Войти
Насос для демонстрации вакуума A вакуум равен пробел лишены материи. Слово происходит от латинского прилагательного vacuus, означающего «вакантный» или «void ». Приближением к такому вакууму является область с давлением газа , намного меньшим, чем атмосферное давление. Физики часто обсуждают идеальные результаты испытаний, которые могут быть получены в идеальном вакууме, который они иногда называют просто «вакуумом» или свободным пространством, и используют термин частичный вакуум для обозначения действительного несовершенного вакуум, как в лаборатории или в пространстве. С другой стороны, в инженерии и прикладной физике вакуум относится к любому пространству, в котором давление значительно ниже атмосферного. Латинский термин in vacuo используется для описания объекта, окруженного вакуумом.
Качество частичного вакуума означает, насколько близко он приближается к идеальному вакууму. При прочих равных, более низкое давление газа означает более качественный вакуум. Например, типичный пылесос производит достаточно всасывания, чтобы снизить давление воздуха примерно на 20%. Но возможны более качественные пылесосы. Камеры сверхвысокого вакуума, распространенные в химии, физике и технике, работают при давлении ниже одной триллионной (10) атмосферного давления (100 нПа) и могут достигать около 100 частиц / см. Космическое пространство - это вакуум еще более высокого качества, в межгалактическом пространстве в среднем содержится всего несколько атомов водорода на кубический метр. Согласно современным представлениям, даже если бы вся материя могла быть удалена из объема, он все равно не был бы «пустым» из-за флуктуаций вакуума, темной энергии, проходящих гамма-лучей., космические лучи, нейтрино и другие явления в квантовой физике. При изучении электромагнетизма в 19 веке считалось, что вакуум заполнен средой, называемой эфиром. В современной физике элементарных частиц состояние вакуума считается основным состоянием поля .
Вакуум был частой темой философских споров с тех пор. древние греческие времена, но не изучались эмпирически до 17 века. Евангелиста Торричелли создал первый лабораторный вакуум в 1643 году, и другие экспериментальные методы были разработаны в результате его теорий атмосферного давления. Торричеллианский вакуум создается путем заполнения ртутью высокого стеклянного контейнера, закрытого с одного конца, а затем его переворачивания в чашу для содержания ртути (см. Ниже).
Вакуум стал ценным промышленный инструмент в 20-м веке с появлением ламп накаливания и электронных ламп, а с тех пор стал доступен широкий спектр вакуумных технологий. Недавняя разработка пилотируемых космических полетов вызвала интерес к влиянию вакуума на здоровье человека и на формы жизни в целом.
Большая вакуумная камера Слово «вакуум» происходит от латинского «пустое пространство, пустота», существительное употребление среднего от vacuus, что означает «пустой», связано с vacare, что означает «быть пустым».
Вакуум - одно из немногих слов в английском языке, которое содержит две последовательные буквы u.
Исторически сложилось много споров о том, может ли существовать такая вещь, как вакуум. Древние греческие философы обсуждали существование вакуума или пустоты в контексте атомизма, который полагал пустоту и атом фундаментальными объяснительными элементами физики. Следуя Платону, даже абстрактная концепция безликой пустоты столкнулась со значительным скептицизмом: она не могла быть воспринята чувствами, она не могла сама по себе обеспечивать дополнительную объяснительную силу, помимо физического объема, с которым она была соизмерима и по определению, это было буквально ничто, о существовании которого по праву нельзя сказать. Аристотель полагал, что пустота не может возникнуть естественным образом, потому что более плотный окружающий материальный континуум немедленно заполнит любую зарождающуюся редкость, которая может вызвать пустоту.
В своей книге Физика, книга IV, Аристотель выдвинул множество аргументов против пустоты: например, движение в среде, которая не создавала препятствий, может продолжаться до бесконечности, поскольку нет причин, по которым что-то приедет отдыхать где угодно, в частности. Хотя Лукреций доказывал существование вакуума в первом веке до нашей эры, а Герой Александрии безуспешно пытался создать искусственный вакуум в первом веке нашей эры.
