Из чего состоит вакуум: Что такое вакуум и где мы его используем

В 1640 году итальянский ученый Галилео Галилей, занятый в то время проектированием и строительством колодцев во Флоренции, определил “Силу боязни Пустоты” и показал, что она составляет 10 метров водяного столба или 1 кг на см². Кто бы мог подумать, что на данном принципе будет построена аэрация водоемов и выбор насос компрессоров для пруда.

В 1643 году Эвангиелисто Торичелли, ученик Галилея, измерил эту силу, используя стеклянную трубку, запаянную с одного конца, и показал, что эта сила уравновешивается столбом ртути высотой 760 мм. Пустое пространство под поверхностью ртути было названо “Торригеллева пустота”, так как считали его абсолютно пустым. Сейчас мы знаем, что это пространство заполнено парами ртути с давлением около 1,2х10^-3 мм. рт.ст (или 1,6х10^-1 Па). Позже единица давления в 1 мм.рт.ст была названа тором в честь Торичелли. Большинство средств измерений вакуума, вакуумных датчиков, их диапазоны измерений указывается в торах. Более подробно с единицами измерения вакуума можно ознакомиться в технической статье по вакуумным датчикам.

В 1648 году Блез Паскаль открыл, что “Сила боязни Пустоты” была ничем иным, как атмосферным давлением. Сначала он повторил опыты Торичелли с трубкой и ртутью. Затем он попросил своего свояка Флорена Перье повторить этот эксперимент сначала у подножья горы Пюи де Дом, а затем на вершине. Эксперимент был проведен в присутствии горожан города Клермона 16 сентября 1648 года и показал разницу уровней столба ртути 82,5 мм для высоты 1,5 км. Паскаль был первым, кто доказал, что атмосферные газы создают давление. В честь этого открытия современная единица давления названа Паскалем (1 Па = 0,0076 тор). Вся вакуумная техника, характеристики вакуумных насосов, а точнее значение уровня вакуума указывается по системе измерений СИ в Паскалях.

В 1650 году Отто фон Герике, мэр города Магдебурга, сконструировавший первый воздушный насос с водяным уплотнением, осуществил свои знаменитые эксперименты с “Магдебургскими полушариями”.

В 1825 году Жан Батист Дюма, французский химик получил низкое давление путем конденсации паров воды в закрытом объеме. В 1835 году Роберт Бунзен, немецкий химик, получил вакуум с использованием струи жидкости, но все эти изобретения не использовались на практике, так как в них не было технической потребности.

Далее выяснилось, что полной пустоты в природе не существует. Ее нет даже там, где совершенно отсутствует какое бы то ни было вещество. В XVIII столетии Фарадей утверждал, что материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею.

В 1887 году русские ученые Столетов и Герц открыли явление фотоэлектронной эмиссии. Эти выдающиеся технические открытия заложили техническую и экономическую основу для бурного развития вакуумных технологий в мире.

В 1874 году шотландец Мак Леод изобрел компрессионный манометр, а итальянец Пирани – манометр сопротивления, позволяющие измерять давления в низком и среднем вакууме.

В 1884 году итальянский инженер Малиньяни впервые использовал сорбент (фосфор) для улучшения вакуума в электрической лампе. Зарождение идеи создания адсорбционных и геттерных вакуумных насосов.

В 1904 году француз Дюар впервые использовал активированный уголь, охлажденный жидким азотом для сорбции (откачки) газов. Всем известные сосуды Дюара для хранения жидкого азота.

В 1906 году немецкий инженер Геде изобрел вращательный ртутный, а затем вращательный масляный насосы. Пять лет позже он изобрел молекулярный вращательный насос. Потом появились современные турбомолекулярные насосы.

В период с 1914 по 1916 гг.  парортутный диффузионный насос был практически одновременно изобретен в трех странах, разделенных границами Первой Мировой войны: в России – профессор Боровиком, в Германии – Геде, во Франции – Ленгмюром.

В 1916 году американский ученый Бакли изобрел ионизационный манометр. В 1928 году Берч изобрел паромасляный диффузионный насос, в котором ртуть была заменена маслом.

Фундаментальные основы вакуумной техники были созданы в начале ХХ века теоретическими работами Дешмана (Америка), Ленгмюра (Франция), Кэмпбелла (Англия), Кнудсена (Голландия), а также русскими учеными – академиком Иоффе и профессором Богуславским.

В настоящее время без вакуума не обходится ни одна сфера науки и промышленности. Испытания в вакууме, термовакуумные испытания, исследования физики вакуума, возникновения вселенной. Более подробно области применения вакуума описаны в статье, применение вакуума в науке и промышленности.

Вернемся к описанию вакуума, пространства и времени. Абсолютно любая область космического пространства всегда заполнена если не веществом, то какими-либо другими видами материи, будто магнитными полями, влиянием гравитации, излучениями и другими полями. Большая часть космоса состоит из темной материи и энергии, 96% космоса и только 4 % скопления газа и звезды. Состав и природа темной материи на настоящий момент не известны.

Подумайте только, вообразите себе на минуту, что нам каким-то образом удалось совершенно опустошить некоторую область пространства, откачать воздух и удалить из вакуумного объема вакуумной камеры все частицы, излучения и поля. Так вот даже в этом случае все равно осталось бы «Нечто». Определенный запас энергии, который у ва­куума нельзя отобрать никакими способами. Что говорить о существовании неизведанной темной материи. Но человечество любопытно в своих стремлениях, и кто знает, какие ждут нас открытия в будущем.

Обнаружились неожиданные и интересные факты. Оказалось, что вакуум способен рождать элементарные частицы, порождать вещество. Мало того, с самим вакуумом могут происходить различные физические превращения, он способен взаимодействовать с чем-то и даже сам с собой.

Помню, учась в институте на первом курсе кафедры, нам преподавали основы вакуумной техники, отец меня спросил, решив поймать на вопросе: скажи мне, а существует Эхо в вакууме? Я задумался, в лесу распространение звука есть, мы слышим его в виде Эхо, а что происходит в вакууме? Я честно признаюсь, я колебался с ответом и не мог ответить на вопрос, но посетили мысли о том, как может звук распространяться в вакууме, ведь нет ничего, от чего он может отражаться.

Вакуум взаимодействует с вакуумом? Значит ли это, что рушится один из самых основных законов природы, закон сохранения материи? Меня часто посещают мысли, вакуум как нечто материальное, особая форма существовании материи, а некоторые ученые предлагают считать ВАКУУМ особым состоянием вещества. Тут больше философский интерес, ведь вакуум представляет собою нечто более универсальное и всеобъемлющее, чем любая другая известная нам форма существования материи. Может быть, вакуум и есть та «протосреда», из которой могут образовываться все другие виды вещества и материи.

В частности, советский ученый высказал интересные гипотезы о том, что вакуум представляет собой не что иное, как бесконечно большой запас энергии одного знака, компенсированный энергией другого знака. Таким образом, вакуум — это как бы совокуп­ность, своеобразное единство противоположностей. Когда же из вакуума образуются другие формы материи, которые и составляют то, что мы называем Вселенной, эти противоположности разделяются. Не исключена возможность, что с подобной точки зрения удастся объяснить такие явления, как образование космических лучей высоких энергий, вспышки сверхзвезд, образование радиогалактик, а также начало расширения галактик.

О том, что ВАКУУМ — НЕ ПУСТОТА, а сложная физическая система, лучше всего свидетельствует открытие одного из самых поразительных явлений — так называемой «поляризации вакуума», к которому пришла квантовая электродинамика.

Квантовая электродинамика, или квантовая теория электромагнитного поля, — один из сравнительно молодых и наиболее сложных разделов современной физики. Она занимается изучением всевозможных взаимодейст­вий фотонов электромагнитного поля с заряженными частицами. Вакуум оказался еще значительно сложнее, чем мы это себе представляли. Но тем интереснее узнавать о нем больше и познавать его.

В вакууме, который рассматривается как особое состояние материи, скрыты не только электроны и позитроны, но и пары «протон—антипротон». Такие пары, если к ним подвести энергию в форме, например, фотонов, становятся реальными: их можно зарегистрировать.

Если в вакууме покоится заряженная частица — протон, то согласно законам квантовой механики вокруг него будут непрерывно рождаться и уничтожаться электроны и позитроны. Создается своеобразная «плазма» наподобие той, которая возникает в газовом разряде. Поэтому вблизи протона вакуум приобретает суммарный отрицательный заряд, а на большом расстоянии от него — суммарный положительный. В результате заряд протона несколько уменьшается — «экранируется». Это и есть поляризация.

Следовательно, частица, оказавшаяся в вакууме, расталкивает вокруг себя заряды, расталкивает «плазму». Именно это обстоятельство и дает возможность наблю­дать эффект, о котором идет речь.

Хотя возникающие в «плазме» заряженные частицы «живут» лишь десять в минус двадцать первой степени секунды и наблюдать их нельзя, свойства электронного поля вблизи протона, как уже говорилось, изменяются. Это явление можно наблюдать экспериментально. Однако расчет величины подобного эффекта долгое время наталкивался па непреодолимые трудности. Соответствующие эксперименты были проведены учёными на ускорителях, получив непосредственное опытное подтверждение природы вакуума.

Мне хочется верить в предположение ряда ученых, что в будущем на смену современной физической картине мира, которая базируется на взаимодействие различных полей электромагнитных, гравитационных и других — придет вакуумная картина. Такая картина должна исходить из того, что основой всего во Вселенной является вакуум, а все существующее, по меткому выражению одного известного ученого, не более как «легкая рябь» на его поверхности. Обычное вещество может оказаться в определенном смысле конечным, а суть всех вещей заключаться именно в вакууме.

