Vakuum je stav, kdy ve vesmíru nejsou žádné plyny ani jiné látky. Vakuové vytváření je široce používáno v různých oblastech vědy, techniky a průmyslu. Vakuum se využívá ve zpracování materiálů, mikroelektronice, fyzice vysokých energií, ale i v medicíně a kosmickém výzkumu.
Důležitost vytvoření vakua spočívá v tom, že umožňuje ovládat prostředí a provádět procesy, které jsou za normálních podmínek nemožné. Vytvoření vakua může vést ke zlepšení kvality produktu, zvýšení produktivity a energetické účinnosti procesů a objevu nových výzkumných metod.
K vytvoření vakua se používají vakuové pumpy, které na dálku odebírají plyny z uzavřených systémů, čímž se vytváří vakuum. Vývěvy se liší konstrukcí, ale jejich provoz lze obvykle omezit na dva procesy: shromažďování plynů a odčerpávání plynů ze systému. Hlavními typy vývěv jsou difúzní, turbomolekulární a iontové vývěvy.
Při provozu vývěv je třeba vzít v úvahu mnoho faktorů, jako je typ plynu v systému, tlak a teplota, aby bylo dosaženo určité úrovně vakua.
Vakuová technologie tak hraje důležitou roli v moderní vědě a technice a vytváření a řízení vakua se stávají stále důležitějšími úkoly v mnoha oblastech.
K vytvoření vakua se také používají speciální materiály, které mají nízký koeficient prostupu plynu, jako je sklo nebo kov. Vakuová technika má široké uplatnění v různých oborech, jako je výroba polovodičů, fyzika a chemie, měřicí technika a další.
Vytvoření vakua může být poměrně složitý a nákladný úkol, ale správně vybavené a správně nakonfigurované systémy vakuové technologie mohou výrazně zlepšit efektivitu procesu, poskytnout kvalitní produkt a snížit výrobní náklady.
Při práci s vakuovou technologií je však třeba přijmout opatření, aby se předešlo nebezpečným situacím spojeným s vysokými tlaky a teplotami. Za zmínku také stojí, že správné používání, seřizování a údržba vakuových systémů může výrazně prodloužit jejich životnost a předejít neočekávaným poruchám.
Vytvoření vakua je tedy důležitým úkolem ve vědě, technice a průmyslu. Speciální vakuové pumpy a materiály pomáhají vytvářet a řídit vakuum a používají se k velkému množství účelů. Při použití vakuové techniky je však nutné vzít v úvahu mnoho faktorů a dodržovat provozní pravidla, abychom dosáhli požadovaných výsledků a předešli nežádoucím následkům.
Jednou z aplikací vakuové technologie je vakuové svařování, které se používá při výrobě zařízení pracujících v náročných prostředích, jako je automobilový a letecký průmysl. Při vakuovém svařování jsou molekuly vzduchu seskupené kolem svařovaných ploch odstraněny ze svařovací zóny, což umožňuje získat ultrapevné svarové spoje.
Vakuum také hraje důležitou roli ve výrobě elektroniky. Je nezbytný pro výrobu polovodičů, které se používají v mikroelektronice a elektrotechnice. Například litografický proces používaný k vytvoření šroubových procesorů a čipů vyžaduje velmi vysoké vakuum pro fotolitografii.
Vakuum se také používá k výrobě optických povlaků na skleněné povrchy, což výrazně zlepšuje jejich průhlednost a lom.
Konečně, vakuum se používá pro průzkum vesmíru a astronomický výzkum. Díky vytvoření vakua mohou různé satelity a kosmické lodě operovat v extrémních podmínkách, provádět měření a získávat data o vesmíru.
Vakuová technika hraje v moderním světě důležitou roli. Používá se ve výrobě, vědeckém výzkumu, medicíně a dalších oborech. Vytvoření vakua vyžaduje použití speciálních vývěv a materiálů a také kontrolu mnoha faktorů, jako je tlak, teplota a složení plynu. Správný provoz vakuové technologie však může výrazně zlepšit provozní efektivitu a kvalitu produktu a vést k objevu nových metod výzkumu a vývoje.
Přes všechny výhody existují určitá omezení v použití vakuové technologie. Vakuum může být škodlivé pro některé materiály a struktury, takže ne všechny procesy lze dokončit pomocí vakua. Provozní studie navíc často vyžadují speciální instalace, které mohou být velmi nákladné.
