A fizika , vákuum az, hogy nincs minden kérdésben . Az abszolút vákuum tehát statisztikailag elemi részecskék nélküli közeg . A közelítő vákuum első definíciójaként ezért megtartható egy olyan tér, amelyben a molekulák nagyon ritkák . Így elegendő egy vákuumszivattyút használni a levegő levezetéséhez egy lezárt kamrából, hogy ott "vákuumot hozzon létre" . A minőséget a vákuumot, majd határozza meg a maradék levegő nyomása , általában kifejezve pascal , millibar vagy torr . Csak részleges vákuum érhető el ilyen eljárással, a hőmérséklettől függetlenül .
A csillagászat ürege az égitestek közötti térben található, amelyet " űrnek " neveznek .
A nyomás a nagyságrendileg 10 -8 Pa nevezzük ultra-vákuum , amely, a szokásos hőmérsékleteken (300 K), megfelel egy sűrűsége a sorrendben tíz millió molekula per köbcentiméter. Összehasonlításképpen, a sűrűség belül csillagközi gázok van nagyságrendű 1 atom per köbcentiméter.
A vákuum fogalmát általában úgy értelmezik, hogy nincs részecske, és sok fizikus között a történelem folyamán ez a hiány kompatibilis egy olyan éter létezésével, amely észrevétlenül kitölti a teret és a testet, lehetővé teszi a fény és az erők átjutását távolság. Az általános relativitáselmélet óta a mező fogalma előnyösen felváltotta az éter fogalmát . Másrészt, a kvantumfizika egészítette némi komplikáció, hogy a fogalom vákuum, a vákuum-ingadozások , vagy akár azzal a gondolattal, hamis vákuum .
Történelmileg a vákuum megléte sok vitát váltott ki. Az ókori görög filozófusok az atomizmus összefüggésében vitatták a vákuum létezését, amely a vákuumot és az atomokat a fizika alapvető magyarázó elemének tekinti. Követve Platón , sőt az elvont fogalom egy characteristicless void arcú jelentős szkepticizmussal: nem lehetett által elfogott az érzékek, nem tudta, önmagában további magyarázó ereje túl a fizikai mennyisége, amellyel arányos volt, és definíció szerint volt szó szerint egyáltalán semmit , ami nem mondható el semmiről, ami létezik. Arisztotelész úgy vélte, hogy semmiféle üresség nem fordulhat elő természetesen, mivel a sűrűbb körülvevő anyag folytonossága azonnal kitölti az esetleges hiányt, amely ürességet eredményezhet.
Arisztotelész (-384 hogy -322) cáfolja azt az elképzelést, üresség fejezetek 8 ( mozgása ) és 9 ( üresség hiányában mozgás ) könyve IV ő fizika . Minden nehéz testnek, amely leesik, van egy bizonyos sebessége, amelyet a természet határoz meg, és amelyet nem lehet sem növelni, sem csökkenteni, csak erőszak alkalmazásával vagy ellenkezéssel. Tévesen feltételezi, hogy a másiknál tízszer nehezebb mobil tízszer gyorsabban mozog, ezért tízszer gyorsabban esik.
Másrészt Arisztotelész megfigyelve a sűrű közegben való mozgás nehézségeit, Arisztotelész azt feltételezi, hogy a levegőben lévő sebesség a víz sebességéhez képest a sűrűségük fordított arányában van. Ha a víz tízszer sűrűbb, mint a levegő, ugyanaz a nehéz test tízszer gyorsabban ereszkedik le a levegőbe, mint a vízben. Ha létezhetne az üresség, annak finomsága végtelenül meghaladná bármely más közegét, a mozgás azonnal megtörténne, ami lehetetlen. Ezért a mozgás létezése miatt Arisztotelész szerint lehetetlen, hogy légüres tér legyen. Ő megy olyan messzire, hogy azt mondják, hogy nincs ok a mozgó test (vákuum), hogy hagyja abba valahol „Ετι ουδείς αν ϊγο ειπείν δια τί κινηθεν υτήσεταί που ”, ezáltal nem, talán kicsit, hogy felfedezzék a tehetetlenség . Ez és más szerencsétlen választás, Arisztotelész helyezni a felhők utódai, majd részt tudomány zsákutcába, hogy addig tart, amíg a Galileo , aki minden vereség ezeket az állításokat megsértésével.
