пылесос

В 1657 году Отто фон Герике продемонстрировал эффект вакуума с помощью своих магдебургских полушарий.

Внешнее давление воздуха сжимает магдебургские полушария вместе
а) полусферы, заполненные воздухом
б) безвоздушные полусферы
1. ручка
2. герметичное уплотнение
3. магдебургское полушарие
4. давление воздуха
5. (в основном) вакуум

Колпак с поршневым вакуумным насосом для школьных экспериментов

В технической практике вакуум - это пространство, в котором по большей части нет материи . В вакууме нет твердых предметов или жидкостей, только очень мало газа и, следовательно, очень низкое давление газа . Технический вакуум создается путем удаления молекул (газа) из емкости с помощью насоса ; давление в нем падает (давление газа возникает при столкновении молекул газа со стенкой емкости). Перекачивание создает отрицательное давление, то есть давление ниже давления окружающей среды. Если давление в контейнере опускается ниже 300 мбар и молекулы удаляются все дальше и дальше из комнаты, один за другим получают грубый вакуум, тонкий вакуум, высокий вакуум и, наконец, сверхвысокий вакуум. Создание вакуума также означает «откачку». Технический вакуум, каким он мог быть создан в начале 20 века, стал предпосылкой для внедрения ламп накаливания и электронных ламп . С тех пор был разработан широкий спектр вакуумных технологий.

В физике вакуум также обозначает теоретическое понятие, а именно полное отсутствие материи в пространственной области.

Возможность вакуума

В известной Вселенной нет полного вакуума, и его невозможно создать известными техническими средствами. Это пространство , например, заполнено тонким газом водородом.

Вопрос о теоретической возможности пустого пространства был впервые  поставлен на Западе греческими философами до Сократа - досократиками . Их отправной точкой был не научный вопрос о пустом пространстве, а более общий философский вопрос ни о чем - можно ли об этом думать. На том же философском фоне Эмпедокл (около 433 г. до н.э.) и Левкипп (от около 450 до около 420 г. до н.э.), а также Демокрит (от около 460 до около 370 г. до н.э.) обратились к вопросу о пустом пространстве.

Вопрос о возможности абсолютно пустого пространства до сих пор не решен в физике. Согласно квантовой теории поля , виртуальные частицы постоянно создаются и уничтожаются повсюду . В общем, вакуум понимается только как отсутствие материи. В рассматриваемом помещении может присутствовать электромагнитное излучение и другие физические поля.

Определения

В разговорной речи слово «вакуум» используется в основном для обозначения вакуума. (Однако с помощью вакуумной упаковки («вакуумирования») обычно не достигается даже грубый вакуум.) В технологиях и экспериментальной физике этот термин также используется в этом смысле: вакуум описывает состояние газа в объеме при значительном давлении ниже атмосферного давления при нормальных условиях . В зависимости от преобладающего остаточного давления говорят о грубом вакууме , точном вакууме , высоком или сверхвысоком вакууме .

В квантовой теории поля вакуум - это состояние с минимально возможной энергией. Здесь числа частиц для всех типов частиц ( квантов поля ) имеют нулевое значение. Однако, если энергия нулевой точки получена из излучения Планка формулы, а затем за счетом энергии время соотношения неопределенности , то отсюда следует , что виртуальные частицы будут постоянно создаются в вакууме , а затем снова разрушены. Их также называют колебаниями вакуума .

В отличие от естественных наук философия рассматривает вакуум как совершенно пустое пространство.

История освоения

Идея вакуума, вероятно, исходит от Левкиппа или его ученика Демокрита и была опорой мировоззрения эпикурейской философии. Это утверждает, что материя состоит из неделимых мельчайших частиц (множественное число: ατόμοι atómoi ), которые движутся в пустом пространстве, то есть в вакууме, и имеют возможность движения и взаимодействия только в результате пустоты пространства. Это предположение было отвергнуто как Платоном , отрицавшим существование «небытия», так и Аристотелем , поскольку движение без движущей среды казалось невозможным. Считалось, что пространство между звездами заполнено эфиром . Аристотель постулировал отвращение природы к пустоте, что позже было обозначено латинским выражением horror vacui . В средние века и раннее Возрождение авторитетом считался Аристотель. Рене Декарт был убежден в невозможности вакуума, потому что, исходя из рационалистических соображений, он пришел к мнению, что пространство и материя по сути одно и то же.

