Vakuum ( lotincha vacuum — bo‘shliq so‘zidan) — fazo, modda mavjud bo‘lmagan fazo. Texnika va amaliy fizikada vakuum deb gaz bosimi atmosfera bosimidan ancha past bo‘lgan muhitga aytiladi.
Vakuum Knudsen soni bilan tavsiflanadi — bu gaz molekulalarining erkin yugurish yo‘li uzunligi λ va muhitning xarakterli o‘lchami d: . Bunda d sifatida vakuum kamerasi devorlari orasidagi masofa, vakuum quvuri va h. k. diametri olinishi mumkin. λ/d nisbatiga qarab past ( ), o‘rta ( ) va yuqori ( ) vakuum farqlanadi.
Texnik vakuum
Amaliyotda kuchli siyraklashtirilgan gaz texnik vakuum deb ataladi. Makroskopik hajmlarda ideal vakuumga (gaz molekulalari bo‘lmagan muhitga) amalda erishib bo‘lmaydi, chunki mutlaq noldan yuqori haroratda barcha materiallar ma’lum to‘yingan bug‘lar zichligiga ega bo‘ladi. Bundan tashqari, ko‘pgina materiallar (hatto idishlarning qalin metall, shisha va boshqa devorlari ham) gazlarni o‘tkazadi. Biroq mikroskopik hajmlarda ideal vakuumga erishish prinsip jihatidan mumkin.
Vakuumning siyraklanish darajasini gaz molekulalarining erkin yugurish yo‘li uzunligi va ularning gazdagi o‘zaro to‘qnashuvlariga bog‘liq bo‘lgan ko‘rsatkich, shuningdek, gaz joylashgan idishning xarakterli chiziqli o‘lchami ifodalaydi.
Qat’iy aytganda, texnik vakuum deb idish yoki quvurdagi bosimi tashqi atmosfera bosimidan past bo‘lgan gazga aytiladi. Boshqa ta’rifga ko‘ra, gaz molekulalari yoki atomlari bir-biri bilan to‘qnashmay qo‘yib, gazodinamik xossalar o‘rnini qovushoqlik xossalari egallaganda (taxminan 1 mm sim. ust. bosimda) past vakuum (; 1016 molekula / 1 sm³ hosil bo‘lgan deb hisoblanadi. Odatda atmosfera havosi bilan yuqori vakuum nasosi orasida dastlabki siyraklanishni hosil qiladigan forvakuum nasosi joylashadi, shu sababli past vakuum ko‘pincha forvakuum deb ataladi. Kameradagi bosim yanada kamayganda gaz molekulalarining o‘rtacha erkin yugurish yo‘li uzunligi ortadi. sharoitida gaz molekulalari bir-biriga qaraganda devorlarga ancha ko‘p uriladi. Bunday holat yuqori vakuum (10−5 mm sim. ust.; 1011 molekula / 1 sm³). O‘ta yuqori vakuum 10−9 mm sim. ust. bosimga yoki undan ham past bosimga mos keladi. Masalan, o‘ta yuqori vakuumda odatda skanerlovchi tunnelli mikroskop yordamida tajribalar o‘tkaziladi. Taqqoslash uchun, kosmosdagi bosim bir necha tartibga pastroq — 109 molekula / 1 sm³ (kub santimetrda bir milliard molekula), uzoq kosmosda esa 10−16 mm sim. ust. yoki undan ham past bo‘lishi mumkin ( 1 molekula / 1 sm³).
Ba’zi kristallarning mikroskopik g‘ovaklarida va o‘ta ingichka kapillyarlarda yuqori vakuumga atmosfera bosimining o‘zidayoq erishiladi. Chunki g‘ovak yoki kapillyar diametri normal sharoitda havoda ~60 nanometr.
Vakuumni hosil qilish va saqlash uchun ishlatiladigan qurilmalar vakuum nasoslari deb ataladi. Gazlarni yutish va kerakli darajadagi vakuumni hosil qilish uchun getterlar qo‘llaniladi. Kengroq ma’nodagi vakuum texnikasi vakuumni o‘lchash va nazorat qilish, buyumlarni boshqarish hamda vakuum kamerasida texnologik jarayonlarni bajarish asboblarini ham o‘z ichiga oladi, va h. k. Yuqori vakuum nasoslari murakkab texnik qurilmalardir. Ularning asosiy turlari — qolgan gaz molekulalarini ishchi gaz oqimi bilan ergashtirishga asoslangan diffuzion nasoslar, gaz molekulalarini getterlarga (masalan, titanga) singdirishga asoslangan getterli va ionizatsion nasoslar hamda kriosorbsion nasoslar (asosan forvakuum hosil qilish uchun).