Еще с появлением теории относительности была обнаружена тесная связь между свойствами материи и свойствами пространства и времени. При этом до сих пор мы исходили из предположения, что определяющую роль играют свойства материи вещества, частицы, полей, а свойства пространства и времени являются вторичными, производными. Однако в принципе не исключена возможность, что в действительности все обстоит наоборот: свойства материи представляют собой не что иное, как проявление определенных геометрических свойств, так сказать, пространственно-вре­менного «каркаса».

Согласно современным физическим воззрениям, реальное пространство Вселенной, в котором мы живем, является «трехмерным» и «односвязным». Первое из этих свойств означает, что в нашем пространстве через одну точку можно провести только три взаимно перпендикулярные прямые линии. Правда, согласно теории относительности Альберта Эйнштейна в природе существует и еще одно, четвертое измерение: Время. Но это четырехмерное «пространство-время» теории относительности фактически является лишь математическим приемом, позволяющим в удобной форме описывать различные физические процессы. Поэтому говорить о том, что мы с точки зрения теории относительности живем в четырехмерном мире, можно лишь в том смысле, что все происходящие в природе события совершаются не только в пространстве, но и во времени.

Есть и зоны, где происходят явления, которые вообще трудно даже себе представить: здесь временная координата меняется ролями с одной из пространственных, время как бы превращается в расстояние, а расстояние — Время.

Разумеется, в любом случае высшим и окончательным судьей истинны или ложности любой теории остается эксперимент. Но, тем не менее, физический анализ способен оказывать весьма существенную помощь при оценке тех или иных ситуаций, складывающихся в процессе изучения природы вакуума и выборе наиболее эффективных путей дальнейшего исследования.

Компания ВАКТАЙМ занимается поставкой специализированных исследовательских  комплексов, разработкой научного и инновационного вакуумного оборудования, проектированием сложных вакуумных систем, монтажом вакуумных систем откачки, систем имитации условий космического пространства. Таких как имитация космоса, холодного космического пространства, где температуры могут достигать температур жидкого азота, имитация вакуума и теплового излучения земли, излучения солнца, испытаний объектов в вакууме.

Технические специалисты компании ВАКТАЙМ окажут поддержку и консультацию в вопросах подбора вакуумного оборудования для проведения Ваших исследований, предложат различные варианты компоновок вакуумных систем, посоветуют аналитическое оборудование для определения остаточного состава атмосферы в вакуумной камере, спроектируют и изготовят вакуумные камеры для Ваших задач.

Компания ВАКТАЙМ поставляет и изготавливает вакуумные откачные стенды для создания сверхвысокого вакуума менее 10^-11 Паскаля. Сверхвысоковакуумная камера для Ваших исследований  и экспериментов в вакууме. Узнайте больше в разделе вакуумные камеры.

          Компания ВАКТАЙМ поставляет средства измерения вакуума для низкого и высокого вакуума, в том числе известный вакуумметр итальянского ученого Пирани. В честь этого ученого названы самые распространённые вакуумметры мира. Более подробно вы можете ознакомиться в статье «Cредства измерения вакуума, история вакуумметры».

           Какие бы перед Вами задачи в области исследования и применения вакуума не стояли, компания ВАКТАЙМ поможет Вам с решением, предложит необходимые способы реализации с помощью самого современного вакуумного оборудования. Если Вы хотите купить вакуумный насос, купить вакуумный датчик, ищите лучшее предложение по цене и технике, но не знаете цену на вакуумный насос, позвоните нашим инженерам и мы поможем подобрать оптимальный вариант для Вас.

Понятие, уровни вакуума и единицы измерения Vuototecnica. КИП-Сервис: промышленная автоматика.

Термин «вакуум«, как физическое явление — среда, в которой давление газа ниже атмосферного давления.

Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Основной единицей измерения давления в Международной системе (СИ) служит Паскаль (1 Па = 1Н/м²). Однако, на практике встречаются и другие единицы измерения, такие как миллибары (1 мбар = 100Па) и Торры или миллиметры ртутного столба (1 мм.рт.ст. = 133,322 Па). Данные единицы не относятся к СИ, но допускаются для измерения кровяного давления.

Уровни вакуума

В зависимости от того, на сколько давление ниже атмосферного (101325 Па), могут наблюдаться различные явления, вследствие чего могут использоваться различные средства для получения и измерения такого давления. В наше время выделяют несколько уровней вакуума, каждый из которых имеет свое обозначение в соответствии с интервалами давления ниже атмосферного:

• Низкий вакуум (НВ): от 10⁵ до 10² Па,
• Средний вакуум (СВ): от 10² до 10^-1 Па,
• Высокий вакуум (ВВ): от 10^-1 до 10^-5 Па,
• Сверхвысокий вакуум (СВВ): от 10^-5 до 10^-9 Па,
• Черезвычайно высокий вакуум (ЧВВ): <10^-9 Па.

Данные уровни вакуума в зависимости от области применения разделяют на три производственные группы.

— Низкий вакуум: в основном используется там где требуется откачка большого количества воздуха. Для получения низкого вакуума используют электромеханические насосы лопастного типа, центробежного, насосы с боковым каналом, генераторы потока и т.д.

Низкий вакуум применяется, например, на фабриках шелкотрафаретной печати.

— Промышленный вакуум: термин “промышленный вакуум” соотвествует уровню вакуума от -20 до -99 кПа. Данный диапазон используется в большинстве применений. Индустриальный вакуум получают с помощью ротационных, жидкостно-кольцевых,поршневых насосов и лопастных вакуумных генераторов по принципу Вентури. Область применения промышленного вакуума включает в себя захват присосками, термоформование, вакуумный зажим, вакуумная упаковка и др.

— Технический вакуум: соответствует уровню вакуума от -99 кПа. Такой уровень вакуума получают при помощи двухуровневых ротационных насосов, эксцентриковых роторных насосов, вакуумных насосов Рутса, турбомолекулярных насосов, диффузионных насосов, криогенных насосов и т.д.

Такой уровень вакуума используется в основном при лиофилизации, металлизации и термообработке. В науке технический вакуум используется в качестве симуляции космического пространства.

Наивысшее значение вакуума на земле значительно меньше значения абсолютного вакуума, которое остается чисто теоретическим значением. Фактически, даже в космосе, несмотря на отсутствие атмосферы, имеется небольшое количество атомов.

Основным толчком к развитию вакуумных технологий послужили исследования в промышленной области. В настоящий момент существует большое количество применений в различных секторах. Вакуум используется в электролучевых трубках, лампах накаливания, ускорителях частиц, в металлургии, пищевой и аэрокосмической индустрии, в установках для контроля ядерного синтеза, в микроэлектронике, в стекольной и керамической промышленности, в науке, в промышленной роботехнике, в системах захвата с помощью вакуумных присосок и т.д.

Проблемы физики высоких энергий XXI века

Все – есть вакуум!. Тайны пространства и времени

Все – есть вакуум!

Поскольку физический вакуум – та среда, которая фактически заполняет мировое пространство и с ней тесно связаны его фундаментальные физические свойства, нам придется прежде, чем продолжить рассказ о сценарии возникновения нашей Вселенной, посвятить знакомству с этой удивительной средой специальный раздел…

Выйдем на улицу в ясную безлунную ночь и посмотрим на небо. Мы увидим ослепительную россыпь звезд – они везде, куда бы мы ни направили наш взор. Это – звезды нашей Галактики. А за ее пределами на расстояниях в миллионы и миллиарды световых лет – другие галактики, другие звездные системы. Их сотни миллионов и каждая из них состоит из десятков и сотен миллиардов звезд. По современным данным, около 98% вещества Вселенной сосредоточено именно в звездах.

А между галактиками, между звездами – что там? Расстояния между соседними звездами или соседними галактиками во много раз превосходят собственные размеры этих объектов. Звезды и галактики – это лишь отдельные «точки» и «островки» в необъятном космосе.

Перечисление всего того, что заполняет межпланетное пространство, в том числе и пространство Солнечной системы, оказалось бы довольно длинным. Это и плазма – разреженный ионизованный газ, и пылевые частицы, и космические лучи, и метеоритное вещество.

Что касается газа, то в околосолнечном пространстве он главным образом состоит из солнечных частиц. Во время полных солнечных затмений можно видеть солнечную корону, серебристо-жемчужное сияние, окружающее наше светило, закрытое в этот момент непрозрачным лунным шаром. Но это нежно светящееся образование – лишь небольшая часть короны, непосредственно примыкающая к Солнцу. На самом деле корона непрерывно расширяется, и ее частицы уносятся во всех направлениях на сотни миллионов километров, образуя своеобразный «ветер». В районе Земли его скорость составляет около 400 километров в секунду. Этот поток солнечной плазмы так и называют: «солнечный ветер». И название это не просто эффектный литературный образ – солнечный ветер может в полном смысле слова надувать паруса и приводить в движение парусные космические аппараты. Конечно, особые паруса – космические, сделанные из специальной полимерной пленки, площадью в десятки квадратных километров.

Между прочим, такой космический парусник предполагалось запустить по направлению к знаменитой комете Галлея, которая в очередной раз приближалась к Солнцу в 1986 году. Однако ученые все же направили к этой небесной гостье космические аппараты обычного типа…

Таким образом, в сущности мы живем внутри солнечной короны и с полным правом можем считать себя обитателями солнечной атмосферы. Если солнечный ветер до поверхности Земли практически не доходит, не в силах преодолеть магнитного поля планеты и вынужден огибать ее по сторонам, то с межпланетной пылью мы соприкасаемся непосредственно. Ежегодно на поверхность Земли оседает ни много ни мало около миллиона тонн космических пылинок.

Носятся в космическом пространстве и льдинки – замерзшие газы и более крупные метеоритные тела. Издавна считалось, что метеориты бывают каменными, железными и железокаменными. Но не так давно астрономы обратили внимание на любопытное обстоятельство. После пролета по небу так называемых ярких болидов, которые связаны с вторжением в земную атмосферу достаточно крупных космических тел, за очень редкими исключениями в районе, где наблюдалось это эффектное небесное явление (по небу летит, разбрасывая огненные брызги ослепительно яркий шар), выпадения метеоритов почему-то не происходило.

