Теоретическая физика использует термин идеальный вакуум, который представляет собой состояние системы с наименьшей возможной энергией.
В идеале вакуум относится к физическому состоянию, в котором нет частиц, как материи (например, электронов, протонов и т. д.), так и излучения (например, фотонов).
Таким образом, это часть пространства, не содержащая материи, но на которую может воздействовать физическое поле, такое как гравитация. Такой вакуум часто называют идеальным. Вакуум без поля называется пустым пространством.
В технической практике это означает пространство, в котором давление газа значительно ниже, чем при нормальном атмосферном давлении. Вакуум создается вакуумными насосами и измеряется в обычных единицах измерения давления с помощью различных вакуумметров.
Вакуум - современная технология. Технология да, но не источник энергии!
При поиске в Интернете информации о слове "вакуум" прежде всего обращает на себя большое количество статей, посвященных так называемым технологиям получения свободной энергии из вакуума.
Эти соображения вписываются в современный контекст активного поиска новых источников источники энергии, на фоне статистики истощения мировых запасов ископаемого топлива, а также серьезных опасений по поводу освоения энергии атомных электростанций.
Однако «неограниченное количество свободной энергии», да еще из вакуума, непрофессионально и обманчиво воспринимается как «надежда человечества» на решение проблемы производства и снабжения энергией.
Вакуум — это одна из передовых технологий современности, но она не является и не может быть источником энергии. Почему?!
«Вакуум» — это абстрактный термин, обозначающий «абсолютную пустоту» — среду, в которой нет ни механических частиц, ни газов, ни паров. Однако такое состояние есть идеализация. Идеальная «пустота» вообще недостижима в земных условиях, но даже во Вселенной нет области, в которой бы не было абсолютно никаких частиц материи.
В космосе также наименьшее гравитационное и электромагнитное поле, по А. Эйнштейну, однородное унитарное поле, поэтому и здесь вакуум является физической средой. Однако как таковой вакуум, как на практике, так и согласно квантовой теории, никогда не может быть абсолютным, полностью пустым.
Вакуум – это состояние системы с минимально возможной энергией, т.е. что ничто не может иметь меньше энергии, чем вакуум, и поэтому из вакуума даже нельзя черпать какую-либо энергию.
«Квантовый вакуум» (физическая среда, теоретически рассматриваемая квантовой механикой, но обязательно содержащая частицы) также никогда не бывает пустой, поскольку это противоречило бы «соотношению неопределенности» между энергией и временем.
Принцип неопределенности Гейзенберга (упрощенный) - невозможно одновременно определить положение частицы во времени и ее энергию. Позиционирование частицы и импульс частицы являются взаимоисключающими. Если мы измеряем положение частицы, мы также меняем ее энергию.
В «квантовом вакууме», таким образом, частицы постоянно образуются и самопроизвольно исчезают, но в какой-то момент невозможно измерить, и вообще не отнять (!), их энергию. Закон сохранения энергии также действует в этом случае.
Если время от времени появляются признаки изобретений в области вакуумной энергии, их первооткрыватели игнорируют закон сохранения энергии и модифицируют «принцип неопределенности», полагая, что вакуум по-прежнему полон спонтанных частиц и, следовательно, полон энергии.
Проще говоря, эти гипотезы основаны на «знании» того, что каждая частица, имеющая электрический заряд излучает энергию самостоятельно. Тогда достаточно отделить положительные заряды от отрицательных и получившийся диполь будет источником свободно текущей энергии.
Это ошибка! Электрический заряд в состоянии покоя не излучает никакой энергии, он является лишь источником электростатического поля. Большинство электрооборудования использует действие зарядов, движущихся в единицу времени, или электрического тока.
Электрический ток может принимать различные формы, он возбуждает электрические и магнитные поля (физически однородное электромагнитное поле), а использование электрической энергии определяется его электромагнитным и электродинамическим эффектами.
Вакуум также определяется в квантовой механике как состояние системы с наименьшей возможной энергией, т.е. что система не может опуститься на более низкий энергетический уровень, а также невозможно высвободить какую-либо энергию из вакуума.
