Какие физические свойства используются при получении вакуума
В науке и технике под вакуумом понимается состояние газа, плотность которого меньше плотности, соответствующей состоянию воздуха на уровне земли. Чем значительнее уменьшение плотности газа, тем лучше вакуум. Вакуум обладает многими полезными свойствами, которые находят широкое применение в различных областях науки и техники. Например, в вакууме резко снижается химическая активность кислорода в процессе окисления металлов.
Другими словами, в вакууме можно сохранять различные химические вещества и использовать их специфические свойства. При очень высоких степенях разрежения поверхности остаются чистыми (без адсорбции хотя бы монослоя газа) в течение нескольких часов, что позволяет проводить исследования таких поверхностей, а также различных явлений, связанных с адсорбированными молекулами газа. Малочисленность молекул остаточного газа в условиях вакуума приводит к тому, что различные частицы могут проходить в таких условиях без столкновений большие расстояния.
Особенно это важно для заряженных частиц — элект
ронов, ионов и протонов, траекториями движения которых в вакууме можно управлять с помощью электрических и/или магнитных полей. Такие физические явления, как распространение звука, тепло- и массопере-нос, которые при атмосферном давлении определяются процессами взаимодействия молекул газа, существенно изменяются с уменьшением давления вплоть до того, что роль таких взаимодействий в механизме переноса становится второстепенной.
Упомянутые эффекты, очевидно, зависят от степени разрежения. Таким образом, плотность остаточного в объеме газа является непосредственной мерой вакуума. Однако еще из работ Бойля было известно, что плотность газа прямо пропорциональна давлению, поэтому сложилась общепринятая практика определять степень вакуума по давлению остаточного газа.
Современная вакуумная техника позволяет создавать вакуум, характеризующийся давлением, в 1015 раз меньшим атмосферного. Для удобства весь диапазон достижимых величин разрежения делят на несколько поддиапазонов. Схематично это деление представлено на рис. 1.1, где давление измеряется в Паскалях. На этом рисунке также показаны основные области применения вакуума в зависимости от степени разрежения. Использование вакуума, например в прессах и подъемных механизмах,
обусловлено значительными силами, возникающими вследствие разности
давлений по обе стороны поршня, а не каких-то особенностей вакуума.
Использование упомянутых выше свойств вакуума предусматривает обеспечение соответствующей степени разрежения, что, в свою очередь, требует применения правильно подобранного оборудования вакуумной системы. Чтобы сконструировать вакуумную систему, обладающую оптимальными характеристиками, необходимо знать не только параметры оборудования, но и все те факторы, которые могут влиять на них. Например, совершенно недостаточно знать, что насос имеет скорость откачки, равную 10-1 м3*с-1, и позволяет достигать предельного давления 10-6 Па.
В неудачно сконструированных вакуумных системах параметры оборудования могут оказаться значительно хуже (на порядок величины) по сравнению с оптимальными. Поэтому для достижения оптимальных характеристик оборудования необходимо понимать основные принципы работы вакуумной техники. Это особенно важно для сверхвысокого вакуума (ниже 10-6 Па), когда число молекул газа, адсорбированных поверхностями вакуумной камеры, может значительно превышать число молекул, находящихся в объеме.
В данной главе в конспективной форме рассмотрены основные законы и понятия, относящиеся к вакуумной технике. Более подробные сведения читатель может получить3′ из книги П. Редхеда с соавторам
Александр Титов
Просветленный
(41509)
7 лет назад
В замкнутом сосуде, содержащем вакуум, молекулы газа сталкиваются преимущественно со стенками сосуда, и лишь изредка — между собой. Это — условие вакуума.
Особенностью процесса теплопереноса в высоком вакууме состоит в одновременном участии всех газовых молекул в процессе переноса. Согласно уравнению Ньютона-Рихмана при высоком вакууме тепловой поток прямо пропорционален давлению газа.