A dugattyús szivattyú feltalálása a Kr. E. III . Században Ctesibius által végzett kutatás eredménye . AD in Alexandria . A hidraulikus szervének megvalósítása érdekében tett erőfeszítések arra késztették, hogy feltalálja a dugattyút , sok hidraulikus gép és különösen a szivattyúk középpontjában. A szivattyúrendszereket Philo , akit a Ctesibios folytatójának tartanak, Vitruvius ( machina Ctesibica ) és az alexandriai Heron írja le .
Amit gyakran csak a görögök érdekeltek, azt a rómaiak a gyakorlatban alkalmazzák, különösen a bányákban a vízelvezetés elvégzésére . A szívószivattyúk felszívással emelik a vizet azáltal, hogy nyomásesést hoznak létre a csőben lévő vízszint és a dugattyú alsó felülete között. A dugattyúra helyezett visszacsapó szelep arra kényszeríti a vizet, hogy egy irányban áramoljon, és lehetővé teszi a szivattyúzás megismétlését. Az a magasság, amelyre ez a szivattyú fel tudja emelni a vizet, a víz szabad felületén lévő nyomás és a csőben a szivattyúmechanizmus által létrehozott alacsonyabb nyomás különbségétől függ. Az elméleti határ tehát a légköri nyomás és a tökéletes vákuum közötti különbség, amely 10,33 méterre emelné a vizet, ahogy Evangelista Torricelli , a Galileo tanítványa 1644-ben megállapította. Válaszolta a firenzei szökőkutak számára felvetett problémát. évek óta arra törekedett, hogy eredménytelenül több mint harminckét láb magas (10,33 méter) magasságban szívjon vizet az Arno -ból. Szakértelmén keresztül éppen a fizikai vákuumot, a légköri nyomást emelte ki, és feltalálta a barométert .
Galileit (1564-1642) a vákuum, mint korlátozó közeg érdekelte, nem pedig a vákuum abszolútuma valósága, vagyis abban a viszonylag üres kísérleti környezetben, amelyben a földi gravitáció "ideális" vizsgálatának feltételeihez közelítünk. a testeket sűrűségüktől függetlenül befolyásolja, és leesési idejüket kiegyenlítik, messze nem minden megkülönböztető tényezőtől: "így az ember úgy látja, hogy a vákuum kérdése az olasz tudós számára a tisztaság feltételét jelenti, amelyre a határig érvelve hajlamos (tapasztalatokból) a lassulás különböző környezetekben) anélkül, hogy elérnék az abszolút értéket ”. Galileo viszont jól ismerte a levegő gravitációját, és Párbeszédeiben két módszert tanít annak bemutatására és mérésére, de nem lépett tovább, és a légnyomás felfedezésének megtiszteltetését Torricelli tanítványának tartották fenn.
A vákuumproblémát 1640 és 1648 között szemléltették Gasparo Berti , Evangelista Torricelli (1608-1647), Marin Mersenne , Blaise Pascal ( Gilles Person de Roberval társaságában ) nevével .