Хотя термин «свободная энергия» существует в технике, это имеет место и в области термодинамики, где только определенная (свободная) часть энергии может быть использована в тепловых машинах, остальные энергии прочно связаны в термодинамической системе.
Применение вакуума в науке и технике
Вакуум в техническом смысле — это состояние сильного разбавления газа. Граница между разбавленным газом и вакуумом, понимаемым таким образом, дискуссионна. Часто систему считают вакуумом, если длина свободного пробега молекул газа сравнима с размером сосуда, в котором находится газ.
Промышленный вакуум (используемый в производственной или исследовательской практике) представляет собой пустое пространство, всегда содержащее определенное количество частиц газа и пара, в таком состоянии, что давление этих газов (или их смесей) меньше мгновенного атмосферное давление при нормальной температуре.
Промышленный вакуум в качестве технологической среды на протяжении десятилетий используется в физике (ионная масс-спектрометрия), медицине, электротехнике (технология производства полупроводников), химической и автомобильной промышленности, энергетике (изоляция высоковольтных выключателей, испытания корпусов реакторов и трубопроводов) и др.
Вакуум - технология ХХI века
Девятнадцатый век, безусловно, справедливо назывался веком пара, потому что изобретение парового двигателя произвело революцию в тогдашнем уровне техники, в развитии промышленности и транспорта. В следующем ХХ веке развитие ускорилось настолько, что этот век без преувеличения можно назвать научно-технической революцией.
Было так много новаторских открытий, что было бы трудно найти единственное и самое значительное, которое характеризовало бы этот век.
Сначала ХХ век называли веком электричества, позже веком атомной энергии, веком космонавтики и, наконец, веком электроники. Наверняка были бы и другие, столь же подходящие обозначения.
Сегодня, когда электроника и особенно микроэлектроника доминируют в мире, полупроводниковая промышленность является одной из важнейших отраслей промышленности. Но именно полупроводниковые технологии в большинстве своем неразрывно связаны с прогрессивной физической средой — вакуумом.
Например, тонкопленочные технологии вакуумного испарения, классическое и магнетронное напыление, плазмохимические методы осаждения тонких пленок, напыления слоев или методы легирования полупроводников ионной имплантацией.
Без дальнейшего бурного развития и миниатюризации электроники, и особенно вычислительной техники, мы не можем представить ни настоящего, ни будущего.
Высокотребовательное современное оборудование, такое как ускорители крупных частиц и токамаки для исследований в области ядерных реакций, высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза, не может обойтись без систем сверхвысоковакуумной откачки.
Вакуум применяют в машиностроении для захвата предметов, в пищевой промышленности (вакуумная упаковка и сушка). Вакуум представляет собой химически инертную среду, препятствующую окислению горячих компонентов, поэтому применяется в электротехнике (лампы, лампочки), в машиностроении (вакуумный нагрев, плавка, сварка, пайка) и т. д.
Вакуум применяют во многих отраслях промышленности, часто как часть производственной технологии, например для гомогенизации материалов при их производстве, для удаления пузырей и уплотнения, для понижения температуры кипения при обработке тканей и рафинировании сахара. Вакуумное литье обеспечивает идеальное заполнение формы и предотвращает образование пузырей в отливке.
Еще одним видом промышленного использования вакуума является лиофилизация, эффективная вакуумная сушка в процессе сублимации льдом при очень низком давлении, что гораздо менее энергозатратно, чем обычная сушка нагревом. Более высокий вакуум необходим при производстве ламп накаливания, вакуумных ламп и электронно-лучевых трубок.
Домашние пылесосы, вакуумные присоски для подачи бумаги и других плоских материалов, а также вакуумные манипуляторы работают с вакуумом. Он также служит теплоизоляцией в термосах и стеклопакетах.
Идея использования вакуума в качестве изолирующей среды электрооборудования заключается в использовании того факта, что при снижении давления газа до значения, при котором средние длины свободного пробега молекул и электронов больше, чем контактный зазор в изолирующей системе, развитие электронных лавин, инициирующих разряды в газах, невозможно.