Это обстоятельство получило объяснение в результате наблюдений, проводившихся на протяжении ряда лет чехословацкими и американскими астрономами, создавшими для систематического фотографирования болидов специальные «метеоритные сети».

Итак, большинство космических тел, влетающих в земную атмосферу, поверхности планеты не достигает. Между тем достаточно крупные каменные или железные метеориты должны были бы выпадать на Землю. Почему же они не падают? Куда исчезают?

Ответ напрашивается сам собой: очевидно, метеоритные тела, о которых идет речь, обладают весьма малой плотностью и прочностью и легко разрушаются при движении в атмосфере.

Диффузная материя – то есть газ и пыль имеются и в межзвездном, а судя по последним данным, и в межгалактическом пространстве. Пространство это заполнено и всякого рода электромагнитными излучениями, потоками элементарных частиц, а также различными физическими полями, в том числе гравитационным полем.

А что будет, если из некоторой области космического пространства все это «убрать», удалить все, что только возможно? Что после этого останется – пустота или все же какая-то физическая система с необычными свойствами – вакуум?..

Имеется в виду не тот «технический вакуум», который образуется в результате откачивания воздуха из какого-либо сосуда, а особое состояние материи.

О том, что в природе должна существовать некая «пустота» – «ничто», догадывались еще великие философы древности. Хотя такой выдающийся мыслитель, как Аристотель, подобной точки зрения не разделял. Его удивляло то, что существует «нечто», а не «ничто», однако в своей знаменитой «Физике» он утверждал, что «природа боится пустоты».

Тем не менее было время, когда считалось, что окружающий нас мир состоит из вещества и пустоты – пространства, лишенного материи, своеобразной универсальной арены, на которой разыгрываются все происходящие в природе физические процессы. Картина для своей эпохи в общем-то вполне естественная, само собой разумеющаяся, основанная на каждодневных наблюдениях за окружающей природой, практическом опыте людей, данных классической физики, здравом смысле, наконец. Однако обыденный здравый смысл, как мы многократно отмечали, советчик ненадежный, а наглядные представления скользят по поверхности и не в состоянии проникнуть в сокровенную глубину явлений – вспомним принцип Коперника.

Интересно, что позицию, отличающуюся от аристотелевской, занимал Галилео Галилей, считавший, что хотя природа и боится пустоты, но лишь в определенной степени: упругость твердых тел он объяснял тем, что между составляющими эти тела мельчайшими частицами имеются свободные пространства – своеобразные «поры», не заполненные веществом.

Однако с развитием науки понятие «пустоты» претерпело весьма существенные, более того, принципиальные изменения. Выяснилось, что абсолютной пустоты в природе вообще не бывает. И в этом смысле ближе к истине был все же Аристотель. Ее нет даже там, где полностью отсутствует какое бы то ни было вещество. Уже в XIX столетии выдающийся физик М. Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции, пришел к заключению, что материя присутствует везде и нет промежуточного пространства, не занятого ею. Любая область пространства всегда заполнена какими-либо видами материи – различными излучениями и полями.

Но даже с такой поправкой пространство все еще оставалось просто вместилищем, заполненным бесчисленными материальными объектами.

Но в начале XIX века развитие оптики заставило ученых задуматься над тем, что представляет собой свет и каким образом он распространяется? Было высказано предположение, что по аналогии со звуковыми волнами, распространяющимися в упругой среде, световые волны также распространяются в особой среде – все заполняющем «эфире». Колебания эфира – и есть световые волны.

Но вскоре был обнаружен факт, вступавший с гипотезой эфира в непримиримое противоречие. Оказалось, что световые волны носят поперечный характер, иными словами, направление колебаний в световой волне перпендикулярно направлению ее распространения. Но поперечные волны могут распространяться только в твердых телах… Эфир же абсолютно твердым быть не может, в противном случае в нем не могли бы двигаться планеты…

И тем не менее в различных вариантах представления об эфире сохранялись еще довольно долго, до той поры, когда созданная Эйнштейном специальная теория относительности не покончила с ними, на этот раз уже навсегда. Выяснилось, что для света не нужен материальный носитель – световое излучение само является материей особого рода.

Казалось, что проблема тем самым возвращается к своему первоначальному состоянию: вакуум – абсолютная пустота.

И только в связи с развитием квантовой физики в начале XX столетия представления о «пустоте» вышли на совершенно новый уровень. Важная роль в развитии этих представлений принадлежала выдающемуся физику-теоретику Полю Дираку.

Изучению вакуума Дирак придавал чрезвычайно важное значение. «Проблема точного описания вакуума, – писал он, – по моему мнению, является основной проблемой, стоящей в настоящее время перед физиками. В самом деле, если вы не можете правильно описать вакуум, как можно рассчитывать на правильное описание чего-либо более сложного». Однако задача построения теории физического вакуума оказалась значительно сложнее, чем предполагал Дирак. В частности, из его собственных работ вытекало, что «вакуумное море» почти ничем не проявляет себя.

Тем не менее, по мере дальнейшего развития науки, накапливалось все больше фактов, свидетельствующих о том, что «физический вакуум» не есть чисто условное изобретение ученых, а реальное физическое состояние материи. Тот же Дирак предполагал, что если из вакуума в результате внешнего энергетического воздействия удастся «выбить» электрон, превратив его в реальную вещественную частицу, то на его месте в «вакуумном океане» должна остаться своеобразная «дырка», обладающая всеми свойствами электрона, но положительным зарядом. И уже спустя год после этого предсказания «положительный электрон» – «позитрон» был экспериментально обнаружен в космических лучах.

В дальнейшем выяснились факты еще более поразительные. Оказалось, что помимо вещества, полей и излучений существует еще одна весьма необычная, образно говоря, «скрытая» форма существования материи – «физический вакуум». Впрочем, «скрытая», но не совсем. В каждой точке пространства каждое мгновение физический вакуум рождает частицы и античастицы, которые тут же аннигилируют и снова уходят в вакуум.

В частности, было установлено, что родившийся из физического вакуума электрон может существовать как реальная частица лишь в течение исключительно малого промежутка времени – всего 10^-22 с. За это время он никак не может «проявить себя», то есть вступить во взаимодействие с какой-либо другой реальной частицей.

Выяснилось также, что электрон в силу некоторых фундаментальных законов микромира никогда, ни при каких обстоятельствах не может находиться в состоянии покоя – отнять у электрона всю энергию невозможно, при любых условиях он будет находиться в движении, дрожать…

Это – основное, ключевое утверждение в современных представлениях о вакууме. Любая микросистема все время должна двигаться. В каждом малом объеме пространства непрерывно рождаются пары «частица – античастица». Они рождаются и тут же аннигилируют, испуская световые кванты, которые в свою очередь мгновенно поглощаются. В каждый момент в рассматриваемом объеме существует многообразие частиц и квантов излучения.

Таких элементарных частиц – не только электронов и позитронов, – возникающих из вакуума и тут же исчезающих, должно существовать великое множество. Подобные «невидимые» частицы назвали «виртуальными». Они одновременно как бы существуют и не существуют! Считается, что в вакууме имеются все возможные виды элементарных частиц. Однако при обычных условиях их энергия недостаточна, чтобы вырваться в реальный мир и превратиться в частицы обычного вещества. Присутствие подобных частиц физики назвали «нулевыми колебаниями вакуума».

Следует признать, что у физиков хорошо развито воображение. Многие названия и термины представители этой науки придумывают в высшей степени удачно. Они не только достаточно точно отражают физическую сущность того или иного явления, но создают его впечатляющий образ.

«Нулевые колебания»… А если не «нулевые»? Возможно ли это? Оказывается, возможно. При определенных обстоятельствах «нулевые колебания» начинают себя проявлять. При этом должны возникать особые эффекты, которые в принципе можно зарегистрировать. И некоторые из них, действительно, зарегистрированы…

Мы вплотную подошли к весьма сложным «материям», к физическим явлениям, которые в окружающем нас мире ни с чем сравнить нельзя, поскольку они ни на что не похожи. Поэтому представить себе подобные явления в наглядных образах практически, увы, невозможно.

Но что поделать, так устроен окружающий нас мир. Он сложен, противоречив и полон самых неожиданных связей. Потянешь за одно «звено», за одну «ниточку», а отзовется не только по соседству, но и в областях, казалось бы, очень и очень отдаленных. Вот и приходится к ответам на интересующие нас вопросы пробираться окольными путями, решая по дороге множество побочных задач…

Но вернемся к физическому вакууму. Похоже, что именно вакуум представляет собой основу всего существующего. Любопытно, что аналогичную идею в свое время высказал в образной форме академик Г.И. Наан. Он говорил, что основу мироздания составляет вакуумный океан, а все вещественные космические объекты – звезды, планеты, туманности, галактики – это лишь «легкая рябь на его поверхности».

В высшей степени любопытна и поучительна история первого эксперимента, показавшего, что вакуум есть нечто физически вполне реальное. Ученые не без основания называют его «экспериментом века»…

Когда в 1930-е годы Поль Дирак с присущим ему теоретическим блеском точно рассчитал спектр излучения атома водорода – системы, состоящей из протона и электрона, то выяснилось, что так называемый второй энергетический уровень, на котором может находиться электрон, – это в действительности два уровня, слившиеся друг с другом.