Идея вакуума могла получить признание только через демонстрации. Первый земной (или искусственный) вакуум был создан в 1644 году Евангелистой Торричелли с помощью ртутного столба в изогнутой стеклянной трубке. Вскоре после этого Блез Паскаль в своем знаменитом эксперименте vide dans le vide в ноябре 1647 года впервые смог доказать, что вакуум действительно может существовать. Пылесос стал популярен благодаря Отто фон Герике , изобретателю воздушного насоса . В 1657 году он привязал лошадей к двум металлическим полушариям (см. Магдебургские полушария ), из которых он ранее высасывал воздух. Однако наблюдаемый эффект не является прямым свойством вакуума, а скорее связан с давлением окружающего воздуха.

Роберт Уильямс Вуд впервые наблюдал туннельный эффект в вакууме при автоэлектронной эмиссии из электронов в 1897 году , но еще не в состоянии правильно интерпретировать этот эффект.

В конце 19 века все еще считалось, что свет может распространяться не в вакууме, а в среде, так называемом эфире . Эксперимент Майкельсона-Морли тщетно пытались доказать существование такого эфира. Из-за всеобщего признания специальной теории относительности Эйнштейна с 1905 года концепция эфира считается устаревшей, и распространение света в вакууме было доказано.

Испытания на рассеяние, проведенные Эрнестом Резерфордом в 1911 году, показали, что альфа-излучение может проходить через золотую фольгу без сопротивления. Это показало , что масса из атомов сосредоточена в крошечном ядре по сравнению с их общего размером. Основываясь на этом, Нильс Бор разработал модель, согласно которой электроны вращаются вокруг ядра атома, как планеты вокруг Солнца. Таким образом, казалось, что внутри и между атомами был вакуум. Хотя эта точка зрения все еще иногда встречается в литературе, теперь считается, что внутренняя часть атомов заполнена областями, в которых расположены электроны ( атомные орбитали ).

Однако согласно сегодняшнему пониманию, как уже было описано выше, вакуум тоже не пуст, поскольку даже основное квантово-механическое состояние имеет конечную плотность энергии, что заметно, например, в эффекте Казимира или спонтанном излучении .

характеристики

Области давления

Хотя невозможно создать полностью свободное от материалов пространство, можно создать технический вакуум различного качества. В технике различают различные качества вакуума, достигаемые в зависимости от количества оставшегося вещества. По умолчанию давление указывается в паскалях (Па) или миллибарах (мбар). В июле 2019 года в соответствии с ISO 3529-1: 2019 диапазоны вакуума были разделены следующим образом:

Диапазон давления от окружающего давления до примерно 300 мбар часто называют отрицательным давлением, а не грубым вакуумом.

Термин «максимальный вакуум» для давлений ниже высокого вакуума также устарел.

При откачке сосуда механическая нагрузка от внешнего давления воздуха увеличивается до высокого вакуума. Предел точного вакуума все еще может быть легко достигнут с помощью механических насосов. В области тонких вакуумной, длина свободный пробег достигает типичные размеры вакуумных сосудов, так что вязкий поток проходит над Нудсно потоком в с молекулярным потоком . Преобладающий тип потока не только имеет фундаментальное влияние на использование вакуума, но также на создание и измерение самого вакуума один час в год, что достаточно для многих экспериментов. В области сверхвысокого вакуума давление пара строительных материалов начинает мешать, например B. Загрязнение алюминия свинцом. Идеальный вакуум технически недостижим и не поддается измерению.