1643-ban tehát Torricellinek az volt az elképzelése, hogy ez az erő, amely a levegő nélküli csövekben a szintjük fölött tartja a folyadékokat, csak a külső felületükön nehezedő légköri oszlop lehet. Ennek az elvnek az elfogadásával arra a következtetésre jutott, hogy a víznél nehezebb folyadék nem emelkedik 32 lábra, és hogy az általa elérhető magasság a víz súlyához képest fordított arányban alakul ki. Így a higany körülbelül 14-szer nehezebb, mint a víz, ezért csak 32 láb tizennegyedik részéig, vagyis 29 vagy 30 hüvelykig emelkedhet. Torricelli ennek megfelelően egy több láb hosszú üvegcsövet vesz fel, egyik végén hermetikusan lezárva, higannyal tölti meg, majd fejjel lefelé fordítja, és a nyílást egy ujjal bedugja. Miután a cső ezen részét egy higannyal teli edénybe merítette, előveszi az ujját. Az esemény igazolta sejtését, a csőben lévő higany addig ereszkedett, amíg a higany felszíne felett csak körülbelül 30 hüvelyk magas oszlop maradt a vázában.
Ezt az élményt Marin Mersenne megismétli 1644-ben. Blaise Pascal értekezést tesz közzé: Új tapasztalatok érintik az ürességet 1647-ben. Meghatározza sógorát, Florin Périert (de) a puy de Dôme kísérletének elvégzésére, amelyben megállapította, hogy a Torricelli-csőben alátámasztott higanyoszlop magassága a magasságtól függően változott. Ezzel már nem volt szabad kételkedni abban, hogy a légköri gravitáció tartja egyensúlyban a higanyoszlopot, mivel a levegőben emelkedve, és így a légköri oszlopot rövidebbé és következésképpen kevésbé nehézkessé téve a higanyé csökken ugyanabban az időben.
Ahol Pascal , minden bizonnyal empirikusabbnak véli, hogy a kísérlet a fordított cső belsejében lévő vákuum mellett dönt, Descartes (1596-1650) bevezeti a materia subtilis fogalmát, amely nem érzékelhető, és kitölti a cső tetejét, "anyag észrevehetetlen, hallatlan és minden érzék számára ismeretlen ”. Az első a vacuists (a latin vákuum , vide), a plenists nem adta fel. A plenisták közé sorolható , olyan gondolkodók mellett, akik tiszta és minden értelmes tapasztalattól független fogalmat ismernek el , a karteziánus hagyományból, az arisztotelizmushoz közelebb álló gondolkodók, például Thomas Hobbes , aki már nagyon korán tudatában volt annak, hogy az észlelésnek korlátai vannak „tehát hogy az érzékek számára hozzáférhetetlen valóság hipotézise nem sérti elvileg és optikai műveiben nem támadja meg a finom anyag fogalmát; ráadásul észfelfogása ugyanabba az irányba tart, csak azt tartja logikus abszurditásba és verbalizmusba, hogy minden tapasztalat előtt radikálisan lehetetlen ”. Más plenisták, mint Étienne Noël , Nicolas Malebranche , Charles Cavendisch és Hobbes, jövőt adnak Descartes metafizikai elképzeléseinek.
A vákuum fennállásának problémája nagyon kényes volt, mivel meghiúsította az arisztotelészi és a karteziánus filozófia bizonyos alapvető posztulátumait. Például Michelangelo Ricci , az etikettet nagyon jól ismerő római matematikus, akinek szintén bíborossá kellett válnia, figyelmeztette Leopold de Medicit , az Accademia del Cimento (a Medici két nagy tudósának , Galileo és Torricelli örökösének ) kezdeményezőjét, megtámadja azt a vitát, amelyet a Saggi - egyfajta illusztrált könyv, amely az arisztokrata és fejedelmi európai közösség tagjainak szán , a Medici tudományának bemutatója - visszhangozhatott; az Akadémia fejedelmi pártfogása szempontjából súlyos kínosnak ítélt támadások.