Через несколько лет американский физик Леон Пастернак, исследуя оптические спектры водорода, в частности, переход электрона со второго уровня на первый, обнаружил, что вопреки расчетам Дирака при этом возникают не одна, а две спектральные линии. Однако этот результат был получен на самом пределе возможностей прибора, с которыми работал Пастернак, и хотя как спектроскопист он пользовался заслуженной известностью, никто не отнесся к его наблюдению всерьез…

Вторая мировая война способствовала развитию радиолокации. Одним из тех, кто имел дело с новой аппаратурой, был американский физик Виллис Лэмб. И когда война окончилась, он решил вернуться к опыту Пастернака. Если второй уровень в самом деле расщепляется на два, рассуждал он, то должен существовать и переход между ними. Но в этом случае, как показывает расчет, соответствующая линия излучения будет лежать в радиодиапазоне. Для проверки этого предположения Лэмб решил воспользоваться списанной радиолокационной аппаратурой, чтобы создать необходимые экспериментальные установки. И когда задуманный эксперимент был осуществлен, Лэмб обнаружил именно то, что и ожидал…

Дирак оказался немного не прав. Он не учел физического эффекта, вызывающего расщепления второго уровня. Знаменитый физик рассматривал систему, состоящую из протона и электрона, – и только. А в реальном мире такой изолированной системы просто не существует – есть протон и электрон, погруженные в физический вакуум. Протон – тяжелая частица, и она колебаниям вакуума не поддается, а электрон под их влиянием сам начинает колебаться. Это и приводит к расщеплению уровня, обнаруженному Лэмбом…

Физики говорят, что еще до войны известный советский физик-теоретик Дмитрий Иванович Блохинцев на семинаре академика Игоря Евгеньевича Тамма дал совершенно правильное объяснение результата опыта Пастернака. К подобному эффекту, утверждал он, способны привести колебания физического вакуума. Но в то время неизбежность «все более странного мира» еще не казалась столь неизбежной. Идея Блохинцева показалась всем настолько необычной, что никто не отнесся к ней с достаточной серьезностью. И соответствующая статья, к сожалению, так и не появилась в печати…

Вообще в конце 1940-х годов физический вакуум для большинства людей, даже близко стоящих к физике, был чем-то прямо-таки «потусторонним».

Но вернемся к явлениям, которые происходят в физическом вакууме и в реальности которых сегодня уже не приходится сомневаться.

Известно, что два разноименных электрических заряда в пустоте притягиваются друг к другу с некоторой силой. Но если их поместить в какую-либо среду, то благодаря ее влиянию сила взаимодействия между зарядами изменится/Например, в воде она ослабевает в 80 раз. Нечто похожее происходит и в физическом вакууме. Если в нем находится, скажем, положительно заряженное ядро, то оно начинает взаимодействовать с виртуальными электронами и позитронами – подтягивает к себе электроны и отталкивает позитроны. Благодаря этому два заряда будут взаимодействовать между собой не совсем по закону Кулона. И это отклонение наблюдается в экспериментах, в частности, в опытах на ускорителях. Например, рассеивание пучка электронов большой энергии на протонах из-за влияния физического вакуума фактически происходит не совсем так, как должно было бы происходить в пустоте. Таким образом, можно считать, что физический вакуум – среда – ничем не «хуже» тех сред, с которыми мы обычно имеем дело. На какую же из известных нам сред он похож – вот в чем вопрос? На металл, полупроводник, диэлектрик, жидкость? Исследования последних лет позволяют считать, что во многих отношениях физический вакуум ведет себя подобно сверхпроводнику…

Сверхпроводимость – чрезвычайно интересное явление. Оказывается, в некоторых металлах при понижений температуры до 23,4 градуса Кельвина, то есть до минус 250 градусов Цельсия, электрическое сопротивление обращается в нуль. Именно в нуль – не становится пренебрежимо малым, а полностью исчезает.

Однажды ученые провели такой опыт. В замкнутом контуре, помещенном в жидкий гелий, возбудили ток. И он без всякого ослабления циркулировал там 14 месяцев, до тех пор, пока не разобрали установку. С момента открытия явления сверхпроводимости прошло около 40 лет. И теперь мы довольно хорошо разобрались в физическом механизме этого явления. В сверхпроводнике под влиянием кристаллической решетки вещества электроны при определенных условиях начинают притягиваться друг к другу, образуя связанные пары. Этим парам «выгодно», как физики часто говорят, «сесть» на нижний энергетический уровень. Таким образом, внутри сверхпроводника образуется своеобразная подсистема, коллектив с равной нулю энергией, обладающая сверхпроводящими свойствами. Грубо говоря, эта подсистема обеспечивает движение электронов без трения – а это и есть сверхпроводимость…

В 1967 году американский физик С. Вайнберг и пакистанский физик, работавший в Англии и Триесте, А. Салам, предложили интересную теорию физического вакуума, весьма напоминающую теорию сверхпроводимости. Из их теории следовало, что в физическом вакууме тоже могут возникать коллективы частиц, находящихся на нижнем энергетическом уровне – так называемый конденсат. При этом обнаружилось поразительное обстоятельство: от того, сколько «скрытых» частиц окажется в таком коллективе, зависят физические характеристики реальных частиц, например, их массы.

Если нагревать сверхпроводник, то из сверхпроводящего коллектива частицы начнут переходить на верхние уровни, «уходить наверх». Коллектив начнет разрушаться, а свойство сверхпроводимости будет ослабевать и в конце концов исчезнет. Нечто подобное происходит и в физическом вакууме. Если его нагревать – а в физическом смысле нагреть можно все, что угодно, – то «конденсат» начнет «испаряться», а массы реальных частиц соответственно уменьшатся, изменится характер взаимодействия между ними. При достижении критической температуры, равной 10¹⁶ градусов, в физическом вакууме произойдет фазовый переход, который должен привести к радикальному изменению его свойств, а следовательно, и свойств реальных частиц. Но, разумеется, сходство между сверхпроводником и вакуумом – только аналогия.

Как говорил академик А.Б. Мигдал, пустота – особый объект, ни на что не похожий и потому заслуживающий самостоятельного изучения.

Таким образом, современная физика располагает убедительными доказательствами того, что «физический вакуум в действительности не «ничто», а все-таки нечто».

И пожалуй, самое важное состоит в том, что та скрытая от наших глаз и непосредственных ощущений загадочная форма материи способна при некоторых условиях рождать вещественные частицы без нарушения законов сохранения. Подобные условия могут складываться как под воздействием внешних сил, скажем, мощных полей тяготения или электромагнитных полей, так и «спонтанно», самопроизвольно.

Централизованная подача вакуума: эффективность и экономия энергии на упаковочных машинах пищевой отрасли — News Detail

Maulburg, Germany 14.02.18 Крупнейшее предприятие по переработке свинины в Польше — компания Goodvalley Polska Sp. z. o.o. — занимается производством различных сортов колбасы, ветчины и свежих мясных продуктов. Все колбасные изделия упаковываются с помощью удобной системы с использованием модифицированной газовой среды (МГС). Вакуум, применяемый для удаления воздуха из упаковки, создается централизованной вакуумной системой Busch. С помощью этой системы обеспечивается требуемый уровень вакуума на всех упаковочных линиях, после чего упаковка заполняется защитным газом. Благодаря использованию такой централизованной вакуумной установки компании Goodvalley Polska удалось добиться оптимального экономического эффекта и производительности.

Для упаковки своей продукции Goodvalley Polska применяет защитную атмосферу — смесь двуокиси углерода и азота. Система позволяет создавать сбалансированную атмосферу внутри упаковки, благодаря которой значительно повышается срок хранения, а также сохраняется цвет, форма и аромат продукта в течение всего периода его хранения. 

На мясокомбинате в Пшехлево компания Goodvalley Polska осуществляет полный цикл производства, от забоя скота до отгрузки готовой продукции. Ежесуточно на забой отправляется 1000 голов свиней. Поставкой животных на мясокомбинат занимается собственная ферма компании Poldanor SA, расположенная всего лишь в нескольких километрах от комбината. Благодаря этому компания может влиять на качество продукта еще на стадии выращивания поголовья на ферме. И Goodvalley Polska Sp. z. o.o., и Poldanor SA относятся к международной группе Axzon Group.

Рис. 2. Упаковка фарша с помощью трейсилера

Штат компании Goodvalley Polska насчитывает 900 сотрудников, которые работают по сменному графику. Длительность производственного процесса составляет 20 часов в сутки. В перерывах между циклами производства осуществляется очистка перерабатывающих машин и систем. 

Защитная атмосфера используется на всех четырех упаковочных линиях, каждая из которых комплектуется упаковочными машинами (трейсилерами). Изначально для каждой упаковочной машины предусматривались отдельные пластинчато-роторные вакуумные насосы Busch R 5, которые устанавливались на верхнем этаже над каждой машиной. По словам технического директора Goodvalley Polska Томаша Пациорека (Tomasz Paciorek), такое решение имело целью исключить проникновение отработанного тепла из вакуумных насосов в производственные помещения и помещения, где осуществляется упаковка продукции.

В конце 2015 года компания Busch (Vacuum Pumps and Systems) сделала компании Goodvalley Polska предложение в отношении централизации подачи вакуума для всех четырех упаковочных линий. 

Такая система обладает следующими преимуществами.

• Экономия энергии;
• абсолютная надежность подачи вакуума;
• возможность выполнять техническое обслуживание без прерывания работы системы.

В итоге Томаш Пациорек принял решение использовать единую вакуумную систему компании Busch. Система была смонтирована в начале 2016 года и с тех пор функционирует по 20 часов в сутки пять или шесть дней в неделю.

Система состоит из четырех пластинчато-роторных вакуумных насосов R 5. Эти насосы подключаются к вакуумному контейнеру, в котором поддерживается постоянный вакуум на уровне 150 миллибар. Для обеспечения рабочих условий необходимо использовать максимум три из четырех вакуумных насосов. Один вакуумный насос находится в резерве. Даже при полной нагрузке в системе используются только три насоса вместо ранее использовавшихся четырех, что равноценно годовой экономии энергии приблизительно 3750 кВт/час. Вакуумная система работает в зависимости от требуемой мощности — в работе находятся только те вакуумные насосы R 5, которые необходимы в данный момент. Исходя из опыта ежедневной эксплуатации системы можно сказать, что работа на полную мощность является исключением, которое возникает только в том случае, когда все четыре упаковочные линии оборудованы инструментом максимального размера и работают в режиме одинаковых циклов. Как правило, в работе находятся только два вакуумных насоса, и при этом самый мощный пластинчато-роторный вакуумный насос R 5 производительностью 400 м3/час зачастую способен самостоятельно удовлетворить основную потребность в вакууме. В сравнении с нецентрализованной вакуумной системой такая система обеспечивает экономию энергии до 83 000 кВт⋅ч, что равнозначно сокращению потребляемой энергии в два раза. (Рис. 1).