Возникновение и примеры в зависимости от качества вакуума:

• Жесткий вакуум: старые лампы накаливания , конденсатор паровой турбины (≈ 0,03 бар), впускной тракт бензинового двигателя на холостом ходу (примерно 0,2 ... 0,3 бар), вакуумная упаковка (в большинстве случаев не ниже 600 мбар)
• Точный вакуум: газоразрядные лампы низкого давления , современные точные маятниковые часы
• Высокий вакуум: электронные лампы , ускорители частиц , электронные микроскопы
• Сверхвысокий вакуум: детектор гравитационных волн , ускоритель частиц, околоземное пространство, часто в системах полупроводниковой промышленности.
• чрезвычайно высокий вакуум: космос, криогенные вакуумные камеры (например, в BASE )

Измерительные приборы для определения давления газа в вакууме называются вакуумные датчики .

Физические свойства

Разрешающая способность	${\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}$	${\ textstyle \ приблизительно 8 {,} 8542 \ cdot 10 ^ {- 12} ~ {\ frac {\ mathrm {As}} {\ mathrm {Vm}}}}$
проницаемость	${\ displaystyle \ mu _ {0}}$	${\ textstyle \ приблизительно 1 {,} 2566 \ cdot 10 ^ {- 6} {\ frac {\ mathrm {N}} {\ mathrm {A} ^ {2}}}}$
Волновое сопротивление	${\ textstyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ mu _ {0} / \ varepsilon _ {0}}}}$	${\ Displaystyle \ приблизительно 376 {,} 73 ~ \ Omega}$
Скорость света	${\ textstyle c_ {0} = {\ sqrt {\ frac {1} {\ varepsilon _ {0} \ mu _ {0}}}}}$	${\ textstyle \ приблизительно 299 ~ 792 ~ \ mathrm {\ frac {km} {s}}}$

Свет , частицы , электрическое , магнитное и гравитационное поля распространяются в вакууме; с другой стороны, звуковые волны требуют материальной среды и поэтому не могут распространяться в идеальном вакууме. Тепловое излучение также может распространяться как электромагнитная волна в вакууме. С другой стороны, снижение давления приводит к уменьшению связанной с материалом теплопередачи за счет конвекции и, как только длина свободного пробега превышает диаметр сосуда, также и теплопроводности.

Уменьшение теплового потока за счет вакуума используется для теплоизоляции (вакуумные кувшины , сосуды Дьюара , вакуумные изоляционные панели ).

Высокая диэлектрическая прочность высокого вакуума используется в вакуумных выключателях , в вакуумных конденсаторах в высокопроизводительной электронике и в высоковольтной части вакуумных рентгеновских трубок . При понижении давления диэлектрическая прочность сначала значительно падает из-за образования плазмы низкого давления . Только когда свободный пробег ионов, образующихся во время пробоя, становится больше, чем расстояние между электродами, электрическая прочность снова резко возрастает и только тогда снова ограничивается автоэлектронной эмиссией. Это можно оценить с помощью закона Пашена .

Биологические эффекты

Вакуум - это не жизненное пространство, поскольку метаболизм живых существ зависит от материи. Однако многие живые существа (споры бактерий, семена растений и споры) могут выжить в вакууме в течение определенного периода времени.

В течение короткого времени высшие живые существа, такие как здоровые люди, могут противостоять вакууму, эксперименты с птицами были задокументированы в картинке « Эксперимент с птицей в воздушном насосе ». Вопреки распространенному мнению, несмотря на разницу давления, кровь закипает не сразу. Кожа и ткани обычно способны выдерживать давление паров жидкостей тела менее 0,05 бар (нормальное давление воздуха составляет 1 бар). В любом случае пониженное давление может привести к декомпрессионной болезни или высотной болезни .

поколение

На Земле можно создать вакуум, используя подходящие вакуумные насосы, чтобы освободить замкнутую полость, реципиент , от содержащегося в ней газа . Самым простым устройством является водоструйный насос ; он создает грубый вакуум, соответствующий давлению водяного пара при преобладающей температуре воды (например, 23 гПа (или мбар) при 20 ° C).

