Вакуум

Эта статья о пустом физическом пространстве или отсутствии материи. Информацию о приборе см. в разделе «Пылесос» . Чтобы узнать о других значениях, см. Вакуум (значения) . «Свободное пространство» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. Свободное пространство (значения) .

Вакуумный насос и колпак для вакуумных экспериментов, использовавшиеся в научном образовании в начале 20 века, выставлены в Schulhistorische Sammlung («Школьный исторический музей»), Бремерхафен , Германия.

Вакуум , ( мн.ч .: вакуумы или вакуумы ) — это пространство лишенное материи . Слово происходит от латинского прилагательного vacuus (среднего рода вакуум ), означающего «пустой» или «пустота». Приближением такого вакуума является область с давлением газов, значительно меньшим атмосферного давления . Физики часто обсуждают идеальные результаты испытаний, которые могли бы возникнуть в идеальном вакууме, который они иногда называют просто «вакуумом» или свободным пространством , и используют термин «частичный вакуум» для обозначения фактического несовершенного вакуума, который может быть в лаборатории или в космосе . С другой стороны, в технике и прикладной физике вакуумом называют любое пространство, в котором давление значительно ниже атмосферного. Латинский термин in vacuo используется для описания объекта, окруженного вакуумом.

Качество . частичного вакуума означает, насколько близко он приближается к идеальному вакууму При прочих равных условиях более низкое давление газа означает более качественный вакуум. Например, типичный пылесос производит достаточно всасывания , чтобы снизить давление воздуха примерно на 20%. Но возможны и более качественные пылесосы. Камеры сверхвысокого вакуума , распространенные в химии, физике и технике, работают при температуре ниже одной триллионной (10 ⁻¹² ) атмосферного давления (100 нПа) и может достигать около 100 частиц/см. ³ . Космическое пространство представляет собой вакуум еще более высокого качества, в среднем в межгалактическом пространстве эквивалентный всего нескольким атомам водорода на кубический метр.

Вакуум был частой темой философских дебатов со времен Древней Греции , но эмпирически не изучался до 17 века. Клеменс Тимплер (1605) размышлял об экспериментальной возможности создания вакуума в небольших трубках. Эванджелиста Торричелли создал первый лабораторный вакуум в 1643 году, а в результате его теорий атмосферного давления были разработаны другие экспериментальные методы. Вакуум Торричелли создается путем заполнения ртутью высокого стеклянного контейнера, закрытого с одного конца, а затем переворачивания его в чашу, в которой находится ртуть (см. Ниже).

Вакуум стал ценным промышленным инструментом в 20 веке с появлением ламп накаливания и электронных ламп , и с тех пор стал доступен широкий спектр вакуумных технологий. Развитие пилотируемых космических полетов повысило интерес к влиянию вакуума на здоровье человека и на формы жизни в целом.

Этимология

Слово «вакуум» происходит от латинского слова «пустое пространство, пустота», существительного, использующего среднее слово vacuus , что означает «пустой», связанного с vacare , что означает «быть пустым».

«Вакуум» — одно из немногих слов английского языка, которое содержит два последовательных употребления гласной u .

Историческое понимание

Исторически сложилось так, что существует много споров о том, может ли существовать такая вещь, как вакуум. Древнегреческие философы обсуждали существование вакуума или пустоты в контексте атомизма , который постулировал пустоту и атом как фундаментальные объяснительные элементы физики. Вслед за Платоном даже абстрактная концепция безликой пустоты встречала значительный скептицизм: она не могла быть воспринята органами чувств, она сама по себе не могла обеспечить дополнительную объяснительную силу за пределами физического объема, с которым она была соизмерима, и, по определению, она была буквально ничего, о существовании чего нельзя с полным основанием говорить. Аристотель считал, что никакая пустота не может возникнуть естественным путем, потому что более плотный окружающий континуум материала немедленно заполнит любую зарождающуюся редкость, которая может привести к возникновению пустоты.

В своей книге «Физика» IV Аристотель предложил множество аргументов против пустоты: например, движение в среде, не создающей никаких препятствий, может продолжаться до бесконечности , поскольку нет никаких причин, по которым что-то могло бы остановиться где-то конкретно. Лукреций доказывал существование вакуума в первом веке до нашей эры, а Герой Александрийский безуспешно пытался создать искусственный вакуум в первом веке нашей эры.

В средневековом мусульманском мире физик и исламский ученый Аль-Фараби написал трактат, отвергающий существование вакуума в 10 веке. Он пришел к выводу, что объем воздуха может расширяться, заполняя доступное пространство, и поэтому концепция идеального вакуума была бессвязной. По словам Ахмада Даллала , Абу Райхан аль-Бируни заявляет, что «нет наблюдаемых доказательств, исключающих возможность вакуума». Всасывающий был описан арабским насос инженером Аль-Джазари в 13 веке, а с 15 века появился в Европе.

Европейские ученые, такие как Роджер Бэкон , Блазиус Пармский и Уолтер Берли, в 13 и 14 веках уделяли значительное внимание вопросам, касающимся концепции вакуума. В конце концов, следуя в этом случае физике стоиков , ученые, начиная с 14 века, все больше отходили от аристотелевской точки зрения в пользу сверхъестественной пустоты за пределами самого космоса - вывод, широко признанный в 17 веке, который помог разделить естественные и теологические обеспокоенность.