Рис. 3. Централизованная вакуумная система Busch для создания вакуума в упаковочных лотках перед заполнением их защитным газом

Пластинчато-роторные вакуумные насосы Busch R 5 характеризуются превосходной прочностью и надежностью, поэтому на линиях никогда не возникали отказы ни в предыдущей конфигурации с отдельными насосами, ни в новой централизованной вакуумной системе. Даже выход из строя одного из вакуумных насосов не приводит к прерыванию производственного процесса, поскольку система обладает достаточным резервом в виде четырех агрегатов. Входной вакуумный резервуар поддерживает постоянный вакуум на уровне 150 миллибар. Благодаря этому обеспечивается быстрое вакуумирование и кратчайшее время цикла упаковки. Конструкция централизованной вакуумной установки позволяет осуществлять техническое обслуживание системы без прерывания работы установки. Для выполнения таких работ не требуется доступ в производственные помещения с повышенными санитарно-гигиеническими требованиями. Вместо этого обслуживающий персонал выполняет работы в техническом помещении на верхнем этаже, где расположена система. Во время технического обслуживания каждый отдельный пластинчато-роторный насос R 5 можно выключать без изменения уровня вакуума или скорости вакуумирования. 

Все установленные вакуумные насосы проектируются специально для работы с кислородом и могут безопасно осуществлять компрессию кислорода более чем на 21 процент. Это позволяет добавлять в упаковочную установку на основе МГС газовые смеси с концентрацией кислорода на уровне приблизительно 70 процентов, используя вакуумную камеру. При повышении концентрации кислорода создается взрывоопасная среда. В обычном режиме упаковки после заполнения упаковочной камеры газовой смесью осуществляется вентиляция камеры таким образом, чтобы в следующем рабочем цикле упаковки удалялся только обычный воздух и исключалась опасность взрыва. Повышение концентрации кислорода, поступающего в вакуумный насос в процессе вакуумирования, может возникать только в случае неисправности клапана или при наличии других повреждений, что маловероятно. Именно поэтому установленные пластинчато-роторные вакуумные насосы R 5 данного исполнения отвечают всем требованиям техники безопасности и позволяют надежно удалять кислород даже повышенной концентрации.

Технический директор компании Томаш Пациорек крайне доволен таким решением. Дополнительные преимущества централизованной вакуумной системы будут продемонстрированы в 2017 году, когда в эксплуатацию введут пятую упаковочную линию. Ее можно будет подключить к блоку подачи вакуума без расширения всей системы. Специалисты в области вакуумного оборудования компании Busch уже подсчитали, что производительности существующей системы будет достаточно для обеспечения дополнительной линии вакуумом в необходимом объеме. Это решение и в будущем позволит экономить больше энергии в сравнении с исходной системой, в которой применялись отдельные вакуумные установки упаковочных машин.

О компании Goodvalley Polska

С момента основания в 1999 году компания Goodvalley Polska , расположенная в польской деревушке Пшехлево, занимается производством колбасных изделий и мясных продуктов. Сегодня это одна из крупнейших компаний Польши, осуществляющая поставки изделий из свинины. Основные рынки сбыта компании — это Европа и США, где компания поставляет свою продукцию в торговые сети. Ассортимент продукции включает в себя различные копченые и вареные колбасы, ветчину и бекон, продукты из свежего мяса (фарш и буженину), порционные продукты и продукты в нарезку, а также готовые маринованные и приправленные специями изделия для гриля. С самого начала работы компания Goodvalley Polska уделяет большое внимание вопросам качества и соблюдения санитарно-гигиенических требований. С 2002 года компания выпускает продукцию согласно стандарту HAACP.

Вакуум-экстрация плода — Медицинский центр «Парацельс»

ПОКАЗАНИЯВакуумэкстракцию осуществляют в случаях, когда время для КС упущено, а для наложения щипцов ещё не наступило:

• · упорная вторичная слабость родовой деятельности, не поддающаяся медикаментозной коррекции;
• · острая гипоксия плода.

ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ К ВАКУУМ-АСПИРАЦИИ

• · все состояния, требующие выключения потуг: экстрагенитальные заболевания и гестоз тяжёлого течения;
• · несоответствие между размерами таза матери и размерами головки плода;
• · разгибательные предлежания;
• · преждевременные роды.

УСЛОВИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЕРАЦИИ

• · живой плод;
• · полное открытие маточного зева;
• · возможность активного участия роженицы в процессе родов;
• · положение головки плода в полости малого таза;
• · полное соответствие размеров таза матери и размеров головки плода.

ПОДГОТОВКА

Перед операцией роженица должна опорожнить мочевой пузырь, положение роженицы — на спине с ногами, согнутыми в коленных и тазобедренных суставах. Непосредственно перед операцией проводят повторное влагалищное исследование с целью оценки высоты стояния и вставления головки в полости малого таза, соразмерности головки плода и таза матери, уточнения полноты открытия маточного зева

МЕТОДИКА

В связи с необходимостью активного участия роженицы в процессе родов обезболивание обычно не проводят, за исключением ситуаций, когда ранее в родах уже была произведена эпидуральная анестезия.

Операция вакуумэкстракции плода состоит из ряда последовательных действий:

• · введение чашечки вакуумэкстрактора и размещение её на головке плода;
• · создание отрицательного давления между головкой плода и внутренней поверхностью чашечки вакуумэкстрактора;
• · тракция по извлечению плода;
• · снятие чашечки вакуумэкстрактора с головки плода путём постепенного уменьшения отрицательного давления.

Каждый этап операции имеет свои особенности. Так, например, чашечку вакуумэкстрактора можно вводить под ручным контролем или при обнажении головки плода в зеркалах. После введения чашечки во влагалище её размещают на головке плода как можно ближе к малому родничку, минуя большой родничок, и тщательно прижимают.

Положение чашечки должно соответствовать «срединной точке сгибания», т.е. её боковые края должны располагаться симметрично по обе стороны саггитального шва, а задний край — на 1–3 см кпереди от малого родничка.

Затем к чашечке присоединяют вакуумаппарат и постепенно, в течение 2–3 мин, создают в системе отрицательное давление, ориентируясь на показания манометра. Начальное давление составляет примерно 100 мм рт.ст., необходимо убедиться в том, что ткани мягких родовых путей не попали между чашечкой и головкой плода, после чего давление доводят до 500–600 мм рт.ст. и начинают тракции.

Направление тракций зависит от положения головки плода в малом тазу и должно имитировать её естественное продвижение по родовому каналу. Обычно их осуществляют в направлении вниз, на себя и вверх (стопы акушера — плоскость широкой части полости малого таза, грудь — узкая часть полости малого таза, лицо — плоскость выхода таза). Тракции проводят синхронно с родовой деятельностью, останавливаясь в перерывах между схватками.

Эпизиотомии рекомендуют избегать, так как сопротивление мягких тканей промежности обеспечивает дополнительную фиксацию чашечки вакуумэкстрактора и способствует более естественному процессу прохождения головки плода через родовые пути за счет её сгибания и вращения.

Чашечку вакуумэкстрактора снимают после прорезывания теменных бугров, постепенно снижая разрежение в аппарате, а головку выводят с помощью обычного ручного пособия по приёму родов.

Хотя повышение риска возникновения внутричерепных кровоизлияний у новорождённых в ходе проведения вакуумэкстракции плода не доказано, необходимо тщательное наблюдение за состоянием ребёнка в раннем неонатальном периоде, по показаниям проводится нейросонография.

ОСЛОЖНЕНИЯ ВАКУУМ-АСПИРАЦИИ

Могут возникнуть следующие осложнения:

· соскальзывание чашечки вакуумэкстрактора;

· отсутствие продвижения головки плода;

· травматизация плода: кефалогематомы, повреждения ЦНС различной степени тяжести;

· повреждения тканей мягких родовых путей матери.

При повторном соскальзывании чашечки вакуумэкстрактора с головки плода или отсутствии

продвижения головки операцию прекращают и переходят к другим способам

родоразрешения.

Травматизация матери и плода при проведении операции вакуумэкстракции, как правило,

происходят из-за технических погрешностей в проведении операции или несвоевременного

её выполнения.

Почему космос — это вакуум?

Космос — это почти идеальный вакуум, полный космических пустот. А короче гравитация виновата. Но чтобы по-настоящему понять вакуум нашей Вселенной, нам нужно уделить время тому, чтобы понять, что такое вакуум на самом деле, а чем он не является.

Итак, что такое вакуум и почему космос не является настоящим вакуумом?

Во-первых, забудьте про пылесос как аналог космического вакуума, — сказала Live Science Джеки Фээрти, старший научный сотрудник отдела астрофизики Американского музея естественной истории в Нью-Йорке.Бытовая чистящая машина эффективно заполняет собой грязь и пыль, высосанные с вашего ковра. (То есть пылесос использует перепад давления для создания всасывания. Пылесос может быть лучшим названием, чем пылесос). Но в космическом вакууме все наоборот. По определению, вакуум лишен материи. Космос — это почти абсолютный вакуум, не из-за всасывания, а потому, что он почти пуст.

Связано: Что произойдет, если вы выстрелите из пушки в космосе?

Эта пустота приводит к очень низкому давлению.И хотя невозможно воспроизвести пустоту космоса на Земле, ученые могут создавать среду с чрезвычайно низким давлением, называемую частичным вакуумом.

