Přeskočit na obsah

Vakuum

Upravit odkazy
Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Školní vývěva k demonstračním účelům

Vakuum (z lat. vacuus, prázdný) česky též vzduchoprázdno znamená prázdný prostor, ve fyzice prostor s velmi malou hustotou částic. V technické praxi se jím rozumí prostor, v němž je tlak plynu podstatně nižší než při normálním atmosférickém tlaku. Škála kvality vakua má velmi rozmanité technické využití ve vakuové technice.

Historie

[editovat | editovat zdroj]

Představa prázdna, ve kterém jsou rozmístěny miniaturní nedělitelné atomy, se objevila v antické filosofii atomistů, se kterou přišli v 5. století př. n. l. Leukippos z Milétu a Démokritos. Nad tím však zvítězilo přírodní realitě vzdálenější učení Aristotela, jehož součástí bylo učení latinsky zvané horror vacui, „strach z prázdna“, že příroda prázdný prostor nedovolí a vždy jej něčím vyplní.

Vyvrácení teorie horror vacui a důkaz existence vakua přinesly až experimenty v novověku. Evangelista Torricelli řešil praktický problém, že sací pumpou nelze pumpovat vodu do větší výšky než asi 10,3 m. Podle jeho učitele Galileiho táhne vodu síla vakua, ale Torricelli přišel se správnou teorií, že vodu vzhůru tlačí tlak vzduchu na volnou vodní hladinu. Tlak vodního sloupce se v určité výšce vyrovná tlaku vzduchu a výše nevystoupá. Torricelli v pokusu roku 1643 nahradil vodu mnohem hustší rtutí ve skleněném válci. Sloupec rtuti klesne na asi 76 cm a v horní uzavřené části válce se vytvoří vakuum. Dalším experimentátorem byl Otto von Guericke, který vynalezl vývěvu na odčerpání vzduchu z nádoby. Demonstroval sílu atmosférického tlaku pomocí magdeburských polokoulí, poprvé roku 1654. Když v jejich vnitřku bylo vytvořeno vakuum, nebylo je možné odtrhnout ani koňským spřežením.

V historii fyziky se objevovaly různé teorie o prázdném prostoru vyplněném zvláštní látkou – éterem. Aithér byl řecký bůh jasné oblohy a po něm se éter nazýval aristotelský pátý element, který měl vyplňovat oblohu. Některé teorie byly alternativou k Newtonovým pohybovým zákonům založeným na gravitaci. Znovu se teorie vakua vyplněného éterem objevila po Maxwellově objevu elektromagnetismu (1865) jako prostředí, kterým se šíří světlo způsobem, jakým se zvuk šíří vzduchem. Tento éter zavrhl Albert Einstein při formulaci speciální teorie relativity (1905), která popírala existenci absolutního prostoru. Po zobecnění své teorie (1916) se Einstein k teorii existence éteru vrátil, když svět popsal jako pokřivený prostoročas. Myšlenka éteru byla postupně opuštěna.

Mezitím v oboru kvantové fyziky Werner Heisenberg roku 1927 publikoval princip neurčitosti, který postuluje, že nemohou být známy (zjištěny) obě související veličiny. To platí i pro pole, které nemůže být zcela nulové, protože pak by byly hodnoty známy. Proto musí být ve vakuu pole s nejmenší možnou aktivitou, vznikají a zanikají v něm částice a probíhá vakuová fluktuace. Na základě toho byl mj. roku 1948 popsán Casimirův jev experimentálně potvrzený o půlstoletí později.

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, že nelze znát hodnotu obou souvisejících veličin, proto nemohou být obě nulové, zde v případě pole. Ze stejného důvodu nemůže zcela ustat pohyb části při absolutní nule. Na základě kvantových procesů se hovoří o tzv. energii vakua, která je hypotetickým kandidátem na temnou energii, což je označení pro neznámou příčinu zrychlování rozpínání vesmíru.

Elektromagnetismus

[editovat | editovat zdroj]

V klasickém elektromagnetismu je „vakuum prázdného prostoru“ nebo jen „prázdný prostor“ 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 relativní permitivita a permeabilita nejsou identicky rovny jedné.

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 lze 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 na několik druhů, která se liší jak technikou vytváření i měření, tak oblastí použití.

Kvalita 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
Podtlak 1,01×105…104 1013,25…300 2,7×1019…1019 0,1 μm…68 nm
Hrubé vakuum 104…102 300…1 1019…1016 0,1…100 μm
Jemné vakuum 102…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). 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 turbomolekulárními, 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 nebo v tokamacích; taky umožňuje vytvořit a zachovat čistý povrch materiálů po dlouhou dobu a zkoumat jeho vlastnosti bez narušení molekulami zbytkové atmosféry v systému. Vytváří se iontově absorpčními 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]

S podtlakem pracují domácí vysavače, vakuové přísavky na podávání papíru a jiných plochých materiálů i vakuové manipulátory; v termoskách slouží jako tepelná izolace. Vakuum nebo podtlak se užívá v mnoha průmyslových odvětvích, často jako součást výrobní technologie, například pro homogenizaci materiálů při jejich výrobě, pro odstranění bublinek a zhutňování, pro snížení teploty varu při úpravě látek a při rafinaci cukru. Vakuové lití zajišťuje dokonalé vyplnění formy a brání vzniku bublin v odlitku.

Dalším druhem průmyslového využití vakua je lyofilizace, účinné vakuové sušení v procesu sublimace ledu při velmi nízkém tlaku, což je oproti běžnému sušení zahříváním k sušenému produktu šetrnější. Lyofilizace je však technologicky a energeticky mnohem náročnější. Vyšší vakuum je třeba při výrobě vakuových elektronek a obrazovek (CRT).

Železniční sací brzdy udržoval rozdíl mezi atmosférickým tlakem a podtlakem v brzdovém potrubí brzdicí špalky v poloze "odbrzděno", kdežto při přetržení vlaku se všechny vozy samočinně zabrzdí. Sací brzdy však téměř vytlačila samočinná tlaková brzda.

Odkazy

[editovat | editovat zdroj]

Reference

[editovat | editovat zdroj]

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

  1. ↑ physics.nist.gov
  2. ↑ physics.nist.gov
  3. ↑ physics.nist.gov

Související články

[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy

[editovat | editovat zdroj]
Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Vakuum&oldid=25298095“