История вакуумной техники
Хотя вакуум заполняет почти всю Вселенную, он не возникает самопроизвольно в нашем мире в биосфере Земли, и мы можем создать его только на сложных современных установках.
Как и многие другие области, вакуумная технология претерпела долгую эволюцию. Первыми, кто занялся вакуумом на научной основе, были в XVII в. Г. Галилей (1564 - 1642), а также И. Ньютон (1643 - 1727), когда они решили проблему, почему нельзя перекачивать воду выше менее десяти метров.
Э. Торричелли обобщил их выводы после проведения своего известного эксперимента (трубка Торричелли) и показал, как можно создать вакуум. В то время, когда О. Герике продемонстрировал "Магдебургское полушарие" (1672 г., по некоторым источникам 1650 г.).
Вакуум был еще более диковинкой без применения на практике (люди были поражены при виде нескольких пар лошадей, едва разорвавших полушария, из которого откачивали воздух.
Одним из первых практических применений вакуума был Томас Альва Эдисон (1847–1931), когда в 1879 году он использовал нить из углеродного волокна, помещенную в вакуумную колбу, в результате чего появились первые коммерчески успешные электрические источники света.
С тех пор методы получения вакуума и его измерения претерпели длительное развитие. Физические теории утечек, течения газа, поведения газа на границе раздела вакуум-стенка, теории сорбции (улавливания жидкого или газообразного компонента смеси на поверхности твердой фазы) и десорбции (противоположной абсорбции) стенок получили свое развитие.
Технология получения высокого вакуума после создания диффузионных масляных насосов, а затем и турбомолекулярных насосов позволила развить ионную масс-спектрометрию.
Современные высокие требования к чистоте и качеству вакуума требуют новых направлений развития вакуумной техники.
Актуальной тенденцией являются сухие безмасляные насосные системы, поскольку вакуумная чистота является ограничивающим элементом многих передовых технологий.
Например, если сегодня степень интеграции на полупроводниковых чипах настолько высока, что легированные области имеют размеры лишь нескольких элементарных ячеек кристалла, примеси в виде молекул паров масла снижают выход продукции, а в крайнем случае может сделать производство невозможным.
Такими современными насосами являются, например, диафрагменные насосы, вакуумные насосы Рутса, турбомолекулярные или сорбционные насосы.
Так назовем ли мы XXI век веком электроники или вакуума? Со временем могут возникнуть другие варианты, такие как эпоха альтернативных источников энергии или эпоха сверхпроводимости и термоядерного синтеза. Непременно будут и другие открытия, символичные для своего времени. Каждое время характеризуется большей конкретикой, в зависимости от выбранного нами угла зрения.
Глоссарий
Альберт Эйнштейн (14 марта 1879 — 18 апреля 1955), немецкий физик и математик. Он получил Нобелевскую премию в 1921 году не за теорию относительности, а за работу по развитию теоретической физики, особенно за открытие явления фотоэлектрического эффекта.
В течение десяти лет А. Эйнштейн искал решения неясностей, окружающих основы теории электромагнитного поля, и обнаружил их в специальной теории относительности, важнейшим выводом которой является соотношение между энергией и массой, известное как E = mc2.
Эйнштейн приобрел мировую известность, работая над квантовой теорией света, объяснив фотоэлектрический эффект, теорию броуновского движения и специальную теорию относительности (эту новаторскую работу он создал в возрасте 26 лет).
В своих исследованиях он указывал на стремление познать единое поле, объединяющее свойства электромагнитного и гравитационного полей, одинаковых во всей Вселенной.
Токамак - требовательное техническое устройство для исследования управляемой термоядерной реакции, обычно имеющее форму тороидального кольца, заполненного плазмой реагирующих нуклидов. Плазма нагревается наведенным электрическим током и пространственно стабилизируется в магнитном поле. Экспериментально достигнуты температуры плазмы до десятков миллионов кельвинов.
Евангелиста Торричелли (15 октября 1608 — 25 октября 1647), итальянский физик и математик. Работал в Академии во Флоренции. Ученик Г. Галилея.
