О.В. ПАНФЕРОВА,
Г. Калуга
(sov@edudep.kaluga.ru )

Молния в руках человека
(физические и биологические аспекты аэроионификации)

Интегрированный урок физики и биологии

Цели урока: дать учащимся представление об отрицательно и положительно заряженных ионах воздуха и о биологическом действии отрицательно заряженных ионов воздуха на живые организмы; ознакомить учащихся с электроэффлювиальной люстрой А.Л. Чижевского и ее модификациями.

Оборудование: плакат «Схема распределения аэроионов отрицательной и положительной полярности при работе электроэффлювиальной люстры» (рис. 1); одна из модификаций электроэффлювиальной люстры А.Л. Чижевского; фотографии или рисунки других модификаций электроэффлювиальной люстры А.Л. Чижевского (рис. 2–5); учебный фильм о применении электроэффлювиальной люстры А.Л. Чижевского.

Примечание. Возможна замена плаката на пленку и кодоскоп, а вместо одной из модификаций электроэффлювиальной люстры можно продемонстрировать ее фотографию.

Методические рекомендации

Урок рекомендуется проводить после изучения учащимися тем по физике: «Основные положения электронной проводимости металлов» и «Явление электронной эмиссии».
Для лучшего усвоения материала рекомендуется (по возможности) продемонстрировать одну из модификаций электроэффлювиальной люстры А.Л. Чижевского и фотографии или рисунки других модификаций люстры, снять небольшой учебный фильм на 10–15 мин или поручить учащимся подготовить реферативные сообщения на 5–10 мин о применении электроэффлювиальной люстры А.Л. Чижевского в животноводстве и растениеводстве, на производстве и в быту.

ХОД УРОКА

Учитель физики, демонстрируя электроэффлювиальную люстру А.Л. Чижевского, задает учащимся вопросы. (Если никто из учащихся не сможет ответить на эти вопросы, то учитель отвечает на них сам.)

Учитель физики. Кто знает, как называется этот прибор?

Учащиеся. Электроэффлювиальная люстра А.Л. Чижевского (или просто люстра Чижевского).

Учитель физики. Для чего предназначена электроэффлювиальная люстра А.Л. Чижевского?

Учащиеся. С ее помощью получают отрицательно заряженные ионы воздуха.

Учитель физики. Какое действие оказывают отрицательно заряженные ионы воздуха на живые организмы?

Учащиеся. Отрицательные ионы воздуха оказывают благоприятное воздействие на живые организмы.

Учитель физики. Сегодня на уроке мы познакомимся с понятием отрицательно и положительно заряженных ионов воздуха и механизмом их получения при помощи электроэффлювиальной люстры А.Л. Чижевского, с биологическим действием отрицательно заряженных ионов воздуха на живые организмы и с модификациями электроэффлювиальной люстры А.Л. Чижевского.

Вспомним механизм получения отрицательно заряженных ионов воздуха. Для этого ответьте на следующие вопросы.

1. Каковы основные положения электронной теории проводимости металлов?
2. Что представляет собой электрический ток?
3. Какова скорость хаотического движения электронов в металлах по сравнению со скоростью их упорядоченного движения?
4. Как ведут себя свободные электроны на границе с вакуумом?
5. Что такое работа выхода и чему она приблизительно равна?
6. Какие виды эмиссий электронов вы знаете?
7. Как происходит ионизация газов?
8. Какие ионизаторы газов вы знаете?
9. Какой разряд называется несамостоятельным?
10. Какой разряд называется самостоятельным?
11. Может ли несамостоятельный разряд перейти в самостоятельный?
12. Какие условия необходимы для возникновения самостоятельного разряда?
13. Как зависит сила тока, проходящего через газ, от приложенного напряжения при несамостоятельном разряде?
14. В чем состоит явление ионизации ударом?