Почти через две тысячи лет после Платона Рене Декарт также предложил геометрически обоснованную альтернативную теорию атомизма, без проблемной дихотомии «ничто-все » пустоты и атома. Хотя Декарт согласился с современной позицией о том, что вакуума в природе не существует, успех его одноименной системы координат и, более косвенно, пространственно-телесного компонента его метафизики стал определять философски современное понятие пустого пространства как количественно определяемого. расширение объема. Однако согласно древнему определению информация о направлении и величина концептуально различались.

создал барометр Торричелли Ртутный один из первых устойчивых вакуумов в лаборатории.

Средневековые мысленные эксперименты с идеей вакуума рассматривали вопрос о том, присутствовал ли вакуум, хотя бы на мгновение, между двумя плоскими пластинами, когда они были быстро разделены. Было много дискуссий о том, двигался ли воздух достаточно быстро, когда плиты были разделены, или, как постулировал Уолтер Берли , «небесный агент» предотвратил возникновение вакуума. Распространенное мнение о том, что природа не терпит пустоты, получило название ужаса вакуума . Было даже предположение, что даже Бог не мог бы создать вакуум, если бы захотел, а осуждение епископа Этьена Темпье в Париже в 1277 году отсутствия , которое требовало ограничений на силы Бога, привело к выводу, что Бог мог бы создать вакуум, если бы он так хотелось. Жан Буридан сообщил в 14 веке, что команды из десяти лошадей не могли открыть мехи, когда порт был запечатан.

Трубка Крукса , использовавшаяся для обнаружения и изучения катодных лучей , была развитием трубки Гейсслера .

В 17 веке были сделаны первые попытки количественной оценки измерения частичного вакуума. Евангелисты Торричелли 1643 Ртутный барометр года и эксперименты Блеза Паскаля продемонстрировали частичный вакуум.

В 1654 году Отто фон Герике изобрел первый вакуумный насос. и провел свой знаменитый Магдебургский эксперимент с полушариями, показав, что из-за атмосферного давления вне полушарий упряжки лошадей не могут разделить два полушария, из которых был частично откачан воздух. Роберт Бойль усовершенствовал конструкцию Герике и с помощью Роберта Гука развил технологию вакуумного насоса. После этого исследования частичного вакуума продолжались до 1850 года, когда Август Теплер изобрел насос Теплера , а в 1855 году Генрих Гейсслер изобрел ртутный поршневой насос, достигнув частичного вакуума около 10 Па (0,1 Торр ). На этом уровне вакуума становится возможным наблюдать ряд электрических свойств, что возобновило интерес к дальнейшим исследованиям.

Хотя космическое пространство представляет собой наиболее редкий пример естественного частичного вакуума, первоначально считалось, что небеса полностью заполнены твердым неразрушимым материалом, называемым эфиром . Заимствовав что-то из пневмы стоической физики , эфир стал рассматриваться как разреженный воздух, от которого он и получил свое название (см. Эфир (мифология) ). Ранние теории света постулировали вездесущую земную и небесную среду, через которую распространяется свет. Кроме того, эта концепция легла в основу объяснений Исаака Ньютона как рефракции , так и лучистого тепла. Эксперименты XIX века с этим светоносным эфиром пытались обнаружить минутное сопротивление орбиты Земли. Хотя Земля на самом деле движется через относительно плотную среду по сравнению с межзвездным пространством, сопротивление настолько незначительно, что его невозможно обнаружить. В 1912 году астроном Генри Пикеринг прокомментировал: «Хотя межзвездной поглощающей средой может быть просто эфир, [он] характерен для газа, и свободные газообразные молекулы определенно присутствуют».

Позже, в 1930 году, Поль Дирак предложил модель вакуума как бесконечного моря частиц, обладающих отрицательной энергией, названного морем Дирака . Эта теория помогла уточнить предсказания сформулированного им ранее уравнения Дирака и успешно предсказала существование позитрона , подтвержденное два года спустя. Вернера Гейзенберга , Принцип неопределенности сформулированный в 1927 году, предсказал фундаментальный предел, в пределах которого мгновенное положение и импульс можно измерить , или энергию и время. Это имеет далеко идущие последствия для «пустоты» пространства между частицами.

Классические теории поля

Самый строгий критерий определения вакуума — это область пространства и времени, где все компоненты тензора энергии-импульса равны нулю. Это означает, что эта область лишена энергии и импульса и, как следствие, она должна быть пуста от частиц и других физических полей (таких как электромагнетизм), которые содержат энергию и импульс.

Гравитация

В общей теории относительности исчезающий тензор энергии-напряжения подразумевает, посредством уравнений поля Эйнштейна , исчезновение всех компонентов тензора Риччи . Вакуум не означает, что кривизна пространства-времени обязательно плоская: гравитационное поле все еще может создавать кривизну в вакууме в виде приливных сил и гравитационных волн (технически эти явления являются компонентами тензора Вейля ). Черная дыра (с нулевым электрическим зарядом) представляет собой элегантный пример области, полностью «заполненной» вакуумом, но все еще имеющей сильную кривизну.

Электромагнетизм

В классическом электромагнетизме вакуум свободного пространства , а иногда просто свободное пространство или идеальный вакуум , является стандартной эталонной средой для электромагнитных эффектов. Некоторые авторы называют эту среду сравнения классическим вакуумом . терминология, предназначенная для отделения этой концепции от вакуума КЭД или вакуума КХД , где флуктуации вакуума могут создавать переходные виртуальных частиц плотности , а также относительную диэлектрическую проницаемость и относительную проницаемость, которые не равны единице.

