Vakuum

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Školní vývěva k demonstračním účelům

Vakuum (z lat. vacuus, prázdný) znamená prázdný prostor, v němž je tlak plynu podstatně nižší než při normálním atmosférickém tlaku. Různé stupně vakua mají velmi rozmanitá technická využití ve vakuové technice.

Vakuum v teoretické fyzice[editovat | editovat zdroj]

Teoretická fyzika používá pojem dokonalé vakuum, což je stav systému s nejnižší možnou energií.

V ideálním případě označuje vakuum takový fyzikální stav, v němž není přítomná žádná částice, a to jak hmoty (např. elektrony, protony apod.), tak ani záření (např. fotony). Jedná se tedy o část prostoru, která neobsahuje hmotu, může však do ní zasahovat fyzikální pole, např. gravitační. Takové vakuum bývá označováno jako dokonalé. O vakuu neobsahujícím pole se mluví jako o prázdném prostoru.

Vakuum lze (alespoň teoreticky) zavést v klasické fyzice. Podle kvantové teorie však ani prostor bez jakékoliv hmoty není úplně prázdný, ale probíhá v něm mnoho procesů (kvantově-mechanické fluktuace, tvorba párů částic a antičástic a jejich opětovný zánik apod.). Tyto kvantové jevy souvisí s principem neurčitosti. Na jejich základě se hovoří o tzv. energii vakua.

Elektromagnetismus[editovat | editovat zdroj]

V klasickém elektromagnetismu "vakuum prázdného prostoru" nebo jen "prázdný prostor" je standardní vztažné prostředí pro elektromagnetické účinky. Někteří autoři popisují toto vztažné prostředí jako klasické vakuum, protože je chtějí odlišit od kvantového vakua (QED a QCD), kde mohou vakuové fluktuace vytvářet dočasné virtuální částice, takže permitivita a permeabilita nejsou identicky rovny jednotce.

V teorii klasického elektromagnetismu má prázdný prostor následující vlastnosti:

  • Elektromagnetické záření (pokud nenarazí na překážky) jím prochází rychlostí světla s definovanou hodnotou 299 792 458 m/s.[1]
  • Princip superpozice vždy přesně platí, takže například elektrický potenciál vytvářený dvěma náboji se rovná součtu obou potenciálů.
  • Permitivita a permeabilita jsou v soustavě SI přesné konstanty[2], v gaussovských jednotkách rovné 1.
  • Charakteristická impedance je rovna impedanci prázdného prostoru Z0 ≈ 376,73 Ω.[3]

Na vakuum klasického elektromagnetismu můžeme pohlížet jako na idealizované elektromagnetické prostředí.

Vakuum experimentální a technické[editovat | editovat zdroj]

Vakuum se vytváří vývěvami a měří obvyklými jednotkami tlaku, a to pomocí různých vakuometrů. Dokonalému vakuu, které vyhovuje teoretické definici, by odpovídala nulová hodnota tlaku, nejnižší laboratorně dosažená hodnota je 10-13 torr (1.33 × 10−11Pa).

Z praktických důvodů se technické vakuum dělí do několika pásem, která se liší jak technikou vytváření i měření, tak také oblastí použití.

Stupně vakua
Pásmo Tlak v Pa Tlak v hPa (mbar) Počet molekul na cm3 střední volná dráha částice
Atmosférický tlak ≈1,01×105 1013,25 2,7×1019 68 nm
Hrubé vakuum 10+4…10+2 300…1 1019…1016 0,1…100 μm
Jemné vakuum 10+2…10−1 1…10−3 1016…1013 0,1…100 mm
Vysoké vakuum (HV) 10−1…10−5 10−3…10−7 1013…109 100 mm…1 km
Ultravysoké vakuum (UHV) 10−5…10−10 10−7…10−12 109…104 1…105 km
Extrémně vysoké vakuum (XHV) <10−10 <10−12 <104 >105 km
  • Podtlak se využívá ve strojírenství k uchopování předmětů, v potravinářství (vakuové balení a sušení) nebo jako tepelná izolace (vakuová okenní skla). Vytváří se běžnými čerpadly a měří tlakoměry. Běžný vysavač dosahuje asi polovinu atmosférického tlaku.
  • Hrubé vakuum je chemicky netečné prostředí, které brání oxidaci žhavých součástí a proto se používá v elektrotechnice (výbojky, žárovky), ve strojírenství (vakuový ohřev, tavení, sváření, pájení) a podobně. Vytváří se zpravidla mechanickými vývěvami a měří termickými aj. vakuometry.
  • Jemné vakuum poskytuje kromě toho delší střední volnou dráhu částic, která umožňuje jisté typy výbojů, a proto se používá v elektronice (vakuové a rentgenové výbojky, čisté technologie, vakuové napařování a podobně). Vytváří se mechanickými nebo difuzními vývěvami a měří ionizačními vakuometry.
  • Vysoké vakuum poskytuje ještě delší volné dráhy a používá se proto hlavně v elektronice: vakuové elektronky a obrazovky, výroba polovodičů a podobně. Vytváří se tubomolekulárními,difuzními, sorbčními nebo iontovými vývěvami. Vyžaduje již používání vakuově kompatibilních materiálů a těsnění.
  • Ultravysoké a extrémně vysoké vakuum je zajímavé především pro velmi dlouhé volné dráhy částic a používá se proto např. v urychlovačích částic či v tokamacích. Také umožňuje vytvořit a zachovat čistý povrch materiálů po dlouhou dobu a zkoumat jeho vlastnosti bez narušení molekulami zbytkové atmosféry v systému. Vytváří se iontově absorbčními či kryogenními vývěvami či několikastupňovými sestavami mechanických vývěv. Vyžaduje speciální materiály a technologie. Vyskytuje se ve vesmírném prostoru za hranicemi zemské atmosféry. Průměrná hustota vakua mezihvězdného prostoru se odhaduje na 1 atom (v drtivé většině vodíku) na 1 m³.

Vakuum v průmyslu[editovat | editovat zdroj]

Vakuum nebo podtlak se užívá v mnoha průmyslových odvětvích, často jako součást výrobní technologie, například pro snížení teploty varu při úpravě látek, rafinaci cukru, nebo při výrobě vakuových obrazovek (Cathode Ray Tube), které jsou součástí našeho každodenního života. S podtlakem pracují vakuové přísavky na podávání například papíru a jiných plochých materiálů i vakuové manipulátory. Vakuum se dále používá pro homogenizaci materiálů při jejich výrobě, pro odstranění bublinek a zhutňování. Vakuové lití zajišťuje dokonalé vyplnění formy a brání vzniku bublin v odlitku.

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. [1]
  2. [2]
  3. [3]

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

V tomto článku byly použity překlady textů z článků Vacuum na anglické Wikipedii a Vakuum na německé Wikipedii.