Средневековый мусульманский мир, физик и исламский ученый аль-Фараби (Альфарабиус, 872–950) провел небольшой эксперимент о существовании вакуума в который он исследовал ручные поршни в воде. Он пришел к выводу, что объем воздуха может расширяться, чтобы заполнить доступное пространство, и предположил, что концепция идеального вакуума бессвязна. Согласно Надеру Эль-Бизри, физик Ибн аль-Хайсам (Альхазен, 965–1039) и Мутазили теологи не соглашались с Аристотелем и Ал- Фараби, и они поддержали существование пустоты. Используя геометрию, Ибн аль-Хайсам математически продемонстрировал, что место (аль-макан) представляет собой воображаемую трехмерную пустоту между внутренними поверхностями вмещающего тела. По словам Ахмада Даллала, Абу Райхан аль-Бируни также заявляет, что «нет никаких наблюдаемых доказательств, исключающих возможность вакуума». всасывающий насос был описан арабским инженером Аль-Джазари в 13 веке, а позже появился в Европе в 15 веке.
Европейские ученые, такие как Роджер Бэкон, Блазиус Пармский и Уолтер Берли в XIII и XIV веках, сосредоточили значительное внимание на вопросах, касающихся понятие вакуума. В конце концов, следуя стоической физике в этом случае, ученые с 14 века и далее все больше отходили от аристотелевской точки зрения в пользу сверхъестественной пустоты за пределами самого космоса, вывод, широко признанный к 17 веку, что помогло разделить естественные и теологические проблемы.
Почти через две тысячи лет после Платона Рене Декарт также предложил геометрическую альтернативную теорию атомизма, без проблематичного ничего - все дихотомия пустоты и атома. Хотя Декарт соглашался с современной позицией, согласно которой в природе не бывает вакуума, успех его одноименной системы координат и, что более косвенно, пространственно-телесный компонент его метафизики стал бы определять современное философское понятие. пустого пространства как количественное увеличение объема. Однако по древнему определению информация о направлении и величина концептуально различались.
ртутный барометр Торричелли произвел один из первых устойчивых вакуумов в лаборатории. Средневековые мысленные эксперименты воплотили идею Вакуум учитывал, присутствует ли вакуум, хотя бы на мгновение, между двумя плоскими пластинами, когда они быстро разделяются. Было много споров о том, достаточно ли быстро воздух входит внутрь, когда пластины разделяются, или, как постулировал Уолтер Берли, предотвращает ли возникновение вакуума «небесный агент». Распространенное мнение о том, что природа ненавидит пустоту, называлось ужас вакуума. Было даже предположение, что даже Бог не мог бы создать вакуум, если бы захотел, и 1277 Парижское осуждение епископа Этьена Темпье, которое требовало, чтобы не было никаких ограничений о силах Бога, привел к выводу, что Бог мог бы создать вакуум, если бы захотел. Жан Буридан сообщил в 14 веке, что упряжки из десяти лошадей не могут открыть мехи когда порт был закрыт.
трубка Крукса, использованная для обнаружения и изучения катодных лучей, была эволюцией трубки Гейсслера.. первые попытки количественно измерить измерения частичного вакуума. Евангелиста Торричелли ртуть барометр 1643 года и эксперименты Блеза Паскаля продемонстрировали частичный вакуум.
В 1654 году Отто фон Герике изобрел первый вакуумный насос и провел свой знаменитый эксперимент Магдебургские полушария, показавший, что благодаря атмосферному давлению За пределами полушарий упряжки лошадей не могли разделить два полушария, из которых был частично удален воздух. Роберт Бойл усовершенствовал конструкцию Герике и с помощью Роберта Гука усовершенствовал технологию вакуумных насосов. После этого исследования частичного вакуума прекращались до 1850 г., когда Август Топлер изобрел насос Топлера, и в 1855 г., когда Генрих Гайсслер изобрел ртутный вытеснительный насос, достигнув частичного вакуум около 10 Па (0,1 Торр ). На этом уровне вакуума становится возможным наблюдать ряд электрических свойств, что возобновляет интерес к дальнейшим исследованиям.
В то время как космическое пространство представляет собой наиболее разреженный пример естественного частичного вакуума, изначально считалось, что небеса бесшовно заполнены жестким неразрушимым материалом, называемым эфиром. Заимствуя отчасти из пневмы из стоической физики, эфир стал рассматриваться как разреженный воздух, от которого он получил свое название (см. Эфир (мифология) ). Ранние теории света постулировали повсеместную земную и небесную среду, через которую распространяется свет. Кроме того, эта концепция использовалась для объяснения Исаака Ньютона как преломления, так и лучистого тепла. Эксперименты 19 века с этим светоносным эфиром пытались обнаружить незначительное торможение на орбите Земли. Хотя Земля на самом деле движется через относительно плотную среду по сравнению с межзвездным пространством, сопротивление настолько незначительно, что его невозможно обнаружить. В 1912 году астроном Генри Пикеринг прокомментировал: «Хотя межзвездной поглощающей средой может быть просто эфир, [он] характерен для газа, и свободные газообразные молекулы, безусловно, существуют».