В теории классического электромагнетизма свободное пространство обладает следующими свойствами:

• Электромагнитное излучение в беспрепятственном состоянии распространяется со скоростью света , определенной величиной 299 792 458 м/с в единицах СИ .
• Принцип суперпозиции всегда в точности верен. Например, электрический потенциал, создаваемый двумя зарядами, представляет собой простое сложение потенциалов, создаваемых каждым зарядом в отдельности. Величина электрического поля в любой точке вокруг этих двух зарядов находится путем расчета векторной суммы двух электрических полей от каждого из зарядов, действующих отдельно.
• Диэлектрическая в и проницаемость точности являются электрической постоянной ε ₀ и магнитная постоянная µ ₀ , соответственно (в единицах СИ ) или ровно 1 (в гауссовских единицах ).
• Характеристический импеданс ( η ) равен импедансу свободного пространства Z ₀ ≈ 376,73 Ом.

Вакуум классического электромагнетизма можно рассматривать как идеализированную электромагнитную среду с определяющими соотношениями в единицах СИ:

${\boldsymbol {D}}({\boldsymbol {r}},\ t)=\varepsilon _{0}{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {r}},\ t)\,$

${\boldsymbol {H}}({\boldsymbol {r}},\ t)={\frac {1}{\mu _{0}}}{\boldsymbol {B}}({\boldsymbol {r}},\ t)\,$

связывая электрического смещения поле D с электрическим полем E и магнитным полем или H -полем H с магнитной индукцией или B - B. полем Здесь r — пространственное местоположение, а t — время.

Квантовая механика

Дополнительная информация: вакуум КЭД , вакуум КХД и состояние вакуума.

Duration: 9 seconds.0:09

Видео эксперимента, демонстрирующее флуктуации вакуума (в красном кольце), усиленные за счет спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты .

В квантовой механике и квантовой теории поля вакуум определяется как состояние (то есть решение уравнений теории) с наименьшей возможной энергией ( основное состояние гильбертова пространства ). В квантовой электродинамике этот вакуум называется « вакуумом КЭД », чтобы отличить его от вакуума квантовой хромодинамики , называемого вакуумом КХД . Вакуум КЭД — это состояние, в котором нет частиц материи (отсюда и название) и фотонов . Как описано выше, этого состояния невозможно достичь экспериментально. (Даже если бы каждую частицу материи можно было каким-то образом удалить из объема, было бы невозможно исключить все фотоны черного тела .) Тем не менее, она обеспечивает хорошую модель реализуемого вакуума и согласуется с рядом экспериментальных наблюдений, описанных ниже.

КЭД-вакуум обладает интересными и сложными свойствами. В вакууме КЭД электрические и магнитные поля имеют нулевые средние значения, но их дисперсии не равны нулю. В результате вакуум КЭД содержит вакуумные флуктуации ( виртуальные частицы , которые появляются и исчезают) и конечную энергию, называемую энергией вакуума . Флуктуации вакуума являются важной и повсеместной частью квантовой теории поля. Некоторые экспериментально подтвержденные эффекты вакуумных флуктуаций включают спонтанное излучение и лэмбовский сдвиг . закон Кулона и электрический потенциал в вакууме вблизи электрического заряда. Изменены

Теоретически в КХД могут сосуществовать несколько вакуумных состояний. Считается , что начало и конец космологической инфляции возникли в результате переходов между различными состояниями вакуума. Для теорий, полученных квантованием классической теории, каждая стационарная точка энергии в конфигурационном пространстве порождает единственный вакуум. Считается, что теория струн имеет огромное количество вакуумов – так называемый ландшафт теории струн .

Космическое пространство

Основная статья: Космическое пространство

Структура магнитосферы – это не идеальный вакуум, а разреженная плазма, наводненная заряженными частицами, свободными элементами, такими как водород , гелий и кислород , электромагнитными полями .

Космическое пространство имеет очень низкую плотность и давление и является наиболее близким физическим приближением идеального вакуума. Но ни один вакуум не является по-настоящему идеальным, даже в межзвездном пространстве, где на кубический метр все еще приходится несколько атомов водорода.

Звезды, планеты и луны удерживают свои атмосферы за счет гравитационного притяжения, и поэтому у атмосфер нет четко очерченной границы: плотность атмосферного газа просто уменьшается по мере удаления от объекта. Атмосферное давление Земли падает примерно до 32 миллипаскалей (4,6 × 10 ⁻⁶ фунтов на квадратный дюйм) на высоте 100 километров (62 миль), линия Кармана , которая является общепринятым определением границы с космическим пространством. За этой линией давление изотропного газа быстро становится незначительным по сравнению с давлением излучения Солнца , поэтому и динамическим давлением солнечных ветров определение давления становится трудным для интерпретации. Термосфера в этом диапазоне имеет большие градиенты давления, температуры и состава и сильно меняется из-за космической погоды . Астрофизики предпочитают использовать числовую плотность для описания этих сред в единицах частиц на кубический сантиметр.

Но хотя оно и соответствует определению космического пространства, плотность атмосферы в пределах первых нескольких сотен километров над линией Кармана все еще достаточна, чтобы оказывать сопротивление спутникам значительное . Большинство искусственных спутников работают в этой области, называемой низкой околоземной орбитой , и должны запускать свои двигатели каждые пару недель или несколько раз в год (в зависимости от солнечной активности). Сопротивление здесь достаточно низкое, и теоретически его можно преодолеть за счет радиационного давления на солнечные паруса , предлагаемую двигательную установку для межпланетных путешествий .

Вся наблюдаемая Вселенная заполнена большим количеством фотонов , так называемого космического фонового излучения , и, вполне вероятно, соответственно большим количеством нейтрино . Текущая температура этого излучения составляет около 3 К (-270,15 ° C ; -454,27 ° F ).