A XVII . Században már a fejében felvetődött egyfajta hólyag ötlete, amely levegőnél könnyebb anyaggal töltötte meg és képes az embert a levegőbe juttatni . 1670-ben Francesco Lana de Terzi , a bresci jezsuita, bízva Archimedes levegőbe lendített lendületében , kiadta a vitorlákkal és evezőkkel ellátott hajó építésének projektjét, amelynek a levegőben kellett közlekednie. Ez a légi hajó négy, 20 láb átmérőjű üreges gömbből állt, amelyeknek teljesen üresnek kellett lenniük. De az ottani vákuum előállításának módja hibás volt, és a kivitelezés szinte lehetetlen, rézből kell készülniük, és csak körülbelül tized milliméter vastagságúaknak kell lenniük. Elméletileg tökéletes helyzetben, súlytalan gömbök mellett a "vákuumballon" 7% -kal könnyebb, mint egy hidrogénnel töltött léggömb, és 16% -kal könnyebb, mint a hélium. Mivel azonban a léggömb falainak képesnek kell lenniük merevnek maradni az ütközés nélkül, a léggömb nem építhető semmilyen ismert anyaggal. Ezt nem hagyták figyelmen kívül Leibniz, Hooke és Borelli esetében, amellett, hogy a Lana által jelzett eljárással lehetetlen tisztázni. Ennek ellenére ma még sokat kell megvitatni a témát.
Robert Boyle , aki discourra a Thomas Hobbes nem lesz vacuiste sem pléniste .
Kísérlet egy Bird in the Air Pump , egy olajfestmény Joseph Wright of Derby 1768-ban, ábrázol egy tudós, előfutára a modern tudósok, reprodukálására egyik Robert Boyle kísérletei egy pumpa , mely a madár meg van fosztva az oxigén mellett a sokszínű közönség tekintete.
Isaac Newton ( 1643-1727 ) plenista volt, mielőtt vakuista lett .
Newton előbb arisztotelész volt, mielőtt a kartéziai filozófia és tudomány kritikusa lett volna, majd a klasszikus mechanika megalapítójaként a tudománytörténetben kapott helyet. Newton első írásai a még mindig nagyon skolasztikus oktatás valódi jegyét jelentik, amely Angliában a XVII . Század elején teljesített. Itt a mozgalom nem más, mint a híres entelechia , vagyis a hatalomban lévő cselekménye, amely éppen ezen tény által a mozgott test ontológiai változását jelenti. Az így felfogott mozgáshoz mozgószerre van szükség. Ha a lövedékek ezért tovább mozognak, miközben a motorjuk már nem működik, az azért van, mert az áthaladt közeg a motort helyettesíti a mozgást támogató szerepében. Az arisztotelészi fizika 4. könyvének minden alapját hűen feltételezzük, még azt az elképzelést is, hogy a mozgás nem végezhető légüres térben.
De Gassendi , Boyle, Hobbes, Henry More és Descartes olvasata fokozatosan vitát vált ki. De Gravitatione- től 1665 körül Newton szándéka ambiciózus lett; most arról volt szó, hogy komolyan megalapozzák a mechanika, mint tudomány alapjait, azokat az alapokat, amelyeket Descartes hiányzott. A "filozófiai" feltételezéseket elutasítják a tudományos fogalmak megalapozásának eszközeként. Ezt követően Newton megállapította a közvetlen arányosságot a bolygókon lévő testek gravitációs ereje és anyagmennyisége között, és végső soron a vákuum bizonyosságát az általa megengedett levonások egyetemessége révén. A Philosophiae naturalis principia mathematica három könyvét a mozgás definíciói és törvényei alapján szentelik:
Ez lehetővé teszi a harmadik könyvben annak megállapítását, hogy az égitestek, amelyek nem tapasztalnak ellenállást a környezetükből, amint azt az akkori csillagászati megfigyelések tanúsítják ( Nicolas Copernic (1473-1543), Johannes Kepler (1571) -1630) , Tycho Brahe (1546-1601) stb. ), És ezért a "nagyon finom anyag" örvényei által nem lehet mozgatni, más törvényeknek kell megfelelnie, mint Descartes által rögzítettek. Ezért az örvények elméletének elutasítása , ezért az univerzális gravitáció elmélete új "világrendszert" hoz létre. Newton azonban úgy véli, hogy a gravitációs erőt egy éter , egyfajta, fizikai tulajdonságoktól mentes szubsztancia közvetíti az űrben , amely megtölti a teret és a testeket.