Позже, в 1930 году, Поль Дирак предложил модель вакуума как бесконечного моря частиц, обладающих отрицательной энергией, названную морем Дирака. Эта теория помогла уточнить предсказания сформулированного им ранее уравнения Дирака и успешно предсказала существование позитрона, подтвержденного двумя годами позже. Принцип неопределенности Вернера Гейзенберга, сформулированный в 1927 году, предсказал фундаментальный предел, в пределах которого можно измерить мгновенное положение и импульс, или энергию и время. Это имеет далеко идущие последствия для «пустоты» пространства между частицами. В конце 20 века были подтверждены так называемые виртуальные частицы, спонтанно возникающие из пустого пространства.
Самый строгий критерий для определения вакуума - это область пространства и времени, где все компоненты тензора энергии-напряжения равны нулю. Это означает, что эта область лишена энергии и импульса, и, как следствие, она не должна содержать частиц и других физических полей (таких как электромагнетизм), содержащих энергию и импульс.
В общей теории относительности исчезающий тензор напряжения-энергии подразумевает, посредством уравнений поля Эйнштейна, исчезновение всех компонентов Тензор Риччи. Вакуум не означает, что кривизна пространства-времени обязательно плоская: гравитационное поле все еще может создавать кривизну в вакууме в виде приливных сил и гравитационных волн (технически эти явления являются компонентами тензора Вейля ). черная дыра (с нулевым электрическим зарядом) - элегантный пример области, полностью «заполненной» вакуумом, но все же демонстрирующей сильную кривизну.
В классическом электромагнетизме, вакуум свободного пространства, или иногда просто свободное пространство или идеальный вакуум, является стандартной эталонной средой для электромагнитные эффекты. Некоторые авторы называют эту эталонную среду классическим вакуумом, терминология, предназначенная для отделения этого понятия от КЭД-вакуум или КХД-вакуум, где флуктуации вакуума могут вызывать переходные плотности виртуальных частиц и относительная диэлектрическая проницаемость и относительная проницаемость, которые не равны единице.
В теории классического электромагнетизма свободное пространство имеет следующие свойства:
Вакуум классического электромагнетизма можно рассматривать как идеализированную электромагнитную среду с определяющими отношениями в единицах СИ:
, относящийся к электрическому смещению полю d D к электрическому полю Eи магнитному полю или H-полю H к магнитной индукции или B-поле B . Здесь r - пространственное положение, а t - время.
Воспроизвести медиа Видео эксперимента, показывающего флуктуации вакуума (в красном кольце), усиленные спонтанным параметрическим понижающим преобразованием.В квантовая механика и квантовая теория поля, вакуум определяется как состояние (то есть решение уравнений теории) с минимально возможной энергией (основание состояние из гильбертова пространства ). В квантовой электродинамике этот вакуум обозначается как «вакуум QED », чтобы отличать его от вакуума квантовой хромодинамики, обозначаемого как вакуум QCD. КЭД вакуум - это состояние без частиц материи (отсюда и название) и без фотонов. Как описано выше, этого состояния невозможно достичь экспериментально. (Даже если бы каждую частицу материи можно было бы каким-то образом удалить из объема, было бы невозможно исключить все фотоны черного тела.) Тем не менее, он обеспечивает хорошую модель реализуемого вакуума и согласуется с рядом экспериментальных наблюдения, как описано далее.
КЭД-вакуум обладает интересными и сложными свойствами. В вакууме КЭД электрическое и магнитное поля имеют нулевые средние значения, но их дисперсия не равна нулю. В результате КЭД-вакуум содержит флуктуации вакуума (виртуальные частицы, которые прыгают в существование и исчезают) и конечную энергию, называемую энергией вакуума. Флуктуации вакуума - важная и повсеместная часть квантовой теории поля. Некоторые экспериментально подтвержденные эффекты вакуумных флуктуаций включают спонтанное излучение и сдвиг Лэмба. закон Кулона и электрический потенциал в вакууме вблизи электрического заряда изменяются.
Теоретически в КХД могут сосуществовать несколько вакуумных состояний. Считается, что начало и конец космологической инфляции возникли в результате переходов между различными состояниями вакуума. Для теорий, полученных путем квантования классической теории, каждая стационарная точка энергии в конфигурационном пространстве порождает единственный вакуум. Теория струн, как полагают, имеет огромное количество вакуума - так называемый ландшафт теории струн.