Число газовых молекул, адсорбированных на поверхности твёрдого тела при высоком вакууме прямо пропорционально давлению газа (закон Генри) .
Охлаждение или захолаживание поверхности до низких температур, так называемых криогенных, является фундаментальной основой для откачки газа из объёма. Также физической основой откачки газа, которая лежит в основе конструкции вакуумных насосов, являются процессы конденсации, физической адсорбции и хемосорбции.
Принцип работы некоторых вакуумных насосов основан на явлении электрического поглощения газов, суть которого составляет процесс внедрения высокоэнергетических ионов в приповерхностные слои камеры.
Необходимость получения вакуума является очевидной при управлении потоком заряженных частиц. Молекулы газа в камере, с которыми сталкиваются заряженные частицы, ослабляют этот поток, причём эффект этого ослабления снижается с уменьшением давления газа или концентрации газовых молекул в камере.
Источник: Курс лекций по вакуумной технике
$$$LEAD$$$Мыслитель (7041)
7 лет назад
Спасибо,но я спрашивал не о техническом вакууме.В школе преподавали,но помимо свойства поляризации при сохранении нейтральности вспоминаю обрывки.Хотелось бы подробнее,а информацию найти нигде не могу.
Корпускуляр
Гений
(67314)
7 лет назад
Если имеется в виду физический вакуум, тогда вот вам формула плотности его энергии E/V = c² c² / (8 π G r²), где c — скорость света, G — гравитационная постоянная, r — минимальный размер чёрной дыры. До каких пределов может сжаться чёрная дыра — пока никто не знает. Может, до радиуса электрона, а может и до планковской длины, это порядка 10(-33) метров. Разделив приведённую формулу на квадрат скорости света, получите плотность его массы.
Что касается скорости передачи деформации в нём, так это будет зависеть от вида деформации. Если деформация формируется электромагнитным полем, тогда скорость будет совпадать со скоростью света. Если же торсионными полями, тогда скорость окажется примерно на 21 порядок больше (я не помню точную цифру и формулу, надо в бумагах искать) . Были у меня также формулы и значения упругости, но их я совсем забыл.
Конечно, эти данные получены не в рамках традиционных представлений. И поэтому ни в каком Гугле или Яндексе вы их не найдёте.
$$$LEAD$$$Мыслитель (7041)
7 лет назад
Мне физика видится несколько иначе.Энергия вакуума равна плюс-минус бесконечность,что подтверждается наблюдениями.Чёрные дыры не сжимаются.Если в звезде зарождается масса,то в чёрной дыре она уничтожается.Закон сохранения,однако.Почитал бредятину под названием ОТО,поржал от души.Что здесь не смешно,так это то,что масса людей в это верят.Меня интересует натяжение поверхности вакуума,образованное не под воздействием поля.Конкретнее — оболочка медленного нейтрона.Гугл и яндекс при попытке запроса индексируют адрес и просят ввести код,якобы для подтверждения,что не робот.Мыло выдаёт результат сразу,но такой-же,как и остальные поисковики — никакой.Что касается вашего видения мира,то ознакомьтесь с полной версией теории относительности,содержащей две поправки и то-ли 12,то-ли 17 исключений.Тогда произойдёт одно из двух — либо откажетесь от величины с в пользу v,либо примените другую формулу для описания.Теория относительности является частным случаем для описания процессов вблизи грав.масс.
Для нас сейчас физический вакуум -— это то, что остается в пространстве, когда из него удаляют весь воздух и все до последней элементарные частицы. В результате получается не пустота, а своеобразная материя — Прародитель всего во Вселенной, рождающий элементарные частицы, из которых потом формируются атомы и молекулы.