Az 1920-as évek előtt Einsteint nem a vákuum érdekelte, sokkal inkább az éter és annak oka a fizika "haszontalansága". Éter hiányában ugyanis az üres tér egy olyan koncepció, amely jelen van Maxwell elektromágnesességében , valamint a speciális és általános relativitáselméletben . Ez utóbbi elméletben az összes anyag üres terének egy része görbületi tulajdonságokkal rendelkezik, amelyeket Einstein egyenlete határoz meg . Az 1920-as évektől Einstein megkérdőjelezte az összes anyagtól és mezőtől üres fizikai tér létezését, és egyfajta étertöltő tér létezésének gondolatát vetette fel, amely éppen megfelel az általános relativitáselméletnek. Tölti melléklet 5. könyvében relativitás - speciális és általános elmélete ( relativitás - A speciális és az általános elmélete , fordította Robert Lawson, 1961 ), hogy a relativitáselmélet és a [] probléma a tér . Egyetért Descartes- szel azáltal, hogy tagadja az üresség létezését, vagyis pontosítja, hogy a mezőtől üres tér létezik . Megjegyzi előszavában a 9 -én kiadás a könyv: „A fizikai tárgyak nem ” térben „de ezeknek a tárgyaknak ” térbeli kiterjedése " . Ily módon az "üres tér" fogalma elveszíti értelmét. " .
A vákuum van, a általános relativitáselmélet , a régió tér-idő , amelynek során a energia-impulzus tenzor eltűnik , és hiányában a kozmológiai állandó , a gravitációs mező egyenlet redukálódik , ahol a tenzor Ricci .
A kvantumfizika , amely meghatározza a void, mint az állam energia minimális az elmélet, azt mutatja, hogy az ülés továbbra is a spontán és gyorsan múló materializations a részecskék és azok antirészecskéi kapcsolódó. Ezeket a részecskéket, amelyek létrehozásuk után szinte azonnal megsemmisülnek, virtuális részecskéknek nevezzük . Ezek a kvantumingadozások a bizonytalansági elv közvetlen következményei , amely kimondja, hogy soha nem lehet teljes bizonyossággal megismerni az energia pontos értékét. Ez a "kvantumvákuum-ingadozások" jelensége . Ebben az összefüggésben lehetővé válik a vákuum energiájának megvitatása . Valójában lehetséges, hogy a vákuum polarizálódik , vagyis a részecskék és az antirészecskék évelőkké válnak, és nem múlandók, mint a virtuális részecskék. Ez a polarizáció akkor következik be, amikor a vákuum mágneses teret kap .
Különböző típusú vákuumszivattyúk léteznek a különböző nyomástartományok elérésére, de az alacsonyabb nyomástartományok esetében a technológia és a vákuumkamra tisztasága a legfontosabb. A vákuum minőségének leírására öt terület jellemzi a megmaradt anyagmennyiséget egy térfogathoz viszonyítva. Ezen területek mindegyike egy sor készüléknek felel meg.
Különböző mértékegységeket szoktak használni:
A következő táblázat a különböző vákuumtartományokat az ISO 3529-1 nemzetközi szabvány szerint osztályozza.