Измерение

Основная статья: Измерение давления

Качество вакуума определяется количеством вещества, остающегося в системе, поэтому вакуум высокого качества — это вакуум, в котором осталось очень мало вещества. Вакуум в первую очередь измеряется по его абсолютному давлению , но для полной характеристики требуются дополнительные параметры, такие как температура и химический состав. Одним из наиболее важных параметров является средняя длина свободного пробега (MFP) остаточных газов, которая указывает среднее расстояние, которое молекулы пройдут между столкновениями друг с другом. Когда плотность газа уменьшается, MFP увеличивается, а когда MFP длиннее, чем камера, насос, космический корабль или другие присутствующие объекты, предположения механики жидкости о непрерывной среде не применяются. Это состояние вакуума называется высоким вакуумом , а изучение потоков жидкости в этом режиме называется газодинамикой частиц. МФП воздуха при атмосферном давлении очень короткая, 70 нм , а при 100 мПа (≈ 10 ⁻³  Торр ) MFP воздуха комнатной температуры составляет примерно 100 мм, что примерно соответствует размеру предметов повседневного обихода, таких как вакуумные лампы . Радиометр Крукса поворачивается, когда размер MFP превышает размер лопастей.

Качество вакуума подразделяется на диапазоны в зависимости от технологии, необходимой для его достижения или измерения. Эти диапазоны были определены в ISO 3529-1:2019, как показано в следующей таблице (100 Па соответствует 0,75 Торр; Торр — единица измерения, отличная от системы СИ):

Диапазон давления	Определение	Обоснование определения диапазонов следующее (типичные обстоятельства):
Преобладающее атмосферное давление (от 31 до 110 кПа) до 100 Па.	низкий (грубый) вакуум	Давление можно создать с помощью простых материалов (например, обычной стали) и объемных вакуумных насосов; вязкий режим течения газов
От <100 Па до 0,1 Па	средний (тонкий) вакуум	Давление может быть достигнуто с помощью сложных материалов (например, нержавеющей стали) и объемных вакуумных насосов; переходный режим течения газов
от <0,1 Па до 1 × 10 −6 Хорошо	высокий вакуум (ВВ)	Давление может быть достигнуто с помощью сложных материалов (например, нержавеющей стали), эластомерных уплотнений и насосов высокого вакуума; молекулярный режим течения газов
< 1 × 10 −6 Па до 1 × 10 −9 Хорошо	сверхвысокий вакуум (СВВ)	Давление может быть достигнуто с помощью сложных материалов (например, низкоуглеродистой нержавеющей стали), металлических уплотнений, специальной подготовки и очистки поверхности, прокаливания и высоковакуумных насосов; молекулярный режим течения газов
ниже 1 × 10 −9 Хорошо	сверхвысокий вакуум (XHV)	Давление может быть достигнуто с помощью сложных материалов (например, низкоуглеродистой нержавеющей стали, полученной в вакууме, алюминия, меди-бериллия, титана), металлических уплотнений, специальной подготовки и очистки поверхности, прокаливания и дополнительных геттерных насосов; молекулярный режим течения газов

• Атмосферное давление является переменным, но 101,325 и 100 килопаскалей (1013,25 и 1000,00 мбар) являются общими стандартными или эталонными давлениями .
• Глубокий космос , как правило, гораздо более пуст, чем любой искусственный вакуум. Он может соответствовать или не соответствовать приведенному выше определению высокого вакуума, в зависимости от того, какая область космоса и астрономические тела рассматриваются. Например, МФП межпланетного пространства меньше размеров Солнечной системы, но больше малых планет и спутников. В результате солнечные ветры демонстрируют непрерывный поток в масштабах Солнечной системы, но их следует рассматривать как бомбардировку частиц по отношению к Земле и Луне.
• Идеальный вакуум – это идеальное состояние полного отсутствия частиц. Этого невозможно достичь в лаборатории , хотя могут существовать небольшие объемы, в которых на короткое время не будет частиц материи. Даже если бы все частицы материи были удалены, все равно остались бы фотоны и гравитоны , а также темная энергия , виртуальные частицы и другие аспекты квантового вакуума .

Относительное и абсолютное измерение

Вакуум измеряется в единицах давления , обычно как вычитание относительно окружающего атмосферного давления на Земле. Но величина относительного измеримого вакуума варьируется в зависимости от местных условий. На поверхности Венеры , где атмосферное давление на уровне земли намного выше, чем на Земле, были бы возможны гораздо более высокие показания относительного вакуума. На поверхности Луны, почти лишенной атмосферы, было бы крайне сложно создать измеримый вакуум относительно местной окружающей среды.

Точно так же в глубине земного океана возможны значения относительного вакуума, намного превышающие обычные. поддерживающая Подводная лодка, внутреннее давление в 1 атмосферу и погруженная на глубину 10 атмосфер (98 метров; столб морской воды высотой 9,8 метра имеет эквивалентный вес 1 атм), фактически представляет собой вакуумную камеру, удерживающую сокрушающее внешнее давление воды, хотя Давление в 1 атм внутри подводной лодки обычно не считается вакуумом.

Поэтому, чтобы правильно понять последующие обсуждения измерения вакуума, важно, чтобы читатель предположил, что относительные измерения проводятся на Земле на уровне моря, при ровно 1 атмосфере окружающего атмосферного давления.

Измерения относительно 1 атм

Стеклянный манометр МакЛеода, лишенный ртути.