Высокий вакуум

Несколько типов насосов обычно используются в физике и химии поверхности для создания высокого или сверхвысокого вакуума . Прежде всего, один или несколько механически работающих насосов (например, пластинчато-роторный насос , диафрагменный насос или спиральный насос ) создают отрицательное давление («предварительное давление») в полости в диапазоне от 1 до 100 Па (от 0,01 до 1 мбар). . Например, в зависимости от размера полости и производительности насосов это занимает несколько минут. После этого турбомолекулярный насос (или более дешевый масляный диффузионный насос для более низких требований ) вставляется между этим обратным насосом (-ами) и полостью с помощью клапанов , что  создает высокий вакуум около ^10-7 мбар (10 мкПа). в процессе, который занимает до нескольких часов . Это давление больше нельзя снизить, просто продолжая откачку, поскольку вода и другие вещества с низким давлением пара, адсорбированные на поверхностях, постоянно десорбируются .

Десорбция ускоряется за счет того, что температура в камере доводится за счет прямого нагрева стенок камеры и косвенного теплового нагрева внутренних поверхностей, которая, по крайней мере, выше точки кипения воды, но, если возможно, значительно выше. Встроенные компоненты, такие как вводы для электрических соединений и смотровые окна, должны быть соответственно термостойкими. Температура для этого нагрева обычно составляет от 130 ° C до более 200 ° C. Поскольку вакуумные аппараты должны выдерживать атмосферный кислород, присутствующий снаружи даже при этой температуре, они часто изготавливаются из нержавеющей стали или стекла с уплотнениями из алюминия или тефлона .

Большая часть десорбированной воды откачивается турбомолекулярными насосами во время процесса отжига, как и любое загрязнение углеводородами . Обычно это занимает 24 часа или больше; В камерах со сложными внутренними поверхностями из-за подключенного оборудования отопление часто отключается только через два-три дня.

Сверхвысокий вакуум

Немеханические насосы используются для достижения сверхвысокого вакуума. Ионный геттерный насос насосы с ионизирующим и захвата остаточных молекул газа в титановых труб в диапазоне давлений от 10 ^-10  мбар (10) до нпа 10 ^-7  мбар (10 мкПа). Мощность насоса здесь достаточна только в том случае, если обогрев ранее достаточно снизил давление остаточного газа. А титана сублимации насос работает с титаном свеже сублимируется на стену, которая характеризуется своей высокой химической реакционной способности и связывает атомов остаточного газа к себе и (холодной) стенки камеры, так что давление остаточного газа дополнительно снижается. Остаточное давление газа , которое может быть достигнуто с помощью метода , описанного выше , находится в диапазоне от 10 ^-11  мбара (1 НО).

 Дополнительный остаточный газ может быть временно связан с холодными ловушками в нижней части камеры и давления в камере может быть снижено до примерно 10 ^-12 мбара (0,1 ННА). Если всю камеру погрузить в жидкий гелий,  можно достичь давления менее 10 ^-16 мбар (10 фПа).

Приложения

Технические пылесосы используются в исследованиях, в электронной микроскопии , при плавлении металлических материалов и в производстве микроэлектроники. Низкий вакуум часто используется для удержания и / или транспортировки плоских деталей с помощью всасывающих захватов .

Вакуум очень часто используются в термической обработке из металлов ( закалки , закалки , азотирования , науглероживание ) для того , чтобы предотвратить окисление с помощью кислорода в воздухе.

Лампы накаливания и, следовательно, электрический свет стали возможны только благодаря вакууму. В особенности с лампой накаливания Эдисона с углеродной нитью, вакуум предотвращал горение нити (см. Также угольную лампу накаливания ); только позже появились лампы накаливания с наполнением из азота или другого газа, не поддерживающего горение.

Внутри электронных ламп и кинескопов есть высокий вакуум, чтобы снизить рассеяние электронов. Оставшийся, а затем диффундирующий газовый остаток связывается геттером . Высокий вакуум в электронных трубках (включая кинескопы), рентгеновских трубках , магнетронах , источниках электронного пучка , ускорителях частиц , вакуумных флуоресцентных дисплеях и т.п. увеличивает свободный пробег электронов до уровня, равного порядку величины всего сосуда, так что почти нет столкновений с остатками газа, которые в противном случае мешали бы пучку частиц.

Эвакуация как производственный процесс (DIN 8580)

Согласно DIN 8580 производственный процесс - термины, классификация , вакуумирование - это один из производственных процессов , который означает создание вакуума в полых телах или полостях в заготовке. Это может быть постоянный вакуум, необходимый для работы детали, как в случае с электронными лампами, или откачка является предпосылкой для заполнения защитным газом , как это используется в электрических коммутационных технологиях для гашения искры.