Даже без аналогии с пылесосом «понимание концепции вакуума почти чуждо, потому что оно настолько противоречит тому, как мы существуем, — сказал Фаэрти. Наш человеческий опыт полностью ограничен очень плотной, многолюдной и динамичной частью мира. «Таким образом, нам может быть трудно по-настоящему понять ничто или пустоту», — сказала она.Но на самом деле то, что нормально для нас на Земля , на самом деле является редкостью в контексте Вселенной, подавляющее большинство которой почти пусто.

Гравитация — король

В среднем космос все равно был бы довольно пустым, даже если бы у нас не было гравитации. «По сравнению с объемом вселенной, в которую вы поместите это вещество, не так много всего», — считает астрофизик-теоретик Калифорнийского технологического института Кэмерон Хаммелс. Средняя плотность Вселенной, согласно NASA , равна 5.9 протонов ( положительно заряженных субатомных частиц ) на кубический метр. Но затем гравитация усиливает пустоту в определенных регионах Вселенной, заставляя материю во Вселенной собираться.

В принципе, любые два объекта с массой будут притягиваться друг к другу. Это гравитация. Другими словами, «материя любит окружать другую материю», — сказала Фаэрти. В космосе гравитация сближает близлежащие объекты. Вместе их коллективная масса увеличивается, и больше массы означает, что они могут создавать более сильное гравитационное притяжение, с помощью которого втягивает еще больше материи в их космическое скопление.Увеличивается масса, затем гравитационное притяжение, затем масса. «Это эффект побега», — сказал Хаммелс.

Поскольку эти гравитационные горячие точки притягивают соседнюю материю, пространство между ними эвакуируется, создавая так называемую космическую пустоту , сказал Хаммелс. Но вселенная началась не так. После Большого взрыва , вещество во Вселенной рассеялось более равномерно, «почти как туман», — сказал он. Но за миллиарды лет гравитация собрала эту материю в астероиды, планеты, звезды, солнечные системы и галактики; и оставляя между собой пустоты межпланетного, межзвездного и межгалактического пространства .

Но даже космический вакуум не чист. Между галактиками на меньше одного атома в каждом кубическом метре, что означает, что межгалактическое пространство не полностью пусто. Однако в нем гораздо меньше материи, чем любой вакуум, который люди могли бы смоделировать в лаборатории на Земле.

Между тем, «Вселенная продолжает расширяться», — сказал Фээрти, заверив, что космос останется в основном пустым. «Это звучит так одиноко», — сказала она.

Примечание редактора. Эта статья была обновлена ​​окт.9, чтобы исправить написание имени Кэмерона Хаммелса.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Что такое вакуум в науке? — Урок для детей — Видео и стенограмма урока

Что происходит в вакууме

Все на Земле, имеющее массу и занимающее пространство, является материей. Да, даже воздух — это вещество, называемое газом. Ученые могут создать вакуум с помощью вакуумного насоса , который всасывает воздух из герметичного контейнера. Когда это происходит, в запечатанном контейнере остается небольшое давление или его совсем нет.

Как надуть воздушный шар, не используя воздух изо рта или аппарат? Представим, что мы чуть-чуть надули воздушный шарик, связали его и поместили в герметичный контейнер. Затем мы использовали вакуумный насос, чтобы удалить весь воздух. По мере того, как давление внутри контейнера уменьшается, давление внутри воздушного шара увеличивается, заставляя его надуваться еще больше. Это происходит потому, что снаружи воздушного шара нет давления, чтобы газ внутри шара не расширялся. Разве это не был бы изящный трюк, чтобы показать своим друзьям?

Пылесосы в космосе

Где найти самый большой и лучший пылесос? Конечно, в космосе! Солнечная система огромна и состоит в основном из пустого пространства или вакуума.Однако, несмотря на то, что это лучший пылесос, он все же не на 100% пуст. Вокруг прыгают несколько атомов!

Когда дайверы погружаются глубоко под воду, у них есть специальные костюмы, защищающие их от чрезмерного давления на их тела. У космонавтов обратная проблема. Они также носят защитные костюмы, но это защищает их от воздействия слишком небольшого давления. Фактически, они подвергаются нулевому атмосферному давлению и экстремальным температурам. Без этих костюмов космонавты не выжили бы в космосе.

Как используются пылесосы?

Если инструмент или машина будут использоваться в вакууме в космическом пространстве, разве нет смысла испытывать их в той же ситуации, пока они еще на Земле? Ученые используют вакуумные камеры , маленькие комнаты, в которых нет воздуха, чтобы делать именно это. Вакуумные камеры также необходимы при сборке определенных деталей для компьютеров и автомобилей, чтобы убедиться, что они работают должным образом.

Вы не поверите, но небольшой вакуум, прикрепленный к вакуумному насосу, даже используется в некоторых медицинских процедурах.Удивительно, как то, что не содержит ничего, может быть таким полезным!

Краткое содержание урока

Пылесос — это отсутствие чего-либо. Хотя лучший вакуум находится в космосе, ученые использовали вакуумные насосы , , устройства, высасывающие воздух из герметичного контейнера, и вакуумные камеры , , небольшие помещения, в которых нет воздуха, для моделирования этой среды. Пылесосы используются для тестирования оборудования космонавтов, изучения космоса и создания некоторых научных продуктов.

Как работают пылесосы?

Пылесосы — одна из самых удобных бытовых чистящих машин, используемых сегодня. Его простой, но эффективный дизайн избавил от необходимости вручную очищать поверхность от пыли и других мелких частиц и превратил уборку дома в более эффективную и довольно быструю работу. Не используя ничего, кроме всасывания, пылесос собирает грязь и отправляет ее на утилизацию.

Так как же работают эти домашние герои?

Отрицательное давление

Самый простой способ объяснить, как пылесос может всасывать мусор, — это представить его как соломинку.Когда вы делаете глоток напитка через соломинку, в результате всасывания создается отрицательное давление воздуха внутри соломинки: давление ниже, чем в окружающей атмосфере. Точно так же, как в космических фильмах, где брешь в корпусе космического корабля засасывает людей в космос, пылесос создает внутри отрицательное давление, которое вызывает поток воздуха в него.

Электродвигатель

В пылесосах используется электродвигатель, который вращает вентилятор, всасывает воздух и любые мелкие частицы, попавшие в него, и выталкивает их с другой стороны в мешок или канистру для создания отрицательного давления. .Тогда вы можете подумать, что через несколько секунд он перестанет работать, поскольку вы можете нагнетать только такое количество воздуха в ограниченное пространство. Чтобы решить эту проблему, у вакуума есть выпускное отверстие, через которое воздух выходит с другой стороны, позволяя двигателю продолжать нормально работать.

Фильтр

Однако воздух не просто проходит и выбрасывается с другой стороны. Это было бы очень вредно для людей, использующих пылесос. Почему? Ну, помимо грязи и сажи, которые собирает пылесос, он также собирает очень мелкие частицы, которые почти невидимы для глаза.Если их вдохнуть в достаточно больших количествах, они могут вызвать повреждение легких. Поскольку не все эти частицы улавливаются мешком или контейнером, пылесос пропускает воздух по крайней мере через один фильтр тонкой очистки и часто фильтр HEPA (высокоэффективный улавливатель твердых частиц), чтобы удалить почти всю пыль. Только теперь воздух снова безопасен.

Вложения

Мощность пылесоса определяется не только мощностью двигателя, но и размером всасывающего отверстия — той части, которая всасывает грязь.Чем меньше размер впускного отверстия, тем больше создается мощность всасывания, поскольку сжатие того же количества воздуха через более узкий проход означает, что воздух должен двигаться быстрее. Это причина того, что насадки для пылесосов с узкими и маленькими входными портами кажутся гораздо более мощными, чем более крупные.

Существует много разных типов пылесосов, но все они работают по одному и тому же принципу: создают отрицательное давление с помощью вентилятора, улавливают втянутую грязь, очищают отработанный воздух и затем выпускают его.Без них мир был бы намного грязнее.

Ссылки по теме: Бытовые чистящие средства могут вызвать у детей лишний вес

Читайте научные факты, а не беллетристику …

Никогда еще не было более важного времени, чтобы объяснять факты, ценить знания, основанные на фактах, и демонстрировать последние научные, технологические и инженерные открытия. «Космос» издается Королевским институтом Австралии, благотворительной организацией, призванной связывать людей с миром науки. Финансовые взносы, какими бы большими они ни были, помогают нам предоставлять доступ к достоверной научной информации в то время, когда она больше всего нужна миру.Пожалуйста, поддержите нас, сделав пожертвование или купив подписку сегодня.

Вакуум — Энциклопедия Нового Света

Вакуум — это объем пространства, в котором практически нет вещества, так что давление газа намного меньше стандартного атмосферного давления. Корень слова Vacuus происходит от латинского прилагательного vacuus , что означает «пустой», но пространство никогда не может быть совершенно пустым. Идеальный вакуум с газовым давлением абсолютного нуля — это философская концепция, которая никогда не соблюдается на практике, и квантовая теория предсказывает, что ни один объем пространства не может быть совершенно пустым в этом смысле.Физики часто используют термин «вакуум» несколько иначе. Они обсуждают идеальные результаты испытаний, которые можно было бы ожидать в идеальном вакууме, который они просто называют «вакуумом» или «свободным пространством», и они используют термин частичный вакуум для обозначения несовершенного вакуума, реализуемого на практике.

Качество вакуума измеряется тем, насколько он близок к идеальному. Давление остаточного газа является основным показателем качества и чаще всего измеряется в торр, даже в метрических единицах.Более низкие давления указывают на более высокое качество, хотя необходимо учитывать и другие переменные. Квантовая механика устанавливает пределы наилучшего качества вакуума. Космическое пространство — это естественный высококачественный вакуум, в большинстве случаев гораздо более высокого качества, чем то, что может быть создано искусственно с помощью современных технологий. Низкокачественные искусственные пылесосы использовались для отсасывания на протяжении тысячелетий.