Единицей системе СИ давления в является паскаль (символ Па), но вакуум часто измеряется в торрах , названных в честь итальянского физика Торричелли (1608–1647). Торр равен смещению миллиметра ртутного столба ( мм рт. ст. ) в манометре , при этом 1 торр равен 133,3223684 паскаля выше абсолютного нулевого давления. Вакуум часто также измеряется по барометрической шкале или в процентах от атмосферного давления в барах или атмосферах . Низкий вакуум часто измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) или паскалях (Па) ниже стандартного атмосферного давления. «Ниже атмосферного» означает, что абсолютное давление равно текущему атмосферному давлению.

Другими словами, большинство манометров низкого вакуума, которые показывают, например, 50,79 Торр. Многие недорогие низковакуумные манометры имеют погрешность и могут показывать вакуум 0 Торр, но на практике для этого обычно требуется двухступенчатый пластинчато-роторный или вакуумный насос другого среднего типа, чтобы выйти за пределы (ниже) 1 Торр.

Измерительные инструменты

Многие устройства используются для измерения давления в вакууме, в зависимости от того, какой диапазон вакуума необходим.

Гидростатические датчики (например, ртутный столбчатый манометр ) состоят из вертикального столба жидкости в трубке, концы которой подвергаются разному давлению. Колонка будет подниматься или опускаться до тех пор, пока ее вес не придет в равновесие с перепадом давления между двумя концами трубки. Самая простая конструкция представляет собой U-образную трубку с закрытым концом, одна сторона которой соединена с исследуемой областью. Можно использовать любую жидкость, но ртуть предпочтительнее из-за ее высокой плотности и низкого давления паров. Простые гидростатические манометры могут измерять давление в диапазоне от 1 торра (100 Па) до давления выше атмосферного. Важным вариантом является манометр МакЛеода , который изолирует известный объем вакуума и сжимает его, чтобы увеличить изменение высоты столба жидкости. Манометр МакЛеода может измерять вакуум до 10 ⁻⁶ торр (0,1 мПа), что является самым низким показателем прямого измерения давления, возможным с помощью современных технологий. Другие вакуумметры могут измерять более низкие давления, но только косвенно, измеряя другие свойства, контролируемые давлением. Эти косвенные измерения должны быть откалиброваны с помощью прямого измерения, чаще всего с помощью датчика МакЛеода.

Кенотометр — это особый тип гидростатического датчика, который обычно используется на электростанциях, использующих паровые турбины. Кенотометр измеряет вакуум в паровом пространстве конденсатора, то есть выхлопе последней ступени турбины.

Механические или эластичные манометры зависят от трубки Бурдона, диафрагмы или капсулы, обычно изготовленной из металла, которая меняет форму в ответ на давление в рассматриваемой области. Разновидностью этой идеи является емкостной манометр , в котором диафрагма является частью конденсатора. Изменение давления приводит к изгибу диафрагмы, что приводит к изменению емкости. Эти датчики эффективны от 10 ³ торр до 10 ⁻⁴ Торр и не только.

Датчики теплопроводности основаны на том факте, что способность газа проводить тепло уменьшается с увеличением давления. В этом типе датчика проволочная нить нагревается, пропуская через нее ток. термопару термометр или сопротивления Затем для измерения температуры нити можно использовать (RTD). Эта температура зависит от скорости, с которой нить отдает тепло окружающему газу, и, следовательно, от теплопроводности. Распространенным вариантом является датчик Пирани , в котором используется одна платиновая нить как в качестве нагревательного элемента, так и в качестве термометра сопротивления. Эти манометры имеют точность от 10 торр до 10. ⁻³ торр, но они чувствительны к химическому составу измеряемых газов.

Ионизационные датчики используются в сверхвысоком вакууме. Они бывают двух типов: с горячим катодом и с холодным катодом. В версии с горячим катодом электрически нагретая нить создает электронный луч. Электроны проходят через датчик и ионизируют молекулы газа вокруг себя. Образовавшиеся ионы собираются на отрицательном электроде. Ток зависит от количества ионов, которое зависит от давления в манометре. Датчики с горячим катодом имеют точность от 10 ⁻³ торр до 10 ⁻¹⁰ торр. Принцип версии с холодным катодом тот же, за исключением того, что электроны производятся в разряде, создаваемом электрическим разрядом высокого напряжения. Манометры с холодным катодом имеют точность от 10 ⁻² торр до 10 ⁻⁹ торр. Калибровка ионизационного датчика очень чувствительна к геометрии конструкции, химическому составу измеряемых газов, коррозии и поверхностным отложениям. Их калибровка может быть признана недействительной при активации при атмосферном давлении или низком вакууме. Состав газов в условиях высокого вакуума обычно непредсказуем, поэтому для точных измерений необходимо использовать масс-спектрометр в сочетании с ионизационным датчиком.

Использование

Лампочки содержат частичный вакуум, обычно заполненный аргоном , который защищает вольфрамовую нить.