Космическое пространство имеет очень низкие плотность и давление и является самым близким физическим приближением к идеальному вакууму. Но ни один вакуум не является по-настоящему идеальным, даже в межзвездном пространстве, где все еще есть несколько атомов водорода на кубический метр.
Звезды, планеты и луны сохраняют свою атмосферу за счет гравитационного притяжения, и поэтому у атмосферы нет четко очерченной границы: плотность атмосферного газа просто уменьшается с удалением от объекта. Атмосферное давление на Земле падает примерно до 3,2 × 10 Па на высоте 100 километров (62 миль), линия Кармана, которая является обычным определением границы с космосом. За этой линией изотропное давление газа быстро становится незначительным по сравнению с давлением излучения от Солнца и динамическим давлением солнечных ветров, поэтому определение давления становится трудно интерпретировать. термосфера в этом диапазоне имеет большие градиенты давления, температуры и состава и сильно меняется из-за космической погоды. Астрофизики предпочитают использовать числовую плотность для описания этих сред в единицах частиц на кубический сантиметр.
Но хотя это соответствует определению космического пространства, плотность атмосферы в пределах первых нескольких сотен километров над линией Кармана по-прежнему достаточна для создания значительного сопротивления на спутниках. Большинство искусственных спутников работают в этой области, называемой низкой околоземной орбитой, и должны запускать свои двигатели каждые пару недель или несколько раз в год (в зависимости от солнечной активности). Сопротивление здесь достаточно низкое, чтобы теоретически его можно было преодолеть за счет радиационного давления на солнечных парусах, предлагаемой двигательной установке для межпланетных путешествий. Планеты слишком массивны,испытывают трудности с перекачкой газов с низким молекулярным весом, особенно водорода, гелия и неона.
. Самое низкое давление, которое может быть достигнуто в системе, также зависит от на многие вещи, кроме 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 это называется вакуумной техникой. И иногда конечное давление - не единственная важная характеристика. Насосные системы отличаются загрязнением маслом, вибрацией, предпочтительной откачкой определенных газов, скоростями откачки, кратковременным рабочим циклом, надежностью или устойчивостью к высокой скорости утечки.
В системах сверхвысокого вакуума необходимо учитывать некоторые очень "странные" пути утечки и источники выделения газа. Водопоглощение алюминия и палладия становится неприемлемым источником выделения газа, и даже необходимо учитывать адсорбционную способность твердых металлов, таких как нержавеющая сталь или титан. Некоторые масла и смазки могут выкипеть в условиях сильного вакуума. Возможно, придется учитывать проницаемость металлических стенок камеры, и направление волокон металлических фланцев должно быть параллельно поверхности фланца.
Самое низкое давление, достижимое в настоящее время в лаборатории, составляет около 10 торр (13 пПа). Однако давление всего 5 × 10 Торр (6,7 фПа) было косвенно измерено в криогенной вакуумной системе 4 К. Это соответствует ≈100 частиц / см.
На этой картине Эксперимент с птицей в воздушном насосе, написанной Джозефом Райтом из Дерби, 1768 г., изображен проведенный эксперимент Автор Роберт Бойл в 1660 году. Люди и животные, подвергшиеся воздействию вакуума, теряют сознание через несколько секунд и умирают от гипоксии в течение нескольких минут, но симптомы не так наглядны, как обычно изображают в СМИ и массовой культуре. Снижение давления снижает температуру кипения крови и других жидкостей тела, но упругое давление кровеносных сосудов гарантирует, что эта точка кипения остается выше внутренней температуры тела 37 ° C. Хотя кровь не закипает, образование пузырьков газа в жидкостях организма при пониженном давлении, известное как эбулизм, по-прежнему вызывает беспокойство. Газ может раздувать тело вдвое по сравнению с нормальным размером и замедлять циркуляцию, но ткани эластичны и достаточно пористы, чтобы предотвратить разрыв. Отек и эбулизм можно сдержать, поместив его в летный костюм. Шаттл астронавты носили подходящую эластичную одежду, называемую костюмом для защиты экипажа на высоте (CAPS), который предотвращает эбулизм при давлении ниже 2 кПа (15 торр). Быстрое кипячение охладит кожу и вызовет изморозь, особенно во рту, но это не представляет серьезной опасности.