Dalším významným omezením je problém samotného udržování vakua. Ideálního vakua, ve kterém chybí absolutně všechny molekuly, nelze nikdy dosáhnout, protože vždy existuje malé množství plynů, které neustále podléhají termodynamickým vlivům. Udržování vakua na požadované úrovni vyžaduje neustálé seřizování a regulaci instalace a představuje významnou technologickou výzvu.
Přes svá omezení je vakuová technika nedílnou součástí našeho světa a řada technologií a procesů se bez ní neobejde. S vývojem nových materiálů a inovativních způsobů vytváření vakua lze v této oblasti vědy a techniky očekávat nové objevy a aplikace.
V každém konkrétním případě je nutné vzít v úvahu specifika úkolu a zvolit optimální způsob vytvoření vakua. Vakuová technika ale nepochybně hraje v našich životech důležitou roli a možnosti využití jejích aplikací stále nejsou vyčerpány.
Teoretická fyzika používá termín ideální vakuum, který představuje stav systému s nejnižší možnou energií.
V ideálním případě se vakuem rozumí fyzikální stav, ve kterém nejsou žádné částice, ať už hmota (např. elektrony, protony atd.), ani záření (např. fotony).
Jde tedy o část prostoru, která neobsahuje žádnou hmotu, ale která může být ovlivněna fyzikálním polem, jako je gravitace. Takové vakuum se často nazývá ideální. Vakuum bez pole se nazývá prázdný prostor.
V technické praxi to znamená prostor, ve kterém je tlak plynu výrazně nižší než při běžném atmosférickém tlaku. Vakuum je vytvářeno vývěvami a měřeno v konvenčních tlakových jednotkách pomocí různých vakuometrů.
Vakuum je moderní technologie. Technologie ano, ale ne zdroj energie!
Při hledání informací na internetu o slovu „vakuum“ vynikne jako první velké množství článků věnovaných tzv. technologiím získávání volné energie z vakua.
Tyto úvahy zapadají do současného kontextu aktivního hledání nových zdrojů energie na pozadí statistik o vyčerpávání světových zásob fosilních paliv a také vážných obav z rozvoje energie z jaderných elektráren.
Avšak „neomezené množství volné energie“ a dokonce i z vakua je neprofesionálně a klamavě vnímáno jako „naděje lidstva“ na vyřešení problému výroby a dodávek energie.
Vakuum je jednou z pokročilých technologií naší doby, ale není a ani nemůže být zdrojem energie. Proč?!
„Vakuum“ je abstraktní pojem znamenající „absolutní prázdnotu“ – médium, ve kterém nejsou žádné mechanické částice, žádné plyny, žádné páry. Takový stav je však idealizací. Ideální „prázdnota“ je v pozemských podmínkách obecně nedosažitelná, ale ani ve Vesmíru neexistuje oblast, ve které by nebyly absolutně žádné částice hmoty.
Ve vesmíru je také nejmenší gravitační a elektromagnetické pole, podle A. Einsteina homogenní unitární pole, proto i zde je vakuum fyzikálním prostředím. Vakuum jako takové však v praxi i podle kvantové teorie nemůže být nikdy absolutní, zcela prázdné.
Vakuum je stav systému s minimální možnou energií, tzn. že nic nemůže mít méně energie než vakuum, a proto nelze z vakua ani čerpat žádnou energii.
„Kvantové vakuum“ (fyzické médium teoreticky uvažované kvantovou mechanikou, ale nutně obsahující částice) také není nikdy prázdné, protože by to odporovalo „vztahu nejistoty“ mezi energií a časem.
Heisenbergův princip neurčitosti (zjednodušeně) – nelze současně určit polohu částice v čase a její energii. Umístění částice a hybnost částice se vzájemně vylučují. Měříme-li polohu částice, měníme i její energii.
V „kvantovém vakuu“ se tedy částice neustále tvoří a samovolně mizí, ale v určitém okamžiku je nemožné změřit a obecně ani odebrat (!) jejich energii. I v tomto případě platí zákon zachování energie.
Objeví-li se čas od času náznaky vynálezů v oblasti vakuové energie, jejich objevitelé ignorují zákon zachování energie a modifikují „princip nejistoty“ v domnění, že vakuum je stále plné samovolných částic a tedy plné energie.
Jednoduše řečeno, tyto hypotézy jsou založeny na „znalosti“, že každá částice s elektrickým nábojem sama o sobě vyzařuje energii. Pak už stačí oddělit kladné náboje od záporných a vzniklý dipól bude zdrojem volně proudící energie.
To je chyba! Elektrický náboj v klidu nevyzařuje žádnou energii, je pouze zdrojem elektrostatického pole. Většina elektrických zařízení využívá působení nábojů pohybujících se za jednotku času nebo elektrického proudu.