Vákuum tartomány | Név és betűszó angolul | Nyomás Pa-ban | Molekulák / cm 3 | Egy molekula szabad átlagos útja | A vákuum létrehozásakor használt anyagok | Vákuum létrehozásához használt szivattyúk | Használ |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Durva vákuum vagy ipari vákuum | Alacsony (durva) vákuum | Légköri nyomás - 100 | 10 19 - 10 16 | 0,1 - 100 μm | Egyszerű, például közönséges acél | Térfogat | Csomagolás ( vákuumzsák ), szárítás , formázás |
Finom vákuum vagy primer vákuum | Közepes (finom) vákuum | 100 - 0,1 | 10 16 - 10 13 | 0,1 - 100 mm | Kidolgozott, például rozsdamentes acél | Térfogat | Kémiai gőzleválasztás (CVD) |
Nagy vákuum, nagy vákuum vagy másodlagos vákuum | Nagy vákuum (HV) | 0,1 - 10-6 | 10 13 - 10 9 | 10 cm - 1 km | Kidolgozott, például rozsdamentes acél | Nagy vákuum elasztomer tömítésekkel | Fizikai gőzleválasztás (PVD) |
Rendkívül nagy vákuum | Rendkívül nagy vákuum (UHV) | 10 -6 - 10 -9 | 10 9 - 10 4 | 1 km - 10 5 km | Olyan, mint alacsony szén-dioxid-kibocsátású rozsdamentes acél, speciális felületi előkészületekkel | Nagy vákuum fém tömítésekkel | Ionnyalábok |
Rendkívül nagy vákuum | Rendkívül nagy vákuum (XHV) | <10 -9 | <10 4 | > 10 5 km | Kifinomult, mint például alacsony széntartalmú rozsdamentes acél, alumínium, réz-berillium és titán vákuummal égetett, speciális felületi előkészületekkel | Kifinomult, fém tömítésekkel |
A vákuum mágneses permeabilitása μ 0
μ 0 ≡ 4π 10 −7 kg m A −2 s −2 (vagy H / m )Vákuum elektromos vezetőképessége :
G 0 = 1/119 916 983 2 π S ≈ 2 654 418 729 438 07 × 10 −3 A 2 s 3 kg −1 m −2 = 1 / (μ 0 c)A vákuum dielektromos permittivitása ε 0
ε 0 = 1/35 950 207 149 π F / m ≈ 8 854 187 817 620 39 × 10 −12 A 2 s 4 kg −1 m 3 ≡ 1 / (μ 0 c 2 ) Z 0 = 119,916 983 2 π Ω ≈ 376 730 313 461 770 68 kg m 2 A −2 s −3 ≡ μ 0 cAz első elterjedt vákuum az izzólámpa volt , amelyet az izzószál kémiai lebomlástól való megvédésére használtak . A kémiai tehetetlensége által termelt vákuum is hasznos hegesztés elektronsugaras , a hideg hegesztés , a vákuum csomagolás és a vákuumos sütés . Az UHV- t atomtiszta szubsztrátumok vizsgálatára használják , mivel csak nagyon jó vákuum hosszú ideig (percek és több nap közötti időtartamig) megőrzi a tiszta felületeket atomi szinten. Nagyvákuum és ultravákuum eltávolítja a levegő eltömődését, lehetővé téve a részecske gerendáinak szennyeződés nélküli lerakódását vagy eltávolítását. Ez az elv a fizikai lerakódás kémiai gőzfázisú leválasztása a gőzfázisban és a száraz maratás , amelyek elengedhetetlenek a félvezető eszközök és az optikai bevonatok ( optikai bevonat (be) ) és a Science felületek gyártásához .
A konvekció csökkentése vákuumban hőszigetelést biztosít a szigetelt palackok (termoszok) számára . A mély vákuum csökkenti a folyadékok forráspontját , és elősegíti az alacsony hőmérsékletű gáztalanítást , amelyet liofilizálási , ragasztási előkészítési , desztillációs , kohászati és öblítési folyamatokban alkalmaznak. Az üres elektromos tulajdonságai lehetővé teszik az elektronmikroszkópokat , a vákuumcsöveket és a katódsugárcsöveket . A vákuumkapcsolókat ( vákuum megszakító (en) ) elektromos készülékekben használják . A vákuum ívvisszafolyása iparilag fontos bizonyos fokú nagy tisztaságú acélanyagok gyártása szempontjából. A légsúrlódás kiküszöbölése a lendkerék energiatárolásához és az ultracentrifugákhoz hasznos .