Вакуум был общей темой философских дебатов с древнегреческих времен, но эмпирически он не изучался до семнадцатого века.Экспериментальные методы были разработаны в соответствии с теориями Евангелисты Торричелли об атмосферном давлении. Вакуум стал ценным промышленным инструментом в двадцатом веке с появлением лампочки и вакуумной трубки, и с тех пор стал доступен широкий спектр вакуумных технологий. Недавнее развитие пилотируемых космических полетов вызвало интерес к влиянию вакуума на здоровье человека и формы жизни в целом.

Использует

Вакуум используется в различных процессах и устройствах.Его первое обычное использование было в лампах накаливания для защиты вольфрамовой нити от химического разложения. Его химическая инертность также полезна для электронно-лучевой сварки, химического осаждения из газовой фазы и сухого травления при производстве полупроводников и оптических покрытий, для холодной сварки и для вакуумной упаковки. Уменьшение конвекции улучшает теплоизоляцию термосов и стеклопакетов. Глубокий вакуум способствует дегазации, которая используется при сублимационной сушке, приготовлении клея, дистилляции, металлургии и продувке технологических процессов.Электрические свойства вакуума делают возможным создание электронных микроскопов и вакуумных трубок, в том числе электронно-лучевых трубок. Удаление воздушного трения полезно для аккумуляторов энергии маховика и ультрацентрифуг.

Всасывание используется в самых разных областях. Паровая машина Ньюкомена использовала вакуум вместо давления для приведения в движение поршня. В девятнадцатом веке вакуум использовался для тяги на экспериментальной атмосферной железной дороге Isambard Kingdom Brunel.

Космическое пространство

Большая часть космического пространства имеет плотность и давление почти идеального вакуума.Он практически не имеет трения, что позволяет звездам, планетам и лунам свободно перемещаться по идеальным гравитационным траекториям. Но ни один вакуум не идеален, даже в межзвездном пространстве, где есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр при 10 фПа (10 ⁻¹⁶ Торр). Глубокий космический вакуум может сделать его привлекательной средой для определенных процессов, например тех, которые требуют сверхчистой поверхности, но для небольших приложений гораздо проще создать эквивалентный вакуум на Земле, чем покинуть земной гравитационный колодец.

Звезды, планеты и луны удерживают свою атмосферу за счет гравитационного притяжения, поэтому у атмосферы нет четко очерченных границ. Плотность атмосферного газа просто уменьшается с удалением от объекта. На низкой околоземной орбите (высота около 300 километров) плотность атмосферы составляет около 100 нПа (10 ^-9 торр), что все еще достаточно, чтобы вызвать значительное сопротивление спутников. Большинство искусственных спутников работают в этом регионе, и им необходимо запускать двигатели каждые несколько дней, чтобы поддерживать орбиту.

За пределами планетарных атмосфер давление фотонов и других частиц Солнца становится значительным. Космический корабль может быть поражен солнечным ветром, но планеты слишком массивны, чтобы на них повлиять. Идея использования этого ветра с солнечным парусом была предложена для межпланетных путешествий.

Вся наблюдаемая Вселенная заполнена большим количеством фотонов, так называемым космическим фоновым излучением, и, вполне вероятно, соответственно большим количеством нейтрино. Текущая температура этого излучения составляет около 3 К, или -270 градусов по Цельсию.

В 1913 году норвежский исследователь и физик Кристиан Биркеланд, возможно, был первым, кто предсказал, что космос не только плазма, но и содержит «темную материю». Он написал:

Кажется естественным следствием нашей точки зрения предположение, что все пространство заполнено электронами и летающими электрическими ионами всех видов. Мы предположили, что каждая звездная система в процессе эволюции выбрасывает в космос электрические корпускулы. Поэтому не кажется необоснованным думать, что большая часть материальных масс Вселенной находится не в солнечных системах или туманностях, а в «пустом» пространстве. ^[1]

Воздействие на человека и животных

Вакуум в первую очередь удушает. Люди, подвергшиеся воздействию вакуума, теряют сознание через несколько секунд и умирают в течение нескольких минут, но симптомы не так наглядны, как обычно демонстрируют в поп-культуре. Роберт Бойль (1627–1691) был первым, кто показал, что вакуум смертелен для мелких животных. Кровь и другие биологические жидкости действительно закипают (медицинский термин для этого состояния известен как эбулизм), и можно ожидать, что давление пара приведет к раздуванию тела в два раза по сравнению с нормальным размером и замедлению кровообращения, но ткани эластичны и достаточно пористы, чтобы предотвратить разрыв .Эбулизм замедляется давлением в кровеносных сосудах, поэтому часть крови остается жидкой. ^{[2] [3]} Вздутие живота и эбуллизм можно уменьшить, поместив его в летный костюм. Астронавты космических челноков носят эластичную эластичную одежду, которая называется защитным костюмом для экипажа на высоте (CAPS), который предотвращает эбуллизм при вакууме 15 торр (2 кПа). ^[4] Однако, даже если эбуллизм предотвратить, простое испарение может вызвать изгибы и газовую эмболию. Охлаждение кожи при быстром испарении вызывает обледенение, особенно во рту, но это не представляет серьезной опасности.

Эксперименты на животных показывают, что быстрое полное выздоровление является нормой при воздействии менее 90 секунд, в то время как более длительное воздействие на все тело приводит к летальному исходу, а реанимация ни разу не увенчалась успехом. ^[5] Имеются ограниченные данные о человеческих авариях, но они согласуются с данными о животных. Конечности могут быть открыты гораздо дольше, если не нарушено дыхание. Быстрая декомпрессия может быть намного опаснее воздействия вакуума. Если пострадавший задерживает дыхание во время декомпрессии, хрупкие внутренние структуры легких могут быть разорваны, что приведет к смерти.Барабанные перепонки могут быть разорваны при быстрой декомпрессии, мягкие ткани могут образовывать синяки и просачиваться кровь, а стресс от неожиданности ускоряет потребление кислорода, что приводит к удушью. ^[6]

Во время Второй мировой войны нацистский режим подвергал заключенных концентрационных лагерей пыткам, подвергая их симуляции высотных условий в экспериментах, проводимых над заключенными.

Некоторые экстремофильные микроорганизмы могут выжить в вакууме в течение многих лет, как и тихоходки.

Историческая интерпретация

Исторически сложилось так, что существует много споров о том, может ли существовать такая вещь, как вакуум.Древнегреческие философы не любили признавать существование вакуума, спрашивая себя: «Как« ничто »может быть чем-то?» Платон (427–347, г. до н. Э., г.) считал идею вакуума немыслимой. Он считал, что все физические вещи являются экземплярами абстрактного платоновского идеала, и не мог представить себе «идеальную» форму вакуума. Точно так же Аристотель (384-322, до н.э., ) считал создание вакуума невозможным — ничто не может быть чем-то. Позже греческие философы считали, что вакуум может существовать вне космоса, но не внутри него.Исламский философ Аль-Фараби (850-970, г. до н.э., г. до н.э.), по-видимому, провел первые зарегистрированные эксперименты, касающиеся существования вакуума, с помощью которых он исследовал ручные поршни в воде. ^{[7] [8]}

В средние века некоторые христиане считали идею вакуума аморальной или даже еретической. Отсутствие чего-либо означало отсутствие Бога и возвращало нас к пустоте до истории создания в книге Бытия.Средневековые мысленные эксперименты с идеей вакуума рассматривали, присутствует ли вакуум, хотя бы на мгновение, между двумя плоскими пластинами, когда они быстро разделяются. Было много споров о том, достаточно ли быстро вошел воздух, когда пластины были разделены, или, вслед за Уолтером Берли, «небесный агент» предотвратил возникновение вакуума, то есть ненавидит ли природа вакуум. Это предположение было остановлено парижским осуждением в 1277 году епископа Этьена Темпье, который требовал отсутствия ограничений на полномочия Бога, что привело к выводу, что Бог может создать вакуум, если он того пожелает. ^[9]

Оппозиция идеи вакуума, существующего в природе, продолжилась в период Научной революции, когда такие ученые, как Паоло Казати, заняли анти-вакуумистскую позицию. Следуя работе Галилея, Евангелиста Торричелли в 1643 году утверждал, что в верхней части ртутного барометра есть вакуум. В 1654 году Отто фон Герике провел свой знаменитый эксперимент с магдебургскими полушариями, показав, что упряжки лошадей не могут разделить два полушария, из которых был удален воздух.Затем изучение вакуума прекращалось до 1855 года, когда Генрих Гайсслер изобрел ртутный вытеснительный насос и достиг рекордного вакуума около 10 Па (0,1 Торр). На этом уровне вакуума можно наблюдать ряд электрических свойств, что привело к созданию вакуумной трубки.

В семнадцатом веке теории природы света требовали идеи эфирной среды, которая была бы средой для передачи световых волн (Исаак Ньютон опирался на эту идею, чтобы объяснить преломление и излучаемое тепло).Это превратилось в светоносный эфир девятнадцатого века, но, как было известно, эта идея имела существенные недостатки — в частности, если Земля движется через материальную среду, среда должна быть как чрезвычайно разреженной (поскольку замедление Земли заметно не замедляется). по своей орбите) и чрезвычайно жесткие (потому что колебания распространяются так быстро). Ранние физики предположили, что этот эфир переносит световые волны и является «эфиром, заполняющим межзвездное пространство». ^[10] В статье 1891 года Уильяма Крукса отмечалось: «[высвобождение] окклюдированных газов в космический вакуум» ^[11] .Еще до 1912 года астроном Генри Пикеринг прокомментировал: «Хотя межзвездной поглощающей средой может быть просто эфир, [это] характерно для газа, и свободные газообразные молекулы, безусловно, там присутствуют». ^[12]

В 1887 году эксперимент Майкельсона-Морли, в котором использовался интерферометр для обнаружения изменения скорости света, вызванного движением Земли относительно эфира, был известным нулевым результатом, показывающим, что действительно не была статической, проникающей средой во всем космосе, через которую Земля двигалась, как будто через ветер.Хотя тогда нет эфира и такая сущность не требуется для распространения света, пространство между звездами не является полностью пустым. Помимо различных частиц, составляющих космическое излучение, существует космический фон фотонного излучения (света), включая тепловой фон при температуре около 2,7 К, который рассматривается как пережиток так называемого Большого взрыва. Ни одно из этих присутствий в какой-либо значительной степени не влияет на результат эксперимента Майкельсона-Морли.