Elektrický proud může mít mnoho podob, budí elektrická a magnetická pole (fyzikálně jednotné elektromagnetické pole) a využití elektrické energie je dáno jejími elektromagnetickými a elektrodynamickými účinky.
Vakuum je také v kvantové mechanice definováno jako stav systému s co nejnižší energií, tzn. že systém nemůže sestoupit na nižší energetickou hladinu a také je nemožné uvolnit jakoukoliv energii z vakua.
Přestože ve strojírenství existuje pojem „volná energie“, vyskytuje se i v oblasti termodynamiky, kde lze v tepelných motorech využít pouze určitou (volnou) část energie, zbývající energie jsou pevně vázány v termodynamickém systému.
Aplikace vakua ve vědě a technice
Vakuum v technickém smyslu je stav silného zředění plynu. Takto chápaná hranice mezi zředěným plynem a vakuem je diskutabilní. Systém je často považován za vakuum, pokud je střední volná dráha molekul plynu srovnatelná s velikostí nádoby, ve které se plyn nachází.
Průmyslové vakuum (používané v průmyslové nebo výzkumné praxi) je prázdný prostor, který vždy obsahuje určité množství částic plynu a par v takovém stavu, že tlak těchto plynů (nebo jejich směsí) je menší než okamžitý atmosférický tlak za normální teploty. .
Průmyslové vakuum jako technologické médium se již desítky let používá ve fyzice (iontová hmotnostní spektrometrie), medicíně, elektrotechnice (technologie výroby polovodičů), chemickém a automobilovém průmyslu, energetice (izolace vysokonapěťových spínačů, testování nádob reaktorů a potrubí) , atd.
Vakuum – technologie XNUMX. století
Devatenácté století bylo samozřejmě právem nazýváno dobou páry, protože vynález parního stroje způsobil revoluci na tehdejší úrovni techniky, v rozvoji průmyslu i dopravy. V následujícím dvacátém století se vývoj zrychlil natolik, že toto století lze bez nadsázky nazvat vědeckotechnickou revolucí.
Inovativních objevů bylo tolik, že by bylo těžké najít ten jediný nejvýznamnější, který by charakterizoval tento věk.
Nejprve bylo dvacáté století nazýváno stoletím elektřiny, později stoletím atomové energie, stoletím kosmonautiky a nakonec stoletím elektroniky. Jistě by se našla i jiná, stejně vhodná označení.
V dnešní době, kdy světu dominuje elektronika a zejména mikroelektronika, je polovodičový průmysl jedním z nejdůležitějších odvětví. Jenže právě polovodičové technologie jsou z velké části neoddělitelně spjaty s progresivním fyzikálním prostředím – vakuem.
Například tenkovrstvé technologie vakuového napařování, klasické a magnetronové naprašování, plazmochemické metody depozice tenkých vrstev, depozice vrstev nebo metody dopování polovodičů iontovou implantací.
Bez dalšího překotného rozvoje a miniaturizace elektroniky a zejména výpočetní techniky si nedokážeme představit ani současnost, ani budoucnost.
Vysoce náročná moderní zařízení, jako jsou velké urychlovače částic a tokamaky pro výzkum v oblasti jaderných reakcí, vysokoteplotního plazmatu a řízené fúze, se neobejdou bez systémů ultravysokého vakua.
Vakuum se používá ve strojírenství k uchopení předmětů, v potravinářském průmyslu (vakuové balení a sušení). Vakuum je chemicky inertní prostředí, které zabraňuje oxidaci horkých součástek, proto se používá v elektrotechnice (lampy, žárovky), strojírenství (vakuové vytápění, tavení, svařování, pájení) atd.
Vakuum se používá v mnoha průmyslových odvětvích, často jako součást výrobní technologie, například k homogenizaci materiálů při jejich výrobě, k odstranění bublin a zhutnění, ke snížení bodů varu při zpracování textilií a rafinaci cukru. Vakuové lití zajišťuje dokonalé plnění formy a zabraňuje tvorbě bublin v odlitku.
Dalším průmyslovým využitím vakua je lyofilizace, účinný proces vakuového sušení zahrnující sublimaci ledu při velmi nízkém tlaku, který je mnohem méně energeticky náročný než konvenční sušení teplem. Vyšší vakuum je vyžadováno při výrobě žárovek, elektronek a katodových trubic.
S vakuem pracují domácí vysavače, přísavky pro podávání papíru a jiných plochých materiálů a vakuové manipulátory. Slouží také jako tepelná izolace v termoskách a oknech s dvojitým zasklením.