Вакуум в технологическом проектировании

С другой стороны, дегазация под вакуумом относится к области технологического проектирования как так называемый процесс разделения . Основной этап пластинации , принудительная пропитка , использует вакуум для извлечения ацетона или дихлорметана из образца .

Сублимационной сушки удаляет воду веществ , замораживают и подвергают воздействию вакуума. При сублимационной сушки кофе, чай, овощи, кровь или даже биологические препараты , сублимация происходит, то лед переходит непосредственно в газовую фазу, не жидкая фаза , которая может закипеть.

Процесс кристаллизации при производстве сахара происходит под вакуумом, чтобы предотвратить карамелизацию из-за более низкой точки кипения раствора сахара при удалении воды.

Вакуум в химии

Поскольку температура кипения жидкостей также падает с падением давления окружающей среды, высококипящие вещества можно более осторожно перегонять в вакууме при более низких температурах ( вакуумная перегонка ). Как правило, температура кипения падает примерно на 10-15 К, если давление снижается вдвое.

Вакуум для консервирования и приготовления в вакууме

Еще одной областью применения является упаковка из пищевых продуктов ( вакуумной упаковки ) и других скоропортящихся продуктов под вакуумом. Скоропортящиеся продукты заключены в газонепроницаемые пластиковые оболочки. Из-за небольшого количества кислорода, остающегося в воздухе, процессы старения и разложения ( метаболические и окислительные процессы) могут происходить только в очень ограниченной степени, что делает продукт более долговечным.

В домашнем хозяйстве пищу можно упаковывать в мешки и откачивать с помощью вакуумных упаковщиков, так что пленка из мешков наклеивается на упакованные товары; это означает, что к пище поступает меньше кислорода. Кроме того, уменьшена громкость. Однако используемые вакуумные упаковщики могут создавать только грубый вакуум.

В процессе консервирования пищевые продукты стерилизуются, и любые содержащиеся в них газы удаляются; Оставшееся «воздушное пространство» в каменной кувшине в значительной степени может быть заполнено водяным паром. Уплотнительные кольца поддерживают лучший грубый вакуум в течение более длительных периодов времени; остальной воздух также стерилизуется.

При вакуумном приготовлении продукты (мясо, овощи и т. Д.) В вакуумной упаковке готовятся либо на водяной бане, либо на пару с регулируемой температурой при температуре ниже 100 ° C, и, таким образом, сохраняют свою структуру и аромат лучше, чем при традиционных методах приготовления. При жарке в вакууме з. Б. картофельных чипсов в основном касается более низких температур при жарке с образованием вредных побочных продуктов реакции Майяра, например. Б. для предотвращения или уменьшения количества акриламида .

Вакуум как теплоизолятор

Низкая теплопередача в вакууме используется в вакуумных кувшинах и сосудах Дьюара , а также в вакуумных трубчатых коллекторах и редко также в многослойных стеклопакетах и вакуумных изоляционных панелях .

Стеклопакет с двойным остеклением, в котором вместо благородного газа между стеклами находится вакуум. Поскольку два стекла деформируются под давлением воздуха с одной стороны стекол, между ними, распределенными по поверхности, требуются незаметные прозрачные прокладки. В результате получается сравнительно тонкое и легкое остекление с очень низкой теплопроводностью.

Вакуум космоса

Вакуум, преобладающий в космосе, в межзвездном пространстве или в межгалактическом пространстве , лучше любого вакуума, который может быть создан на Земле. Однако пространство тоже не полностью пустое, а в среднем содержит одну частицу на кубический метр , но внутри пустот значительно меньше (до 1 частицы на кубический метр). Здесь также возникают статические электрические и магнитные поля, гравитационные поля, а также электромагнитные волны (фотоны) и потоки частиц ( нейтрино , космические лучи , частицы) (см. Также пленизм ).

