекул, являясь инициатором генерации озона и не только (смотря молекула какого газа была разбита на атомы). 

Кстати говоря, голубоватое свечение коронного разряда и представляет собой генерацию света электронами, колеблющимися в процессе полёта по своей траектории, где в составе излучаемого ими света присутствует и жёсткая ультрафиолетовая составляющая, а воздушная среда и низкая энергия коронного разряда мешает им колебаться достаточно часто, чтобы генерировать более короткие длины волн (читай «с более высокой энергией»)  — тот же рентген, например («что нас и спасает» — хочется сказать :-) ).

И, напоследок об озоне: коронный разряд отрицательной полярности генерирует озона многократно больше аналогичного разряда, только положительной полярности, вплоть до 80%! Так что это надо учитывать, при построении устройств...

При положительной полярности происходит, в буквальном смысле, «таяние» электрода и разборка его кристаллической решётки — слой за слоем. 

Но не нужно опасаться — учитывая огромное количество слоёв в кристаллической решётке и атомов в них, чтобы потратился хотя бы миллиметр длины острия потребуется более 1000 лет работы без остановки!

Другими словами, можно сказать, что самым принципиальным различием между отрицательной и положительной полярностью на заострённом электроде является генерация ионов во всём объёме газа (при отрицательной полярности на заострённом электроде) или их генерация за счёт вылета из кончика электрода (при положительной полярности).

Нетрудно догадаться, что ион металла и ион воздуха, прилетевшие к плоскому электроду — это «несколько разные» вещи, так как ион металла осядет на электроде или около него.

По этому поводу у меня есть забавный личный опыт, когда, по незнанию, я повесил люстру Чижевского прямо на стену — в офисе решили с народом перейти к «немного более здоровому» образу жизни.

На эту люстру никто не обращал внимания, и она «молотила» сутками, будучи повешенной под потолком на стене, пока кто-то, примерно через полгода, не поднял глаза наверх — «и офис не огласился рёвом раненого леопарда» :-))) Вокруг люстры на стене красовалось огромное чёрное пятно диаметром примерно метр! О_о Ионы металла — дело такое... :-)

Почему так вышло: для неё (насколько я знаю) отрицательным электродом выступают все предметы вокруг, в том числе и стена за люстрой :-)

Применения ионного ветра

Хорошо, с физикой процесса немного разобрались, а теперь подумаем, насколько реально это использовать в целях охлаждения? Ведь тогда получилось бы идеальное устройство, не содержащее никаких механических движущиеся деталей, но, тем не менее, выполняющее свою функцию! Идеальный вариант?

Вполне возможно: по крайней мере, как минимум, один стартап из Швейцарии доказал, что с помощью использования ионного ветра можно снизить расходы на охлаждение серверов до 60 процентов, если заменить механические вентиляторы на ионные установки! 

Причиной такой эффективности является прямое преобразование электроэнергии в движение воздуха без каких-либо механических посредников. 

Кроме всего прочего, учёные использовали в лаборатории установку-генератор ионного ветра в целях...сушки фруктов, где она также показала свою эффективность! 

Также, использование ионного ветра показало свою применимость и экспериментальных в конденсационных частях холодильников, где обдув увеличил скорость конденсации, и в системах охлаждения помещений с одновременным увлажнением воздуха, так как было обнаружено, что ионный ветер помогает образованию водяного тумана. 

Ещё одним перспективным направлением является использование ионных установок для охлаждения электронных компонентов (особенно сверхминиатюрных и/или с высокой плотностью компоновки), где есть большие требования к миниатюрности устройства и/или минимизации шума в работе. Например, известны успешные реализации подобных устройств для охлаждения электронных компонентов, где положительный электрод был выполнен в виде массива игл, а отрицательный располагался на расстоянии в 1-2 см от массива, представляя собой сетку. 

Напряжение питания подавалось на установку с помощью любого источника высокого напряжения, который может обеспечить её питанием в 10...20 кВ. 

Общие рекомендации с целью минимизации образования озона:

• использование положительной полярности на остриях;

• желательно полное отсутствие заострённостей на отрицательном электроде (чтобы не было короны с этой стороны);

• поэкспериментировать с расстоянием между электродами и с напряжением с целью добиться такого соотношения, чтобы разряд всё ещё присутствовал, однако количество озона было минимально возможным.

Подытоживая, можно сказать, что ионный ветер является очень интересным объектом для изучения и, возможно, применения на практике, так как простота устройств, которые могут его генерировать, открывает возможности многим попробовать свои силы в этой области...

Ну и немного занятных практических применений ионного ветра, а то что мы всё про сугубо утилитарные, «скучные» вещи :-) :

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»