Myšlenka použití vakua jako izolačního média pro elektrická zařízení spočívá ve využití skutečnosti, že při snížení tlaku plynu na hodnotu, při které je střední volná dráha molekul a elektronů větší než kontaktní mezera v izolačním systému, vývoj elektronových lavin, které iniciují výboje v plynech, je nemožný.
Historie vakuové techniky
Přestože vakuum vyplňuje téměř celý Vesmír, nevzniká v našem světě v biosféře Země samovolně a můžeme ho vytvořit pouze pomocí složitých moderních instalací.
Stejně jako mnoho jiných oborů prošla vakuová technologie dlouhým vývojem. První, kdo zkoumal vakuum na vědeckém základě, byli v 1564. století. G. Galileo (1642 – 1643), stejně jako I. Newton (1727 – XNUMX), když řešili problém, proč nelze čerpat vodu nad méně než deset metrů.
E. Torricelli shrnul své poznatky po provedení svého slavného experimentu (Torricelliho trubice) a ukázal, jak lze vytvořit vakuum. V době, kdy O. Guericke demonstroval „Magdeburskou polokouli“ (1672, podle některých zdrojů 1650).
Vakuum bylo ještě větší kuriozitou bez praktického využití (lidé byli ohromeni pohledem na několik párů koní, které sotva roztrhaly hemisféry, z nichž byl odčerpáván vzduch.
Jedním z prvních praktických použití vakua bylo Thomas Alva Edison (1847–1931), když v roce 1879 použil vlákno z uhlíkových vláken umístěné ve vakuové baňce, což vedlo k prvním komerčně úspěšným elektrickým světelným zdrojům.
Od té doby prošly metody získávání vakua a jeho měření dlouhodobým vývojem. Byly vyvinuty fyzikální teorie netěsností, proudění plynu, chování plynu na rozhraní vakuum-stěna, teorie sorpce (zachycování kapalné nebo plynné složky směsi na povrchu pevné fáze) a desorpce (opačná absorpce) stěn.
Technologie pro získání vysokého vakua po vytvoření difúzních olejových vývěv a následně turbomolekulárních vývěv umožnila vyvinout iontovou hmotnostní spektrometrii.
Moderní vysoké nároky na čistotu a kvalitu vakua vyžadují nové směry rozvoje vakuové techniky.
Současným trendem jsou suché bezolejové čerpací systémy, protože vakuová čistota je limitujícím prvkem mnoha pokročilých technologií.
Například, pokud je dnes stupeň integrace na polovodičových čipech tak vysoký, že dotované oblasti mají velikost pouze několika jednotkových buněk krystalu, nečistoty ve formě molekul olejové páry sníží výtěžnost a v extrémních případech mohou znemožnit výrobu.
Takovými moderními vývěvami jsou např. membránové vývěvy, Rootsovy vývěvy, turbomolekulární či sorpční vývěvy.
Budeme tedy XNUMX. století nazývat stoletím elektroniky nebo vakua? Časem se mohou objevit další možnosti, jako je éra alternativních zdrojů energie nebo éra supravodivosti a jaderné fúze. Určitě dojde k dalším objevům, symbolickým pro svou dobu. Každá doba se vyznačuje větší specifičností v závislosti na úhlu pohledu, který zvolíme.
Albert Einstein (14. března 1879 – 18. dubna 1955), německý fyzik a matematik. V roce 1921 obdržel Nobelovu cenu nikoli za teorii relativity, ale za práci na rozvoji teoretické fyziky, zejména za objev fenoménu fotoelektrického jevu.
Deset let hledal A. Einstein řešení nejasností kolem základů teorie elektromagnetického pole a našel je ve speciální teorii relativity, jejímž nejdůležitějším závěrem je vztah mezi energií a hmotností, známý jako E = mc 2 .
Einstein získal celosvětovou slávu prací na kvantové teorii světla, vysvětlením fotoelektrického jevu, teorii Brownova pohybu a speciální teorií relativity (toto přelomové dílo vytvořil ve 26 letech).
Ve svém výzkumu poukázal na touhu porozumět jednotnému poli, které kombinuje vlastnosti elektromagnetického a gravitačního pole, které jsou stejné v celém vesmíru.
Tokamak – náročné technické zařízení pro studium řízené termonukleární reakce, obvykle ve formě toroidního prstence naplněného plazmatem reagujících nuklidů. Plazma je ohříváno indukovaným elektrickým proudem a je prostorově stabilizováno v magnetickém poli. Experimentálně bylo dosaženo teplot plazmy až desítek milionů kelvinů.