Вакуум полезен во многих процессах и устройствах. Его первое широкое применение было в лампочках накаливания для защиты нити накала от химического разложения. Химическая инертность, создаваемая вакуумом, также полезна для электронно-лучевой сварки , холодной сварки , вакуумной упаковки и вакуумной жарки . Сверхвысокий вакуум используется при исследовании атомарно чистых подложек, поскольку только очень хороший вакуум сохраняет атомно-чистые поверхности в течение достаточно длительного времени (от минут до дней). Вакуум от высокого до сверхвысокого устраняет препятствия для воздуха, позволяя пучкам частиц наносить или удалять материалы без загрязнения. Этот принцип лежит в основе химического осаждения из паровой фазы , физического осаждения из паровой фазы и сухого травления , которые необходимы для изготовления полупроводников и оптических покрытий , а также для науки о поверхности . Уменьшение конвекции обеспечивает теплоизоляцию термоса . Глубокий вакуум снижает температуру кипения жидкостей и способствует низкотемпературному выделению газов. который используется при сублимационной сушке , приготовлении клея , дистилляции , металлургии и технологической продувке. Электрические свойства вакуума делают возможными электронные микроскопы и вакуумные трубки , в том числе электронно-лучевые трубки . Вакуумные прерыватели используются в электрических распределительных устройствах. Вакуумно-дуговые процессы имеют промышленное значение для производства определенных марок стали или материалов высокой чистоты. Устранение трения воздуха полезно для маховиков хранения энергии и ультрацентрифуг .

Этот насос для мелководных скважин снижает атмосферное давление воздуха внутри камеры насоса. Атмосферное давление распространяется вниз в скважину и заставляет воду подниматься по трубе в насос, чтобы уравновесить пониженное давление. Надземные насосные камеры эффективны только на глубине примерно 9 метров из-за веса водяного столба, уравновешивающего атмосферное давление.

Машины с вакуумным приводом

обычно используются вакуумы Для создания всасывания , которые имеют еще более широкий спектр применения. использовал Паровой двигатель Ньюкомена вакуум вместо давления для приведения в движение поршня. В 19 веке вакуум использовался для тяги на Исамбарда Кингдом Брюнеля экспериментальной атмосферной железной дороге . Вакуумные тормоза когда-то широко использовались в поездах в Великобритании, но, за исключением старых железных дорог , они были заменены пневматическими тормозами .

Вакуумный коллектор можно использовать для привода аксессуаров на автомобилях . Наиболее известным применением является вакуумный сервопривод , используемый для усиления тормозов . с вакуумным приводом Устаревшие приложения включают стеклоочистители и Autovac топливные насосы . Некоторые авиационные приборы ( Индикатор ориентации (AI) и Индикатор курса (HI) ), как правило, имеют вакуумный привод в качестве защиты от потери всех приборов (с электрическим приводом), поскольку ранние самолеты часто не имели электрических систем, и поскольку существует два легкодоступные источники вакуума на движущемся самолете, двигателе и внешней трубке Вентури. Вакуумная индукционная плавка использует электромагнитную индукцию в вакууме.

Поддержание вакуума в конденсаторе — важный аспект эффективной работы паровых турбин . пароструйный эжектор или водокольцевой вакуумный насос Для этой цели используется . Типичный вакуум, поддерживаемый в паровом пространстве конденсатора на выходе из турбины (также называемый противодавлением конденсатора), находится в диапазоне от 5 до 15 кПа (абсолютный), в зависимости от типа конденсатора и условий окружающей среды.

дегазация

Основная статья: Дегазация

Испарение и сублимация в вакуум называется дегазацией . Все материалы, твердые или жидкие, имеют небольшое давление пара , и их выделение газа становится важным, когда давление вакуума падает ниже этого давления пара. Дегазация имеет тот же эффект, что и утечка, и ограничивает достижимый вакуум. Продукты газовыделения могут конденсироваться на близлежащих более холодных поверхностях, что может быть проблематичным, если они затеняют оптические приборы или вступают в реакцию с другими материалами. Это вызывает серьезную озабоченность при космических миссиях, где затененный телескоп или солнечный элемент могут разрушить дорогостоящую миссию.

Наиболее распространенным продуктом газовыделения в вакуумных системах является вода, поглощенная материалами камеры. Его можно уменьшить путем высушивания или запекания камеры и удаления абсорбирующих материалов. Выделенная газом вода может конденсироваться в масле пластинчато -роторных насосов и резко снижать их полезную скорость, если не используется газовая балластировка. Системы высокого вакуума должны быть чистыми и не содержать органических веществ, чтобы свести к минимуму выделение газа.

Системы сверхвысокого вакуума обычно подвергаются сушке, предпочтительно под вакуумом, чтобы временно поднять давление паров всех выделяющих газ материалов и выпарить их. После того, как основная часть выделяющих газ материалов выпарится и откачается, систему можно охладить, чтобы снизить давление паров и свести к минимуму остаточное выделение газов во время фактической эксплуатации. Некоторые системы охлаждаются до температуры значительно ниже комнатной с помощью жидкого азота, чтобы остановить остаточную дегазацию и одновременно в криогенном режиме закачать систему .

Насос и давление окружающего воздуха

В глубоких колодцах насосная камера расположена внизу, близко к поверхности воды или в воде. «Насосная штанга» проходит от рукоятки вниз по центру трубы глубоко в скважину и приводит в действие плунжер. Рукоятка насоса действует как тяжелый противовес как весу насосной штанги, так и весу столба воды, стоящего на верхнем плунжере до уровня земли.

Основная статья: Вакуумный насос

Жидкости, как правило, невозможно вытянуть, поэтому вакуум не может быть создан путем всасывания . Всасывание может распространять и разбавлять вакуум, позволяя жидкости проникать в него под более высоким давлением, но сначала необходимо создать вакуум, прежде чем произойдет всасывание. Самый простой способ создать искусственный вакуум — расширить объем контейнера. Например, мышца диафрагмы расширяет грудную полость, из-за чего увеличивается объем легких. Это расширение снижает давление и создает частичный вакуум, который вскоре заполняется воздухом, вытесненным атмосферным давлением.

