Vakuumas yra erdvė, kurioje nėra materijos. Taikomojoje fizikoje ir technologijoje tai reiškia terpę, kurioje dujų slėgis mažesnis už atmosferos slėgį. Kas buvo retintos dujos, kai jos buvo pirmą kartą atrastos?
Istorijos puslapiai
Tuštumos idėja šimtmečius buvo ginčų objektas. Retos dujos bandė analizuoti senovės graikų ir romėnų filosofus. Demokritas, Lukrecijus, jų mokiniai tikėjo: jei tarp atomų nebūtų laisvos vietos, jų judėjimas būtų neįmanomas.
Aristotelis ir jo pasekėjai paneigė šią koncepciją, jų nuomone, gamtoje neturėtų būti „tuštumos“. Viduramžiais Europoje „tuštumos baimės“idėja tapo prioritetine, ji buvo naudojama religiniams tikslams.
Senovės Graikijos mechanika kurdama techninius įrenginius rėmėsi oro retėjimu. Pavyzdžiui, vandens siurbliai, kurie veikė, kai virš stūmoklio buvo sukurtas vakuumas, atsirado Aristotelio laikais.
Sumažėjusi dujų, oro, būklė tapo stūmoklinių vakuuminių siurblių, kurie šiuo metu plačiai naudojami technologijose, gamybos pagrindu.
Jų prototipas buvo garsusis Aleksandrijos Herono stūmoklinis švirkštas, kurį jis sukūrėištraukti pūlius.
XVII amžiaus viduryje buvo sukurta pirmoji vakuuminė kamera, o po šešerių metų vokiečių mokslininkas Otto von Guerick sugebėjo išrasti pirmąjį vakuuminį siurblį.
Šis stūmoklinis cilindras lengvai išpumpuodavo orą iš sandarios talpyklos, sukurdamas vakuumą. Tai leido ištirti pagrindines naujosios valstybės charakteristikas, išanalizuoti jos eksploatacines savybes.
Techninis siurblys
Praktikoje reta dujų, oro būsena vadinama techniniu vakuumu. Dideliais kiekiais tokios idealios būsenos pasiekti neįmanoma, nes tam tikroje temperatūroje medžiagų sočiųjų garų tankis yra lygus nuliui.
Neįmanoma pasiekti idealaus vakuumo taip pat yra dujinių medžiagų perdavimas per stiklą, metalines indų sienas.
Nedideliais kiekiais visiškai įmanoma gauti išretintų dujų. Kaip retėjimo matas naudojamas atsitiktinai susidūrusių dujų molekulių laisvas kelias, taip pat linijinis naudojamo indo dydis.
Techniniu vakuumu galima laikyti dujas vamzdyne ar inde, kurių slėgio vertė mažesnė nei atmosferoje. Žemas vakuumas susidaro, kai dujų atomai ar molekulės nustoja vienas su kitu susidurti.
Tarp didelio vakuumo siurblio ir atmosferos oro įrengiamas priekinis vakuumas, kuris sukuria preliminarų vakuumą. Vėlesnio slėgio kameros sumažėjimo atveju pastebimas dujinių dalelių kelio ilgio padidėjimas.medžiagos.
Kai slėgis yra nuo 10 -9 Pa, susidaro itin didelis vakuumas. Būtent šios išretintos dujos naudojamos atliekant eksperimentus naudojant skenuojantį tunelinį mikroskopą.
Tokią būseną kai kurių kristalų porose galima gauti net esant atmosferos slėgiui, nes porų skersmuo yra daug mažesnis nei laisvos dalelės laisvas kelias.