Evangelista Torricelli (15. října 1608 – 25. října 1647), italský fyzik a matematik. Působil na Akademii ve Florencii. Žák G. Galilea.
Položil základy hydrodynamiky a mimo jiné odvodil vztah pro rychlost tekutiny proudící otvorem nádoby. V roce 1643 vynalezl rtuťový barometr a dokázal existenci atmosférického tlaku (Torricelliho trubice). Studoval pohyb těla a geometrické křivky.
Jednotka tlaku, původně pojmenovaná po Torricellim, se dnes již nepoužívá. 1 torr = 133,322 Pa.
Torricelliho trubice – trubka asi 1 m dlouhá, na jednom konci utěsněná a naplněná rtutí. Druhý konec utěsnil palcem, otočil ho dnem vzhůru a uzavřený konec vložil do rtuťového kelímku. Když pustil palec, hladina rtuti v trubici klesla, ale stále byla vyšší než hladina v misce.
V horní části trubky bylo vytvořeno vakuum asi 250 mm. Toto bylo první známé umělé vakuum. Torricelli usoudil, že rtuť v trubici byla držena na místě množstvím vzduchu vyvíjeného tlakem na rtuť v misce. To prokázalo existenci atmosférického tlaku.
Francouzský matematik Blaise Pascal zopakoval Torricelliho experiment, ale místo rtuti použil červené víno (!). Protože víno je 15krát lehčí než rtuť, sloupec vína byl také 15krát lehčí než rtuť.
Aby ověřili Torricelliho předpoklad, Blaise Pascal a jeho bratr vylezli na podobnou lokalitu na nedalekém Puy de Dôme (1054 m) a zjistili, že čím vyšší hladina, tím nižší hladina rtuti (pouze 76 mm).
Uvědomil si, že to bylo způsobeno tím, že tlak vzduchu klesal s rostoucí výškou. Tak bylo vynalezeno zařízení na měření tlaku vzduchu.
Název barometr mu dal anglický fyzik a chemik Robert Boyle. Slovo barometr pochází z řeckých slov baros (hmotnost) a metron (míra).
Otto von Guericke (20 – 11), německý fyzik a přírodovědec. Pomocí tzv. magdeburských polokoulí dokázal existenci atmosférického tlaku. V roce 1650 vynalezl a v praktických pokusech použil vzduchovou pumpu – vakuovou pumpu.
Magdeburské koule – Guericke spojil dvě kovové polokoule koženým těsněním a vypumpoval z nich vzduch. Atmosférický tlak okolního vzduchu propojil polokoule takovou silou, že ani 16 koní, zapřažených po čtyřech párech do každé polokoule v opačných směrech, nedokázalo polokoule oddělit.
Thomas Alva Edison (1. února 1847 – 18. října 1931), americký vynálezce a horlivý zastánce co nejširšího využití elektřiny.
Elektrické žárovky existovaly již před Edisonem. Například německý hodinář H. Goebel zkonstruoval žárovku z uhlíkových vláken v uzavřené skleněné baňce a použil ji pro reklamu na střeše svého domu v New Yorku. To však nijak neubírá na Edisonově snaze „vynalézt“ žárovku.
To byl výsledek jeho stovek, tisíců pokusů (a omylů, protože T. Edison údajně nenáviděl matematiku a vědecké výzkumné metody) s různými materiály. Po 6000 pokusech byl nejvhodnějším materiálem pro žárovku ohořelý bambus.
Edison také přišel na to, že prostředí, ve kterém by vlákno mohlo svítit, jej nesmí oxidovat. K tomu bylo nutné vytvořit vakuum ve skleněné baňce.
Edisonova první žárovka se krátce rozsvítila na jaře roku 1879. Edison 45. října 21 rozsvítil skutečně odolnou žárovku, která svítila 1879 hodin. Později zvýšil životnost žárovky na 300 hodin. V roce 1881 byla Kolumbie osvětlena 350 žárovkami.
Zásluha T. A. Edisona spočívá „jen“ v tom, že ze žárovky udělal nejběžnější praktické osvětlovací zařízení. T. A. Edison byl nejen vynikající vynálezce, ale také velmi dobrý obchodník.
V roce 1883 objevil T. Edison tzv. Edisonův jev, kdy se elektrický proud šíří ve vakuu mezi dvěma dráty, které se navzájem nedotýkají. Tento objev později vedl k vytvoření elektronek. Některé zdroje připisují objev Williamu J. Hammerovi, který pracoval pro Edisona.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