А. Е. Акимов (11,с.24)
Так как в понятие вакуума вкладывается всепроникающая среда, находящаяся между частицами, то вакуум занимает все межчастичное пространство; следовательно, эту среду можно определить как бесчастичную форму материи, плотность которой изменяется соответственно действующим на вакуум силам. Плотность вакуума имеет весьма малое значение по сравнению с привычными для нас значениями плотности вещества: например, плотность вакуума, находящегося между молекулами газа при давлении в одну атмосферу составляет 10-15 г/см3, а плотность дистиллированной воды при тех же условиях — 1 г/см3 (20, с. 60).
Гравитация, присущая любым массам, присуща и массе вакуума. На основании этого постулата сила взаимодействия тела с любой частью вакуума будет определяться законом всемирного тяготения. То есть тела притягивают к себе вакуум подобно тому, как Земля притягивает находящиеся на ней тела. Поэтому при движении какого-либо тела вместе с ним будет двигаться (увлекаться) и окружающий его вакуум. Разумеется, это увлечение будет только в том случае, если на этот вакуум не действует большая сила (от гравитационного воздействия других тел), удерживающая вакуум от этого увлечения. Однако вакуум не просто увлекается за движущимся телом, а «выполняет роль подлинного управителя всякого движения. В образном представлении, вакуум, словно бульдог, вцепляется в любой макрообъект с тем большим усилием, чем массивнее его жертва. Вцепившись, он уже никогда не отпускает ее, сопровождая во всех странствиях по космическому пространству. Физически это означает, что вакуум и контролируемый им объект представляют собой замкнутую систему” (21, с, 27).
Уникальные опыты Физо и Майкельсона показали, что в природе нет абсолютно неподвижного вакуума. Вакуум, обладая массой, всегда увлекается тем телом, гравитационные силы которого преобладают, В указанных опытах таким телом является Земля, увлекающая околоземной вакуум (в опыте Майкельсона) и не позволяющая движущемуся на Земле телу увлекать вакуум, находящийся между частицами тела (в опыте Физо).
В современной интерпретации физический вакуум представляется сложным квантовым динамическим объектом, который проявляет себя через флуктуации. Физический вакуум рассматривают как материальную среду, изотропно (равномерно) заполняющую все пространство (и свободное пространство и вещество), имеющую квантовую структуру, ненаблюдаемую в невозмущенном состоянии (33. с. 4).
Для лучшего понимания физического вакуума было признано целесообразным рассматривать его как электронно-позитронную модель Дирака в ее несколько измененной интерпретации.
Представим физический вакуум как материальную среду, состоящую из элементов, образуемых парами частиц и античастиц (по Дираку — электронно-позитронная пара).
Если частицу и античастицу вложить друг в друга, то такая система будет истинно электронейтральной. А так как обе частицы обладают спином, то система «частица—античастица” должна представлять пару вложенных друг в друга частиц с противоположно направленными спинами. Вследствие истинной электронейтральности и противоположности спинов такая система не будет обладать и магнитным моментом (33, с. 5). Систему из частиц и античастиц в указанном выше виде, обладающую указанными свойствами, называют фитоном. Плотная упаковка фитонов и образует среду, называемую физическим вакуумом. Однако следует помнить, что эта модель весьма упрощена, и было бы наивно усматривать в построенной модели истинную структуру физического вакуума (рис. 1, а, б).
Рассмотрим наиболее важные в практическом отношении случаи возмущения физического вакуума разными внешними источниками (86. с, 940).
1. Пусть источником возмущения является заряд q (рис. 1, в). Действие заряда будет выражено в зарядовой поляризации физического вакуума, и это его состояние проявляется как электромагнитное поле (Е-поле). Именно на это указывал ранее в своих работах академик АН СССР Я. Б. Зельдович.