Чтобы продолжать вакуумирование камеры бесконечно, не требуя бесконечного роста, вакуумный отсек можно неоднократно перекрывать, опорожнять и снова расширять. На этом принципе основаны объемные насосы , такие как, например, ручной водяной насос. Внутри насоса механизм расширяет небольшую герметичную полость, создавая вакуум. Из-за перепада давления некоторое количество жидкости из камеры (или скважины, в нашем примере) выталкивается в небольшую полость насоса. Затем полость насоса изолируется от камеры, открывается в атмосферу и сжимается до мельчайших размеров.

Вид в разрезе турбомолекулярного насоса , насоса для передачи импульса, используемого для достижения высокого вакуума.

Приведенное выше объяснение представляет собой простое введение в вакуумную откачку и не отражает весь спектр используемых насосов. Было разработано множество вариантов объемного насоса, и многие другие конструкции насосов основаны на принципиально других принципах. Насосы для передачи импульса , которые имеют некоторое сходство с динамическими насосами, используемыми при более высоких давлениях, могут обеспечить гораздо более качественный вакуум, чем насосы объемного типа. Улавливающие насосы могут улавливать газы в твердом или абсорбированном состоянии, часто без движущихся частей, уплотнений и вибрации. Ни один из этих насосов не является универсальным; каждый тип имеет важные ограничения производительности. Все они имеют общие трудности с перекачкой низкомолекулярных газов, особенно водорода , гелия и неона .

Минимальное давление, которого можно достичь в системе, также зависит от многих факторов, помимо типа насосов. Несколько насосов могут быть соединены последовательно (так называемые ступени) для достижения более высокого вакуума. Выбор уплотнений, геометрии камеры, материалов и процедур откачки будет иметь значение. В совокупности они называются вакуумной техникой . И иногда конечное давление — не единственная значимая характеристика. Насосные системы различаются загрязнением масла, вибрацией, преимущественной откачкой определенных газов, скоростью откачки, прерывистым рабочим циклом, надежностью или устойчивостью к высоким уровням утечек.

В системах сверхвысокого вакуума необходимо учитывать некоторые очень «странные» пути утечки и источники газовыделения. Водопоглощение алюминия и палладия становится неприемлемым источником газовыделения, и даже адсорбционную способность твердых металлов, таких как нержавеющая сталь или титан необходимо учитывать . Некоторые масла и смазки выкипают в условиях сильного вакуума. Возможно, придется учитывать проницаемость металлических стенок камеры, а направление волокон металлических фланцев должно быть параллельно их поверхности.

Самое низкое давление, достижимое в настоящее время в лаборатории, составляет около 1 × 10. ⁻¹³ торс (13 пПа). Однако давление всего 5 × 10 ⁻¹⁷ Торр (6,7 фПа) были косвенно измерены в криогенной вакуумной системе при температуре 4 К (-269,15 ° C; -452,47 ° F). Это соответствует ≈100 частиц/см. ³ .

Воздействие на человека и животных

См. Также: Воздействие космоса и неконтролируемая декомпрессия.

На этой картине Эксперимент над птицей в воздушном насосе» « Джозефа Райта из Дерби , 1768 год, изображен эксперимент, проведенный Робертом Бойлем в 1660 году.

Люди и животные, подвергшиеся воздействию вакуума, теряют сознание через несколько секунд и умирают от гипоксии в течение нескольких минут, но симптомы не так очевидны, как обычно изображают в средствах массовой информации и популярной культуре. Снижение давления снижает температуру кипения крови и других жидкостей организма, но упругое давление кровеносных сосудов обеспечивает сохранение этой точки кипения выше внутренней температуры тела 37 °С. Хотя кровь не закипает, образование пузырьков газа в жидкостях организма при пониженном давлении, известное как эбуллизм , по-прежнему вызывает беспокойство. Газ может раздуть тело вдвое по сравнению с нормальным размером и замедлить кровообращение, но ткани достаточно эластичны и пористы, чтобы предотвратить разрыв. Отек и вздутие живота можно сдержать, надев летный костюм . Астронавты шаттла носили облегающую эластичную одежду, называемую костюмом для защиты экипажа от высоты (CAPS), который предотвращает вздутие живота при давлении всего 2 кПа (15 Торр). Быстрое кипячение охладит кожу и создаст иней, особенно во рту, но это не представляет серьезной опасности.

Эксперименты на животных показывают, что быстрое и полное выздоровление является нормальным при воздействии менее 90 секунд, в то время как более длительное воздействие на все тело приводит к летальному исходу, а реанимация никогда не была успешной. Исследование НАСА на восьми шимпанзе показало, что все они выжили в условиях вакуума в течение двух с половиной минут. Доступен лишь ограниченный объем данных о несчастных случаях с участием человека, но они согласуются с данными о животных. Конечности могут подвергаться воздействию гораздо дольше, если дыхание не нарушено. Роберт Бойль в 1660 году первым показал, что вакуум смертелен для мелких животных.

Эксперимент показывает, что растения способны выживать в условиях низкого давления (1,5 кПа) около 30 минут.

Холодная или богатая кислородом атмосфера может поддерживать жизнь при давлении намного ниже атмосферного, если плотность кислорода аналогична плотности стандартной атмосферы на уровне моря. Более низкие температуры воздуха на высоте до 3 км обычно компенсируют более низкое давление там. Выше этой высоты необходимо обогащение кислородом для предотвращения горной болезни у людей, не прошедших предварительную акклиматизацию , а скафандры необходимы для предотвращения кипения на высоте выше 19 км. Большинство скафандров используют только 20 кПа (150 Торр) чистого кислорода. Это давление достаточно велико, чтобы предотвратить эбуллизм, но декомпрессионная болезнь и газовая эмболия все равно могут возникнуть, если не контролировать скорость декомпрессии.