Альберт Эйнштейн (1879-1955) утверждал, что физические объекты не расположены в пространстве, а имеют пространственную протяженность.С этой точки зрения концепция пустого пространства теряет смысл. Скорее, пространство — это абстракция, основанная на отношениях между локальными объектами. Тем не менее общая теория относительности допускает всепроникающее гравитационное поле, которое, по словам самого Эйнштейна ^[13] , можно рассматривать как «эфир», свойства которого меняются от одного места к другому. Только нужно позаботиться о том, чтобы не приписывать ему такие материальные свойства, как скорость и так далее.

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, который был открыт двумя годами позже, в 1932 году. Несмотря на этот ранний успех, от идеи вскоре отказались в пользу более элегантной квантовой теории поля.

Развитие квантовой механики усложнило современную интерпретацию вакуума, потребовав неопределенности. Принцип неопределенности Нильса Бора (1885-1962) и Вернера Гейзенберга и копенгагенская интерпретация, сформулированные в 1927 году, предсказывают фундаментальную неопределенность в положении любой частицы, которая, в отличие от гравитационного поля, ставит под сомнение пустоту пространства между частицами.В конце двадцатого века этот принцип понимался также как предсказывающий фундаментальную неопределенность в количестве частиц в области пространства, что означает, что нельзя с абсолютной уверенностью утверждать, что определенная область пространства содержит ноль частиц. По иронии судьбы Платон был прав, хотя бы случайно.

Квантово-механическое определение

Даже идеальный вакуум на практике — о котором думают как о полном отсутствии чего-либо — не останется пустым. Одна из причин заключается в том, что стенки вакуумной камеры излучают свет в виде излучения черного тела: видимый свет, если они имеют температуру в тысячи градусов, инфракрасный свет, если они холоднее.Если этот суп из фотонов находится в термодинамическом равновесии со стенками, можно сказать, что он имеет определенную температуру, а также давление. Другой причиной невозможности создания идеального вакуума является принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому ни одна частица не может иметь точное положение. Каждый атом существует как функция вероятности пространства, которая имеет определенное ненулевое значение везде в данном объеме. Даже пространство между молекулами не является идеальным вакуумом.

Говоря более фундаментально, квантовая механика предсказывает, что энергия вакуума никогда не может быть точно равна нулю.Наинизшее возможное энергетическое состояние называется нулевой энергией и состоит из бурлящей массы виртуальных частиц, которые существуют недолго. Это называется колебанием вакуума. Хотя большинство согласны с тем, что это составляет значительную часть физики элементарных частиц, эта концепция выиграет от более глубокого понимания, чем это доступно в настоящее время. Флуктуации вакуума также могут быть связаны с так называемой космологической постоянной в теории гравитации, если действительно эта сущность наблюдалась в природе в макроскопическом масштабе.Лучшее свидетельство флуктуаций вакуума — эффект Казимира и лэмбовский сдвиг. ^[9]

В квантовой теории поля и теории струн термин «вакуум» используется для обозначения состояния с минимально возможной энергией. В свободных (невзаимодействующих) квантовых теориях поля это состояние аналогично основному состоянию квантового гармонического осциллятора. Если теория получена путем квантования классической теории, каждая стационарная точка энергии в конфигурационном пространстве порождает единственный вакуум.Считается, что теория струн аналогична квантовой теории поля, но с огромным количеством вакуума — с так называемым антропным ландшафтом.

Насос

Жидкости нельзя вытягивать, поэтому создать вакуум всасыванием технически невозможно.Всасывание — это движение жидкости в вакуум под действием более высокого внешнего давления, но сначала необходимо создать вакуум. Самый простой способ создать искусственный вакуум — увеличить объем емкости. Например, мышца диафрагмы расширяет грудную полость, что приводит к увеличению объема легких. Это расширение снижает давление и создает частичный вакуум, который вскоре заполняется воздухом, нагнетаемым атмосферным давлением.

Для продолжения вакуумирования камеры бесконечно без необходимости бесконечного роста, отсек вакуума можно многократно закрывать, откачивать и снова расширять.Это принцип, лежащий в основе поршневых насосов прямого вытеснения, таких как, например, ручной водяной насос. Внутри насоса механизм расширяет небольшую герметичную полость для создания глубокого вакуума. Из-за разницы давлений некоторая жидкость из камеры (или скважины в нашем примере) выталкивается в небольшую полость насоса. Затем полость насоса изолируется от камеры, открывается в атмосферу и снова сжимается до минимального размера.

Было разработано множество вариантов поршневого насоса, и многие другие конструкции насосов основаны на принципиально иных принципах.Насосы для перекачки импульса, которые имеют некоторое сходство с динамическими насосами, используемыми при более высоких давлениях, могут создавать вакуум гораздо более высокого качества, чем насосы прямого вытеснения. 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; у каждого типа есть важные ограничения производительности. Всем им сложно перекачивать газы с низким молекулярным весом, особенно водород, гелий и неон.

Самое низкое давление, которое может быть достигнуто в системе, также зависит от многих факторов, помимо природы насосов.Несколько насосов могут быть подключены последовательно, называемые ступенями, 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 важная характеристика. Насосные системы отличаются загрязнением маслом, вибрацией, предпочтительной откачкой определенных газов, скоростями откачки, прерывистым рабочим циклом, надежностью или устойчивостью к высокой скорости утечки.

В системах сверхвысокого вакуума необходимо учитывать некоторые очень странные пути утечки и источники выделения газа, а некоторые масла и смазки будут выкипать в экстремальном вакууме. Возможно, придется учитывать пористость металлических стенок камеры.

Самое низкое давление, достижимое в настоящее время в лаборатории, составляет около 10 ^-13 Торр. ^[14]

Удаление газа

Испарение и возгонка в вакуум называется дегазированием. Все твердые и жидкие вещества имеют небольшое давление пара, и их дегазация становится важной, когда давление в их окружающей среде падает ниже этого давления пара.В искусственных системах выделение газа имеет тот же эффект, что и утечка, и может ограничить достижимый вакуум. Продукты, выделяющие газ, могут конденсироваться на близлежащих более холодных поверхностях, что может вызвать проблемы, если они закрывают оптические инструменты или вступают в реакцию с другими материалами. Это очень важно для космических миссий, когда закрытый телескоп или солнечная батарея могут испортить дорогостоящую миссию.

Наиболее распространенным продуктом дегазации в искусственных вакуумных системах является поглощение воды материалами камеры. Его можно уменьшить путем осушения или запекания камеры и удаления абсорбирующих материалов.Выделяющаяся вода может конденсироваться в масле пластинчато-роторных насосов и резко снижать их чистую скорость, если не используется газовый балласт. Системы высокого вакуума должны быть чистыми и не содержать органических веществ, чтобы свести к минимуму выделение газа.

Системы сверхвысокого вакуума обычно запекаются, предпочтительно под вакуумом, для временного повышения давления паров всех газообразующих материалов в системе и их выпаривания. После того, как основная масса материалов, выделяющих газ, испаряется и откачивается, система может быть охлаждена для снижения давления пара и сведения к минимуму остаточного выделения газа во время реальной работы.Некоторые системы охлаждаются жидким азотом значительно ниже комнатной температуры, чтобы отключить остаточную дегазацию и одновременно крионасосить систему.

Качество

Качество вакуума определяется количеством вещества, оставшегося в системе. Вакуум в первую очередь измеряется его абсолютным давлением, но для полной характеристики требуются дополнительные параметры, такие как температура и химический состав. Одним из наиболее важных параметров является длина свободного пробега (MFP) остаточных газов, которая указывает среднее расстояние, которое молекулы пройдут между столкновениями друг с другом.По мере уменьшения плотности газа MFP увеличивается, и когда MFP длиннее, чем камера, насос, космический корабль или другие присутствующие объекты, предположения континуума механики жидкости не применяются. Это состояние вакуума называется высокий вакуум , а исследование потоков жидкости в этом режиме называется газовой динамикой частиц. MFP воздуха при атмосферном давлении очень короткий, 70 нанометров, но при 100 мПа (~ 1 × 10 ^-3 Торр) MFP воздуха комнатной температуры составляет примерно 100 миллиметров, что примерно соответствует обычным объектам, таким как вакуумные трубки.Радиометр Крукса поворачивается, когда размер MFP превышает размер лопаток.

Глубокий космос обычно намного более пуст, чем любой искусственный вакуум, который может быть создан в лаборатории, хотя многие лаборатории могут достичь более низкого вакуума, чем на низкой околоземной орбите. В межпланетном и межзвездном пространстве изотропное давление газа незначительно по сравнению с солнечным давлением, солнечным ветром и динамическим давлением, поэтому определение давления становится трудным для интерпретации. Астрофизики предпочитают использовать числовую плотность для описания этих сред в единицах частиц на кубический сантиметр.Средняя плотность межзвездного газа составляет около одного атома на кубический сантиметр. ^[15]

Качество вакуума подразделяется на диапазоны в соответствии с технологией, необходимой для его достижения или измерения. У этих диапазонов нет общепринятых определений (отсюда и пробелы ниже), но типичное распределение выглядит следующим образом: ^{[16] [17]}