2. Пусть источником возмущения является масса m (рис, 1, г). Возмущение физического вакуума массой т будет выражаться в симметричных колебаниях элементов фитонов вдоль оси на центр объекта возмущения, как это условно изображено на рисунке. Такое состояние физического вакуума характеризуется как спиновая продольная поляризация и интерпретируется как гравитационное поле (G-поле). Такая идея была высказана еще А. Д. Сахаровым (87, с. 70). По его мнению, гравитация вообще не является отдельной действующей силой, а возникает в результате изменений квантово-флуктуационной энергии вакуума, когда имеется какая-либо материя, подобно тому, как это происходило с образованием сил в опыте Г. Казимира. А. Д. Сахаров считал, что присутствие материи в море частиц с абсолютно нулевой энергией вызывает появление несбалансированных сил, движущих материю, называемых гравитацией (86,с.940).
3. Пусть источником возмущения является классический спин (рис. 1, д). Спины фитонов, которые совпадают с ориентацией спина источника, сохраняют свою ориентацию. Спины фитонов, которые противоположны спину источника, под действием этого источника испытывают инверсию. В результате физический вакуум перейдет в состояние поперечной спиновой поляризации. Это состояние интерпретируется как спиновое поле (S-поле), то есть поле, порождаемое классическим спином. Такое поле называют еще торсионным полем (31, с. 31).
В соответствии с изложенным можно считать, что единая среда — физический вакуум может находиться в разных поляризационных состояниях, EQS-состояниях. Причем физический вакуум в фазовом состоянии, соответствующем электромагнитному полю, обычно рассматривается как сверхтекучая жидкость. В фазовом состоянии спиновой поляризации физический вакуум ведет себя как твердое тело.
Указанные соображения примиряют две взаимоисключающие точки зрения — точку зрения конца XIX века и начала XX века, когда эфир рассматривали как твердое тело, и представление современной физики о физическом вакууме как о сверхтекучей жидкости. Правильны обе точки зрения, но каждая для своего фазового состояния (33, с. 13).
РИС. 1 Диаграмма поляризационных состояний физического вакуума
Все три поля: гравитационное, электромагнитное и спиновое — являются универсальными. Эти поля проявляются себя и на микро-, и на макроуровнях. Здесь уместно вспомнить слова академика АН СССР Я. И. Померанчука; Вся физика — это физика вакуума”, или академика ЭАН Г. И. Наана: “Вакуум есть все, и все есть вакуум» (63,с.14).
В результате знакомства с теорией физического вакуума становится ясно, что современная природа не нуждается в “объединениях». В природе есть только физический вакуум и его поляризационные состояния, а “объединения” лишь отражают степень нашего понимания взаимосвязи полей (31, с. 32).
Следует отметить еще один чрезвычайно важный факт, касающийся физического вакуума как источника энергии.
Традиционная точка зрения сводилась к утверждению, что, так как физический вакуум является системой с минимальной энергией, то никакую энергию из такой системы извлечь нельзя. При этом, однако, не учитывалось, что физический вакуум — это динамическая система, обладающая интенсивными флуктуациями, которые и могут быть источником энергии. Возможность эффективного взаимодействия спинирующих (вращающихся) объектов с физическим вакуумом позволяет с новых позиций рассмотреть возможность создания торсионных источников энергии.
Согласно Дж, Уиллеру, планковская плотность энергии физического вакуума составляет 1095 г/см3, в то время как плотность энергии ядерного вещества равна 1014 г/см3. Известны и другие оценки энергии вакуумных флуктуации, но все они существенно больше оценки Дж. Уиллера (31, с. 34). Следовательно, можно сделать следующие многообещающие выводы:
• энергия вакуумных флуктуации весьма велика в сравнении с любым другим видом энергии;
• через торсионные возмущения возможно высвободить энергию вакуумных флуктуации.
Российские ученые полагают, что в физическом вакууме “упрятаны” скрытая материя и скрытая энергия, равные чуть ли не половине тех, что реализованы в виде Вселенной (113, с. 7).
В физике формируется новое направление научных исследований, которое связано с изучением возможностей и свойств физического вакуума – теория физического вакуума. Данное направление становится доминирующим, оно способно в прикладных аспектах к прорывным технологиям в сфере электроники, энергетики и экологии.