Vakuuminiai prietaisai
Sumažėjusi dujų būsena aktyviai naudojama įrenginiuose, vadinamuose vakuuminiais siurbliais. Getteriai naudojami dujoms siurbti ir tam tikram vakuumo laipsniui gauti. Vakuuminė technologija taip pat apima daugybę prietaisų, kurie yra būtini šiai būsenai valdyti ir matuoti, taip pat valdyti objektus, atlikti įvairius technologinius procesus. Sudėtingiausi techniniai įrenginiai, kuriuose naudojamos retintos dujos, yra aukšto vakuumo siurbliai. Pavyzdžiui, difuzijos įtaisai veikia likutinių dujų molekulių judėjimo pagrindu veikiant darbiniam dujų srautui. Net ir esant idealiam vakuumui, pasiekus galutinę temperatūrą, šiluminė spinduliuotė yra nedidelė. Tai paaiškina pagrindines išretintų dujų savybes, pavyzdžiui, terminės pusiausvyros atsiradimą po tam tikro laiko tarpo tarp kūno ir vakuuminės kameros sienelių.
Retos monoatominės dujos yra puikus šilumos izoliatorius. Jame šiluminės energijos perdavimas atliekamas tik naudojant spinduliuotę, šilumos laidumas ir konvekcija nėrayra stebimi. Ši savybė naudojama Dewar induose (termoziuose), sudarytuose iš dviejų talpyklų, tarp kurių yra vakuumas.
Vakuumas plačiai naudojamas radijo vamzdeliuose, pavyzdžiui, kineskopų magnetronuose, mikrobangų krosnelėse.
Fizinis vakuumas
Kvantinėje fizikoje tokia būsena reiškia pagrindinę (mažiausią) kvantinio lauko energijos būseną, kuri apibūdinama nulinėmis kvantinių skaičių reikšmėmis.
Esant tokiai būsenai, monoatominės dujos nėra visiškai tuščios. Remiantis kvantine teorija, virtualios dalelės sistemingai atsiranda ir išnyksta fiziniame vakuume, o tai sukelia nulinius laukų svyravimus.
Teoriškai vienu metu gali egzistuoti keli skirtingi vakuumai, kurie skiriasi energijos tankiu ir kitomis fizinėmis savybėmis. Ši idėja tapo infliacinio Didžiojo sprogimo teorijos pagrindu.
Klaidingas vakuumas
Tai reiškia lauko būseną kvantinėje teorijoje, kuri nėra būsena su minimalia energija. Jis yra stabilus per tam tikrą laikotarpį. Pasiekus reikiamas pagrindinių fizikinių dydžių vertes, yra galimybė klaidingą būseną „tuneluoti“į tikrą vakuumą.
Kosmosas
Kalbant apie tai, ką reiškia retintos dujos, būtina pasilikti ties „kosminio vakuumo“sąvoka. Galima laikyti, kad jis yra artimas fiziniam vakuumui, bet egzistuoja tarpžvaigždiniameerdvė. Planetos, jų natūralūs palydovai, daugelis žvaigždžių turi tam tikras patrauklias jėgas, kurios palaiko atmosferą tam tikru atstumu. Kai tolstate nuo žvaigždės objekto paviršiaus, pasikeičia išretėjusių dujų tankis.
Pavyzdžiui, yra Karmano linija, kuri laikoma bendra planetos ribos išorinės erdvės apibrėžimu. Už jo izotropinio dujų slėgio vertė smarkiai sumažėja, palyginti su saulės spinduliuote ir dinaminiu saulės vėjo slėgiu, todėl sunku interpretuoti išretintų dujų slėgį.
Kosmosas pilnas fotonų, neutrinų liekanų, kuriuos sunku aptikti.
Matavimo funkcijos
Vakuumo laipsnis paprastai nustatomas pagal sistemoje likusios medžiagos kiekį. Pagrindinė šios būsenos matavimo charakteristika yra absoliutus slėgis, be to, atsižvelgiama į cheminę dujų sudėtį ir temperatūrą.
Svarbus vakuumo parametras yra vidutinė sistemoje likusių dujų kelio ilgio vertė. Vakuumas skirstomas į tam tikrus diapazonus pagal matavimams reikalingą technologiją: klaidingas, techninis, fizinis.
Vakuuminis formavimas
Tai gaminių gamyba iš modernių termoplastinių medžiagų karštu pavidalu, naudojant žemą oro slėgį arba vakuumą.