Быстрая декомпрессия может быть гораздо опаснее, чем само воздействие вакуума. Даже если пострадавший не задерживает дыхание, вентиляция через дыхательное горло может быть слишком медленной, чтобы предотвратить фатальный разрыв альвеол легких нежных . Барабанные перепонки и пазухи могут быть разорваны в результате быстрой декомпрессии, мягкие ткани могут повредиться и просачиваться кровью, а шоковый стресс ускорит потребление кислорода, что приведет к гипоксии. Травмы, вызванные быстрой декомпрессией, называются баротравмами . Падение давления на 13 кПа (100 Торр), которое не вызывает никаких симптомов, если оно происходит постепенно, может оказаться фатальным, если произойдет внезапно.

Некоторые экстремофильные микроорганизмы , такие как тихоходки , могут выживать в условиях вакуума в течение нескольких дней или недель.

Примеры

См. Также: Вакуумный насос

	Давление (Па или кПа)	Давление (Торр, атм)	Средний свободный путь	Молекулы на см 3
Стандартная атмосфера , для сравнения	101,325 кПа	760 торр (1,00 атм)	66 нм	2.5 × 10 19
Сильный ураган	ок. от 87 до 95 кПа	от 650 до 710
Пылесос	примерно 80 кПа	600	70 нм	10 19
Выхлоп паровой турбины ( противодавление конденсатора )	9 кПа
жидкостно-кольцевой вакуумный насос	примерно 3,2 кПа	24 торра (0,032 атм)	1,75 мкм	10 18
Атмосфера Марса	от 1155 до 0,03 кПа (в среднем 0,6 кПа).	От 8,66 до 0,23 торра (от 0,01139 до 0,00030 атм)
сублимационная сушка	100 к 10	от 1 до 0,1	от 100 мкм до 1 мм	10 16 до 10 15
Лампа накаливания	10 к 1	От 0,1 до 0,01 торра (от 0,000132 до 1,3 × 10 −5 банкомат)	от 1 мм до 1 см	10 15 до 10 14
Термос	от 1 до 0,01	1 × 10 −2 до 1 × 10 −4 торры (1,316 × 10 −5 до 1,3 × 10 −7 банкомат)	от 1 см до 1 м	10 14 до 10 12
Земная термосфера	от 1 Па до 1 × 10 −7	10 −2 до 10 −9	1 см до 100 км	10 14 до 10 7
Вакуумная трубка	1 × 10 −5 до 1 × 10 −8	10 −7 до 10 −10	от 1 до 1000 км	10 9 до 10 6
с крионакачкой МПЭ Камера	1 × 10 −7 до 1 × 10 −9	10 −9 до 10 −11	От 100 до 10 000 км	10 7 до 10 5
Давление на Луну	примерно 1 × 10 −9	10 −11	10 000 км	4 × 10 5
Плотная туманность				10,000
Межпланетное пространство				11
Межзвездное пространство				1
Межгалактическое пространство				10 −6

См. также

• Распад вакуума ( Рождение пар )
• Вакуум двигателя
• Ложный вакуум
• Гелиевый масс-спектрометр - технические приборы для обнаружения утечки вакуума.
• Вакуумная пайка
• Пневматическая трубка - транспортная система, использующая вакуум или давление для перемещения контейнеров в трубках.
• Разрежение – уменьшение плотности среды.
• Всасывание – создание частичного вакуума.
• Тета-вакуум - вакуумное состояние полуклассических чистых теорий Янга Миллса.
• Вактрен
• Вакуумная цементация – естественный процесс затвердевания однородной «пыли» в вакууме.
• Вакуумная колонна - контроль незакрепленной магнитной ленты в ранних компьютерных ленточных накопителях для записи данных.
• Вакуумное осаждение - процесс осаждения атомов и молекул в среде с давлением ниже атмосферного.
• Вакуумная техника
• Вакуумный фланец – соединение вакуумных систем

Ссылки

• Хеннинг Генц (2001). Ничто: наука о пустом пространстве . Да Капо Пресс. ISBN  978-0-7382-0610-3 .
• Лучано Бой (2011). Квантовый вакуум: научная и философская концепция, от электродинамики до теории струн и геометрии микроскопического мира . Издательство Университета Джонса Хопкинса. ISBN  978-1-4214-0247-5 .

Внешние ссылки

• Лейболд – Основы вакуумной техники (PDF)
• ВИДЕО о природе вакуума канадского астрофизика доктора П.
• Основы технологии вакуумного нанесения покрытий
• Американское вакуумное общество
• Журнал вакуумной науки и техники A
• Журнал вакуумной науки и техники B
• Часто задаваемые вопросы по взрывной декомпрессии и вакуумному воздействию .
• Обсуждение последствий воздействия жесткого вакуума на человека .
• Робертс, Марк Д. (2000). «Энергия вакуума». Физика высоких энергий – Теория : hep–th/0012062. arXiv : hep-th/0012062 . Бибкод : 2000hep.th...12062R .
• Вакуум, производство космоса
• «Много шума из ничего», профессор Джон Д. Барроу, Грешам-колледж
• Бесплатная копия книги «Структурированный вакуум – ни о чем не думая» и Берндта Мюллера Иоганна Рафельского (1985) в формате PDF. ISBN   3-87144-889-3 .