Чтобы понять место и роль вакуума в сегодняшнем мире рассмотрим соотношение материи вакуума и вещества.
В данном отношении весьма интересны рассуждения Я.Б. Зельдовича.
«Вселенная огромна. Расстояние между Землей и Солнцем около 150 миллионов километров. Расстояние от солнечной системы до центральной точки Галактики в 2 млрд. раз превышает расстояние от Земли до Солнца. Размеры наблюдаемой Вселенной превышают расстояния от Солнца до центра Галактики в миллион раз. И это бескрайнее пространство заполнено невероятным количеством вещества.
Масса Земли превышает 5,97×1024 кг. Это настолько большая величина, что ее сложно сознать. Масса солнца больше в 333 тысячи раз. В одной только наблюдаемой Вселенной общая масса около 1022 степени масс Солнца. Вся бескрайняя огромность пространства и количество в нем вещества поражает воображение».
Одновременно с этим, атом, находящийся в составе твердого тела, намного меньше любого предмета, известного нам, но больше ядра, находящегося в центре атома, во много раз. В ядре содержится практически все вещество атома. Если увеличить атом так, чтобы ядро достигло размеров макового зернышка, то размеры атома будут составлять десятки метров. На расстоянии нескольких десятков метров от ядра будут расположены увеличенные во много раз электроны, которые все равно будет сложно разглядеть глазом, так как они слишком малы. А между ядром и электроном будет оставаться большое пространство, не заполненное веществом. Но пространство это не пустое, это особый вид материи, которое называется физический вакуум.
Теория физического вакуума образовалась в науке в результате осознания того, что вакуум не является пустотой, то есть «ничем». Физический вакуум — существенное «нечто», порождающее все в мире, он определяет свойства вещества, составляющего окружающий мир. Даже внутри массивного и твердого предмета вакуум занимает намного большее пространство, чем вещество. Мы подошли к выводу, что вещество – редчайшее исключение в огромном пространстве, которое заполняет субстанция вакуума. Такая асимметрия еще сильнее выражена в газовой среде, не говоря уже о космосе, где присутствие вещества является исключением, а не правилом. Известно, насколько ошеломляюще огромным является количество материи вакуума во Вселенной по сравнению с большим количеством в ней вещества. Сегодня ученым известно, что вещество обязано своим происхождением материальной субстанции вакуума, и свойства вещества полностью определяются свойствами физического вакуума.
Наука и ученые, занимающиеся теорией физического вакуума, глубже и глубже проникают в суть вакуума. Определена основополагающая роль вакуума в образовании законов вещественного мира. Утверждение «все из вакуума и все вокруг нас является вакуумом» не является удивительным. Физика сделала прорыв в описании самой сущности вакуума, определила условие для его использования в решении множества проблем, в том числе проблем экологии и энергетики.
По расчетам Р.Фейнмана, нобелевского лауреата, и Дж. Уилера, потенциал вакуума относительно энергии настолько велик, что «в вакууме, заключенном в объеме электрической лампочки, содержится такое больше количество энергии, которого хватит вскипятить все океаны на Земле». Но методы получения энергии из вещества до сих пор остаются не просто доминирующими, а считаются единственно возможными. По-прежнему продолжают понимать под окружающей средой вещество, которого мало, не учитывая вакуум, которого так много. Именно этот «вещественный» подход привел к ситуации, когда человечество, купаясь в энергии, переживает энергетический голод.
Теория физического вакуума исходит из того, что физический вакуум – окружающее пространство, является неотъемлемым элементом системы энергопреобразования. Возможность выработки энергии из вакуума находит объяснение без отступления от законов физики. Открывается путь формирования энергетических установок, имеющих избыточный энергетический баланс, где полученная энергия больше энергии, потраченной первичным источником питания. Такие установки смогут открыть доступ к безграничной энергии вакуума, запасенной самой Природой.