Поэтому к искусственным спутникам и космическим зондам предъявляются особые требования к конструкции: контроль теплового баланса (внутренние источники тепла и солнечное излучение) может осуществляться только с помощью теплопроводности и излучения; радиаторы, тепловые трубы ).

В тени солнца излучение также может быть использовано для целенаправленного создания очень низких температур за счет вакуума (например, для датчиков инфракрасного и радиоволнового излучения).

литература

• Макс Вутц, Герман Адам, Вильгельм Вальхер, Карл Юстен: Ручная вакуумная техника. Теория и практика . Vieweg, 2000, ISBN 3-528-54884-3 . 
• Вольфганг Пупп , Хайнц К. Хартманн : Вакуумная технология: основы и приложения . Fachbuchverlag Leipzig, Leipzig 1991, ISBN 3-446-15859-6 . 
• Хеннинг Генз : Ничего, кроме ничего. Физика вакуума . WILEY-VCH, Weinheim 2004, ISBN 3-527-40319-1 . 
• Фрэнк Клоуз: Ничего не понимаю . Поиски вакуума и развитие квантовой физики. Spectrum Academic Publishing House, 2009, ISBN 978-3-8274-2095-4 . 
• Джон Д. Барроу : Книга ничего . Джонатан Кейп, Лондон 2000, ISBN 0-224-05962-9 . 
• Карин Вей, Ральф Юрген Петерс: История вакуумной техники. В: Вакуум в области научных исследований и практики , 14, № 3, 2002, стр 180-183,. ISSN  0947-076X ( DOI : 10.1002 / 1522-2454 (200206) 14: 3 <180 :: АИД-VIPR180> 3.0. СО; 2-А ).
• Хайнц-Дитер Бюргер: История вакуумного охлаждения. В кн . : Вакуум в исследованиях и практике. 16, No. 2, 2004, pp. 67-70, ISSN  0947-076X ( DOI : 10.1002 / vipr.200400217 ).
• С. Гранда, Р. Г. Морейра, С. Е. Тихи: Уменьшение образования акриламида в картофельных чипсах с помощью низкотемпературной вакуумной жарки . В: Journal of Food Science . Лента 69 , нет. 8 , 2004, с. 405-411 , DOI : 10.1111 / j.1365-2621.2004.tb09903.x ( pkdiet.com [PDF]). 
• Айтчисон: Ничего особенного - вакуум в современной квантовой теории поля. В кн . : Современная физика , 50, № 1, 2009, с. 261-319, ISSN  0010-7514 .
• Кристиан Райденбах: Пустота . В: Стефан Гюнцель (Hrsg.): Лексикон пространственной философии . Общество научной книги, Дармштадт 2012, ISBN 978-3-534-21931-5 .  С. 230 ф.
• Кристиан Райденбах: Разрыв в мире. История представлений о пустоте в ранней современной Франции (=  Epistemata Philosophy . No. 591 ). Königshausen & Neumann, Вюрцбург 2018, ISBN 978-3-8260-6374-9 . 

веб ссылки

Викисловарь: вакуум  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

• Deutsches Museum München - Иллюстрация Магдебургских полушарий Герике
• Взрывная декомпрессия и ее влияние на организм. часто задаваемые вопросы

Индивидуальные доказательства

1. ^ Хеннинг Генз: Вакуум. В: Spektrum.de. 1998, доступ к 19 января 2017 . 
2. ↑ Антипротоны BASE празднуют свой первый день рождения. 21 декабря 2016, доступ к 21 декабря 2016 . 
3. ↑ Человеческое тело в вакууме. В: Спросите астрофизика. NASA, 3 июня 1997, доступ к 6 января 2008 . 
4. ^ Вольфганг Beitz, Карл-Хайнц Küttner: Карманный справочник по машиностроению . Springer, Берлин, 2013 г., стр. 1008.
5. ↑ Информация о производителе. ( Памятка от 27 марта 2016 г. в Интернет-архиве ) pilkington.com
6. ↑ Энергетические исследования Bine Information Service для практики
7. ↑ Биргит Штракенброк: Технологии 21 века. В: Brockhaus Mensch, Natur, Technik. Лейпциг, 2000 г., ISBN 3-7653-7945-X , стр. 598.