Учитель физики. В атмосферном воздухе некоторые частицы (молекулы) всегда несут электрический заряд (атмосферное электричество). Процесс возникновения заряда или зарядов на молекуле или их группах называется ионизацией, а заряженная молекула воздуха – легким (быстрым) ионом, или легким аэроионом. Молекула кислорода легко присоединяет к себе один или два электрона, ионизируется и превращается в аэроион кислорода отрицательной полярности.
Если к легкому иону (аэроиону) присоединятся частицы атмосферных загрязнений (пыль, копоть, испарения), то он станет тяжелым. Каждый из легких и тяжелых ионов может иметь либо положительной, либо отрицательной заряд.
Свежий воздух обычно содержит в 1 см³ от 700 до 1500 отрицательных аэроионов кислорода. На приморских курортах и в горах их в 10 раз больше. А в комнатах и закрытых помещениях число отрицательных аэроионов снижается до 25 в 1 см³.
Основными элементами люстры Чижевского являются маленькие металлические иголки. С поверхности металла всегда испаряются электроны (эмиссия электронов), но в обычных условиях их очень мало. При воздействии некоторых факторов эмиссия электронов в окружающую среду значительно возрастает.
Напряженность электрического поля и поверхностная плотность заряда возрастают с уменьшением радиуса кривизны заряженной проводящей поверхности. На металлических остриях и вообще вблизи заряженных металлических проводников малого радиуса кривизны напряженность электростатического поля может превысить напряженность пробоя воздуха. При этом за счет ударной ионизации молекул воздуха возникает коронный разряд – один из видов самостоятельного электрического разряда, сопровождающегося «стеканием», или «эффлювией», электрических зарядов с острия. Хотя электронные и ионные лавины в коронном разряде не пронизывают весь слой газа, но процесс распространяется далеко за пределы острия.
Электроэффлювиальная люстра А.Л. Чижевского позволяет обогащать воздух отрицательно заряженными аэроионами, что оказывает благоприятное воздействие на все живые организмы – от растений до животных и человека. Для этого на иглы подается высокое отрицательное относительно земли напряжение.
При положительной ионизации молекулы воздуха отдают электроны иглам (рис. 1). У игл и ниже образуются слои с преобладанием молекул, у которых недостает одного или двух электронов, т.е. слои положительных аэроионов.

Рис. 1. Схема распределения аэроионов отрицательной и положительной полярности при работе электроэффлювиальной люстры

При отрицательной ионизации молекулы кислорода движутся в постоянном электрическом поле по направлению к земле, имеющей положительный относительно игл потенциал. У земли аэроионы разряжаются (рис. 1), и таким образом электрическая цепь замыкается. Можно подобрать такие режимы работы люстры, чтобы воздух был постоянно насыщен отрицательными ионами.
А.Л. Чижевский создал несколько вариантов генераторов отрицательно заряженных аэроионов – электроэффлювиальных аэроионизаторов. В наше время используется один из них, называемый электроэффлювиальной люстрой А.Л. Чижевского, – значительно облегченный вариант исходной громоздкой установки. В настоящее время используют несколько модификаций люстры А.Л. Чижевского (рис. 2 – 5).

Рис. 2. Люстра, созданная А.Л. Чижевским

Рис. 3. Модель «Элион-132Ш»

Рис. 4. Модель «Элион-131», «Элион-132»

Рис. 5. Модель «Аэрон-М»