Эксперименты на животных показывают, что быстрое и полное выздоровление является нормальным при воздействии короче 90 секунд, тогда как более длительное воздействие на все тело приводит к летальному исходу, а реанимация никогда не бывает успешной. Исследование НАСА на восьми шимпанзе показало, что все они пережили две с половиной минуты пребывания в вакууме. Доступен лишь ограниченный объем данных о человеческих авариях, но он согласуется с данными о животных. Конечности могут подвергаться воздействию гораздо дольше, если не нарушено дыхание. Роберт Бойль был первым, кто в 1660 году показал, что вакуум смертельный для мелких животных.
Эксперимент показывает, что растения способны выживать в среде с низким давлением (1,5 кПа) в течение примерно 30 минут.
Холодная или богатая кислородом атмосфера может поддерживать жизнь при давлениях намного ниже атмосферного. до тех пор, пока плотность кислорода аналогична стандартной атмосфере на уровне моря. Более низкие температуры воздуха на высотах до 3 км обычно компенсируют более низкое давление там. Выше этой высоты обогащение кислородом необходимо для предотвращения высотной болезни у людей, не прошедших предварительную акклиматизацию, и скафандры необходимы для предотвращения эбуллизма на высоте выше 19 км. В большинстве скафандров используется только 20 кПа (150 торр) чистого кислорода. Это давление достаточно высокое, чтобы предотвратить эбулизм, но декомпрессионная болезнь и газовая эмболия все еще могут возникать, если не контролировать частоту декомпрессии.
Быстрая декомпрессия может быть намного опаснее самого воздействия вакуума. Даже если пострадавший не задерживает дыхание, вентиляция через дыхательное горло может быть слишком медленным, чтобы предотвратить фатальный разрыв нежных альвеол легких. Барабанные перепонки пазухи могут быть разорваны при быстрой декомпрессии, мягкие ткани могут образовывать синяки и просачиваться кровь, а стресс от шока ускоряет потребление кислорода, что приводит к гипоксии. Травмы, вызванные быстрой декомпрессией, называются баротравмой. Падение давления на 13 кПа (100 торр), которое не вызывает симптомов, если оно постепенное, может быть фатальным, если оно произойдет внезапно.
Некоторые экстремофильные микроорганизмы, такие как тихоходки, могут выдерживать вакуум в течение нескольких дней или недель.
| Давление (Па или кПа) | Давление (Торр, атм) | Средний свободный пробег | Молекул на см | |
|---|---|---|---|---|
| Стандартная атмосфера, для сравнения | 101,325 кПа | 760 торр (1,00 атм) | 66 нм | 2,5 × 10 |
| Сильный ураган | прибл. От 87 до 95 кПа | от 650 до 710 | ||
| Пылесос | примерно 80 кПа | 600 | 70 нм | 10 |
| Паровая турбина выхлоп (Противодавление конденсатора ) | 9 кПа | |||
| жидкостное кольцо вакуумный насос | примерно 3,2 кПа | 24 торр (0,032 атм) | 1,75 мкм | 10 |
| Атмосфера Марса | от 1,155 кПа до 0,03 кПа (в среднем 0,6 кПа) | от 8,66 до 0,23 торр (от 0,01139 до 0,00030 атм) | ||
| сублимационная сушка | от 100 до 10 | 1 до 0,1 | от 100 мкм до 1 мм | от 10 до 10 |
| Лампа накаливания | от 10 до 1 | от 0,1 до 0,01 торр (от 0,000132 до 1,3 × 10 атм) | от 1 мм до 1 см | от 10 до 10 |
| Термос-баллон | от 1 до 0,01 | от 1 × 10 до 1 × 10 торр (1,316 × От 10 до 1,3 × 10 атм) | от 1 см до 1 м | от 10 до 10 |
| Земля термосфера | от 1 Па до 1 × 10 | От 10 до 10 | от 1 см до 100 км | от 10 до 10 |
| вакуумная трубка | от 1 × 10 до 1 × 10 | от 10 до 10 | от 1 до 1000 км | от 10 до 10 |
| с крионасосом MBE камера | 1 × 10 к 1 × 10 | от 10 до 10 | от 100 до 10000 км | от 10 до 10 |
| Давление на Луне | примерно 1 × 10 | 10 | 10,000 км | 4 × 10 |
| Межпланетное пространство | 11 | |||
| Межзвездное пространство | 1 | |||
| Межгалактическое пространство | 10 |
 | Викицитатник содержит цитаты, связанные с: Vacuum |
 | Искать вакуум в Викисловаре, бесплатный словарь. |
 | Викискладе есть материалы, относящиеся к Вакуум. |