Vakuuminis formavimas laikomas tempimo metodu, dėl kurio šildomas lakštinis plastikas,esantis virš matricos, iki tam tikros temperatūros vertės. Tada lapas pakartoja matricos formą. Taip yra dėl to, kad tarp jo ir plastiko susidaro vakuumas.
Elektrovakuuminiai įrenginiai
Tai įrenginiai, skirti sukurti, stiprinti ir konvertuoti elektromagnetinę energiją. Tokiame įrenginyje iš darbo erdvės pašalinamas oras, o apsaugai nuo aplinkos naudojamas nepralaidus apvalkalas. Tokių prietaisų pavyzdžiai yra elektroniniai vakuuminiai įtaisai, kuriuose elektronai telpa vakuume. Kaitinamosios lempos taip pat gali būti laikomos vakuuminiais įtaisais.
Dujos esant žemam slėgiui
Dujos vadinamos retintomis, jei jų tankis yra nereikšmingas, o molekulinio kelio ilgis yra panašus į indo, kuriame yra dujos, dydį. Esant tokiai būsenai, stebimas elektronų skaičiaus mažėjimas proporcingai dujų tankiui.
Labai retų dujų atveju vidinės trinties praktiškai nėra. Vietoj to atsiranda judančių dujų išorinė trintis į sienas, o tai paaiškinama molekulių impulso pasikeitimu, kai jos susiduria su indu. Esant tokiai situacijai, yra tiesioginis proporcingumas tarp dalelių greičio ir dujų tankio.
Esant mažam vakuumui, stebimi dažni viso tūrio dujų dalelių susidūrimai, kuriuos lydi stabilūs šiluminės energijos mainai. Tai paaiškina perdavimo reiškinį (difuzija, šilumos laidumas), kuris aktyviai naudojamas šiuolaikinėse technologijose.
Retintų dujų gavimas
Vakuuminių prietaisų moksliniai tyrimai ir kūrimas prasidėjo XVII amžiaus viduryje. 1643 m. italui Torricelli pavyko nustatyti atmosferos slėgio vertę, o O. Guericke'ui išradus mechaninį stūmoklinį siurblį su specialiu vandens sandarikliu, atsirado reali galimybė atlikti daugybę išretintų dujų charakteristikų tyrimų. Kartu buvo tiriamos ir vakuumo poveikio gyvoms būtybėms galimybės. Eksperimentai, atlikti vakuume su elektros išlydžiu, padėjo atrasti neigiamą elektroną, rentgeno spinduliuotę.
Dėka vakuumo šilumą izoliuojančios savybės, atsirado galimybė paaiškinti šilumos perdavimo būdus, panaudoti teorinę informaciją kuriant šiuolaikines kriogenines technologijas.
Vakuumo naudojimas
1873 m. buvo išrastas pirmasis elektrovakuuminis prietaisas. Jie tapo kaitinamosiomis lempomis, kurias sukūrė rusų fizikas Lodyginas. Nuo to laiko išsiplėtė praktinis vakuuminės technologijos panaudojimas, atsirado naujų metodų šiai būsenai gauti ir tirti.
Per trumpą laiką buvo sukurti įvairių tipų vakuuminiai siurbliai:
- rotacinis;
- kriosorbcija;
- molekulinė;
- difuzija.
Dvidešimtojo amžiaus pradžioje akademikas Lebedevas sugebėjo patobulinti vakuuminės pramonės mokslinius pagrindus. Iki praėjusio amžiaus vidurio mokslininkai neleido gauti mažesnio nei 10-6 Pa slėgio.
BŠiuo metu vakuuminės sistemos yra pagamintos iš metalo, kad būtų išvengta nuotėkio. Vakuuminiai kriogeniniai siurbliai naudojami ne tik tyrimų laboratorijose, bet ir įvairiose pramonės šakose.
Pavyzdžiui, sukūrus specialias evakuacijos priemones, kurios neteršia naudojamo objekto, atsirado naujos vakuuminės technologijos panaudojimo perspektyvos. Chemijoje tokios sistemos aktyviai naudojamos kokybinei ir kiekybinei grynų medžiagų savybių analizei, mišinio atskyrimui į komponentus, įvairių procesų greičio analizei.