Он заложил основы гидродинамики, среди прочего вывел соотношение для скорости жидкости, протекающей через отверстие сосуда. В 1643 г. изобрел ртутный барометр, доказал существование атмосферного давления (трубка Торричелли). Изучал движение тела, геометрические кривые.
Первоначально названная в честь Торричелли, единица измерения давления — Торр — сегодня больше не используется. 1 торр = 133,322 Па.
Трубка Торричелли — трубка длиной около 1 м, запаянная с одного конца и заполненная ртутью. Он запечатал другой конец большим пальцем, перевернул его вверх дном и поместил закрытый конец в чашу с ртутью. Когда он отпустил большой палец, уровень ртути в трубке упал, но все же был выше уровня в миске.
В верхней части трубы создавался вакуум около 250 мм. Это был первый известный искусственный вакуум. Торричелли рассудил, что ртуть в трубке удерживается массой воздуха, оказываемой давлением на ртуть в чаше. Это доказывало существование атмосферного давления.
Французский математик Блез Паскаль повторил опыт Торричелли, только вместо ртути использовал красное вино (!). Поскольку вино в 15 раз легче ртути, винный столб также был в 15 раз легче ртути.
Чтобы проверить предположение Торричелли, Блез Паскаль и его брат поднялись на аналогичный объект на близлежащий Пюи-де-Дом (1054 м) и обнаружили, что чем выше уровень, тем ниже уровень ртути (всего 76 мм).
Он понял, что это произошло из-за того, что давление воздуха падало с увеличением высоты. Так был изобретен прибор для измерения давления воздуха.
Название барометр ему дал английский физик и химик Роберт Бойль. Слово барометр происходит от греческих слов барос (масса) и метрон (мера).
Отто фон Герике (20. 11. 1602 — 11. 5. 1686), немецкий физик и естествоиспытатель. С помощью так называемых магдебургских полушарий он доказал существование атмосферного давления. В 1650 году он изобрел и применил в практических опытах воздушный насос - вакуумный насос.
Магдебургские сферы - Герике соединил две металлические полусферы кожаным уплотнителем и откачал из них воздух. Атмосферное давление окружающего воздуха соединило полушария с такой силой, что даже 16 лошадей, запряженных по четыре пары в каждое полушарие в противоположных направлениях, не могли разъединить полушария.
Томас Алва Эдисон (1 февраля 1847 — 18 октября 1931), американский изобретатель и горячий сторонник максимально широкого использования электричества.
Электрические лампочки существовали до Эдисона. Например, немецкий часовщик Х. Гебель сконструировал лампочку из углеродного волокна в герметичной стеклянной колбе и использовал ее для рекламы на крыше своего дома в Нью-Йорке. Однако это не умаляет усилий Эдисона по «изобретению» лампочки.
Это было результатом его сотен, тысяч проб (и ошибок, поскольку Т. Эдисон якобы ненавидел математику и методы научного исследования) с самыми разными материалами. После 6000 попыток наиболее подходящим материалом для лампы накаливания оказался обугленный бамбук.
Эдисон также пришел к выводу, что среда, в которой может светиться волокно, не должна его окислять. Для этого нужно было создать вакуум в стеклянной колбе.
Первая электрическая лампочка Эдисона загорелась на короткое время весной 1879 года. По-настоящему долговечную лампочку, которая прослужила 45 часов, Эдисон включил 21 октября 1879 года. Позже он увеличил срок службы лампочки до 300 часов. К 1881 году пароход «Колумбия» освещался 350 лампочками.
Заслуга Т. А. Эдисона «всего лишь» состоит в том, что он сделал лампочку самым распространенным практическим осветительным прибором. Т. А. Эдисон был не только превосходным изобретателем, но и очень хорошим бизнесменом.
В 1883 г. Т. Эдисон открыл так называемый эффект Эдисона, при котором электрический ток распространяется в вакууме между двумя проводами, не касающимися друг друга. Это открытие позже привело к созданию вакуумных ламп. Некоторые источники приписывают открытие Уильяму Дж. Хаммеру, работавшему на Эдисона.