Учитель биологии. Именно А.Л. Чижевский, всесторонне изучив биологическое действие униполярных ионов, смог убедительно доказать, что легкие отрицательные аэроионы увеличивают жизненные силы организма, а ионы положительной полярности оказывают на него крайне неблагоприятное воздействие. Доказательство А.Л. Чижевским того, что без отрицательных аэроионов кислорода длительное сохранение здоровья и самой жизни невозможно, представляет собой фундаментальное открытие XX в. в области биофизики и биологии.
А.Л. Чижевский экспериментально установил, что направленный поток аэроионов очищает воздух в комнате, осаждает пыль и микроорганизмы. Это открытие нашло применение в очистке воздуха закрытых помещений от загрязнений.
Из теории Чижевского следует, что необходимо учитывать возможную роль аэроионов воздуха в эволюции жизни на Земле. Первым обратил на это внимание известный русский биолог, профессор П.А. Коржуев.
Почему наземные животные не в состоянии выключать на долгое время внешнее дыхание? Почему в организме нет запасных резервуаров для кислорода, в то время как резервы питательных веществ у животных подчас весьма значительны? Поскольку отрицательные ионы кислорода существуют не более 10 мин, кислород в резервуарах быстро терял бы свою биологическую активность и становился вредным. Поэтому эволюция пошла по пути создания не резервуаров кислорода, а таких систем дыхания, которые обеспечивали бы поступление в организм все новых и новых порций отрицательных аэроионов.
Электроэффлювиальная люстра А.Л. Чижевского позволяет получать аэроионы воздуха отрицательной полярности. Комфортными считаются концентрации отрицательных аэроионов 3–5 тыс. в 1 см³, а максимально допустимые концентрации составляют 50 тыс. в 1 см³.
Опыты показали, что аэроионификация воздуха улучшает рост и продуктивность сельскохозяйственных животных, резко снижает их заболеваемость. Результаты этих опытов были обобщены А.Л. Чижевским в монографии «Аэроионификация в народном хозяйстве».
В 1930-х гг. идеи А.Л. Чижевского использовались в работе некоторых клиник Москвы. Но затем более 50 лет они должным образом не разрабатывались. Активная работа по продолжению и практическому внедрению трудов ученого началась в 1990-х гг. Эксперименты проводились в Научно-исследовательском институте скорой помощи им. Н.В. Склифософского (Москва) и в других лечебных учреждениях России. Значительный вклад в развитие аэроионификации и аэроионотерапии вносят ученые: С.Г. Болотов, Ю.А. Данилов, А.Р. Евстигнеев, М.Н. Кондрашова, П.А. Коржуев, В.П. Скипетров, В.П. Тихонов, Л.И.Герасимова, М.С. Мачабели и др.
Аэроионификация широко применяется в медицине при лечении больных, страдающих заболеваниями дыхательной, вегетативной нервной, сердечно-сосудистой и иммунной систем, а также при лечении обширных ожогов (свыше 50% площади тела) и в послеоперационные периоды болезней (предотвращение тромбозов). Люстра Чижевского используется для коррекции психофизического состояния (улучшения памяти, снятия стресса и ощущений дискомфорта, профилактики переутомления), повышения работоспособности в условиях производства (скорости и точности работы) и повышения сопротивляемости организма к химическим и радиационным загрязнениям окружающей среды. А.Л. Чижевский обращал особое внимание на профилактическое значение аэроионификации.
Лечение аэроионами отрицательной полярности противопоказано при острых инфекционных заболеваниях, злокачественных новообразованиях, декомпенсированных формах сердечно-сосудистой системы, пороках сердца, открытой форме туберкулеза, эмфиземе легких, тяжелых формах бронхиальной астмы, органических поражениях нервной системы, склонностях к кровотечениям.
В своей работе «Аэроионификация как физиологический, терапевтический фактор и как новый санитарно-гигиенический элемент кондиционированного воздуха» А.Л. Чижевский ставит одну из серьезных государственных задач – радикальное оздоровление воздуха, которым дышит человек, внутри жилых помещений. Он пишет, что недалеко то время, когда управление искусственной ионизацией воздуха в общественных и жилых помещениях станет таким же обычным явлением, каким стало в наши дни управление освещением, температурой и влажностью.
В помещении с кондиционерами воздух лишен всех аэроинов – их задерживает фильтр, поэтому требуется принудительное обогащение воздуха легкими отрицательными аэроионами. Именно А.Л. Чижевский впервые сделал вывод о том, что для улучшения комфорта помещения необходимо сочетание кондиционирования и аэроионификации воздуха. Он говорил, что в помещениях, где находятся люди, ионизатор воздуха необходим так же, как свет и водопровод, т.к., «построив себе жилище, человек лишил себя нормального ионизированного воздуха, он извратил естественную для него среду и вступил в конфликт с природой своего организма». Аэроионификация необходима в жилой и служебной комнате, в школьном классе и в спортивном зале, в цехе и в больничной палате, и это надо учитывать уже при проектировании зданий.
Ученый разработал универсальную аппаратуру, внедрение которой способствовало бы улучшению здоровья человека, повышению его трудоспособности и долголетия.
В настоящее время в ряде стран аэроионификация используется в больничных палатах, санаториях, классах и аудиториях, служебных помещениях, офисах, залах для физкультуры и спорта, на заводах и фабриках, в квартирах. Не допускается установка аэроионизаторов в помещениях с повышенной влажностью воздуха (бани, сауны, плавательные бассейны и т.д.). Следует помнить, что помещение, в котором проводятся сеансы аэроионотерапии, должно систематически проветриваться. При ионизации загрязненного воздуха образуются вредные соединения, и такая аэроионификация может даже стать опасной для здоровья.

Учитель физики. Электроэффлювиальную люстру А.Л. Чижевского не рекомендуется использовать в запыленных помещениях именно потому, что аэроионы воздуха соединяются с частичками пыли, которые после этого «приклеиваются» к любой поверхности. В результате стены и потолок покрываются пылью.
На этом принципе основан электрофильтр, который представляет собой полый цилиндр с рядом концентрических полых трубок, находящихся под высоким и постоянно пульсирующим напряжением. При пропускании загрязненного воздуха через фильтр легкие ионы облепляют частицы пыли и других загрязнений, которые затем оседают на стенках трубок и могут быть легко удалены.
Тот же принцип использован и в электромаске Чижевского, предотвращающей попадание в легкие пыли и бактерий: микроорганизмы и частицы пыли, вдыхаемые с воздухом через маску, оседают на обкладке электрофильтра.
А сейчас давайте посмотрим фильм о применении аэроионификации в животноводстве и растениеводстве, в производстве и быту. (Вместо фильма можно заслушать заранее подготовленные сообщения учащихся на эту тему.)

Вопросы и задания для закрепления материала

1. Опишите принцип работы электроэффлювиальной люстры А.Л. Чижевского.
2. Какие вы знаете модификации электроэффлювиальной люстры А.Л. Чижевского?
3. Каким должен быть воздух, которым мы дышим?
4. Где применяется электроэффлювиальная люстра А.Л. Чижевского?
5. При лечении каких заболеваний показана аэроионотерапия? При каких заболеваниях она противопоказана?
6. Каким санитарно-гигиеническим требованиям должно удовлетворять помещение для проведения сеансов аэроионотерапии?
7. Опишите принцип работы электромаски.