Hatto ideal vakuumda ham cheklangan haroratda doimo ma’lum miqdordagi issiqlik nurlanishi ( fotonlar gazi) bo‘ladi. Shunday qilib, ideal vakuumga joylashtirilgan jism issiqlik fotonlari almashinuvi tufayli ertami-kechmi vakuum kamerasi devorlari bilan issiqlik muvozanatiga keladi.
Vakuum yaxshi issiqlik izolyatoridir; unda issiqlik energiyasi faqat issiqlik nurlanishi orqali uzatiladi, konveksiya va issiqlik o‘tkazuvchanligi sodir bo‘lmaydi. Bu xossa devorlari orasidagi bo‘shliq vakuumlashtirilgan ikki devorli idishlardan tashkil topgan termoslarda ( Dyuar idishlarida) issiqlikni saqlash uchun qo‘llaniladi.
Vakuum elektrovakuum asboblarida — radiolampalarda (masalan, mikroto‘lqinli pechlarning magnetronlarida), elektron-nurli trubkalarda va boshqalarda keng qo‘llaniladi.
Fizik vakuum
Kvant maydon nazariyasidagi vakuum
Kvant fizikasida fizik vakuum deganda kvantlangan maydonning impulsi, impuls momenti va boshqa kvant sonlari nolga teng bo‘lgan eng past (asosiy) energetik holati tushuniladi. Biroq bu holat mutlaqo bo‘shliqni anglatishi shart emas: eng past holatdagi maydon, masalan, kvazizarralar maydoni bo‘lishi mumkin, ular qattiq jismda yoki hatto zichligi nihoyatda yuqori bo‘lgan atom yadrosida ham mavjud. Shuningdek, bunday holatdagi maydon bilan to‘lgan, moddadan mutlaqo xoli fazo ham fizik vakuum deyiladi. Bu holat mutlaq bo‘shliq. emas.Kvant maydon nazariyasi noaniqlik prinsipiga muvofiq, fizik vakuumda doimo virtual zarralar paydo bo‘lib yo‘qolishini ta’kidlaydi: maydonlarning nol tebranishlari yuz beradi. Ayrim maydon nazariyalarida vakuum murakkab topologik xossalarga ega bo‘lishi mumkin. Nazariy jihatdan energiya zichligi yoki boshqa fizik parametrlari bilan farqlanuvchi bir nechta vakuum mavjud bo‘lishi mumkin (qo‘llaniladigan farazlar va nazariyalarga qarab). Simmetriyaning spontan buzilishi paytida vakuumning degeneratsiyasi bir-biridan Goldstoun bozonlari soni bilan farqlanadigan uzluksiz vakuum holatlari spektrini keltirib chiqaradi. Muayyan maydonning turli qiymatlarida energiyaning global minimumidan farqlanadigan mahalliy minimumlari soxta vakuumlar deb ataladi; bunday holatlar metastabil bo‘lib, energiya ajratgan holda haqiqiy vakuumga yoki energiyasi pastroq soxta vakuumlardan biriga o‘tib yemirilishga intiladi.
Maydon nazariyasining ayrim bashoratlari tajribada muvaffaqiyatli tasdiqlangan. Masalan, Kazimir effekti va atom sathlarining Lamb siljishi fizik vakuumdagi elektromagnit maydonning nol tebranishlari bilan tushuntiriladi. Vakuum haqidagi ayrim boshqa tasavvurlar ham zamonaviy fizik nazariyalarga asos bo‘lgan. Masalan, bir nechta vakuum holatining (yuqorida tilga olingan soxta vakuumlarning) mavjudligi inflyatsion nazariyaning Katta portlash haqidagi muhim asoslaridan biridir..
Soxta vakuum
Soxta vakuumSoxta vakuum — kvant maydon nazariyasidagi global eng kichik energiya holati emas, balki uning mahalliy minimumiga mos keladigan holatdir. Bunday holat ma’lum vaqt davomida barqaror (metastabil) bo‘ladi, lekin haqiqiy vakuum holatiga « tunnellanishi
» mumkin.
Eynshteyn vakuumiEynshteyn vakuumi — Eynshteyn tenglamalarining umumiy nisbiylik nazariyasida moddasiz, bo‘sh fazo-vaqtEynshteyn fazosi.
Eynshteyn tenglamalari fazo-vaqt metrikasini (metrik tenzor gμν) energiya-impuls tenzori bilan bog‘laydi. Umumiy ko‘rinishda ular quyidagicha yoziladi:
bu yerda Eynshteyn tenzori Gμν metrik tenzor va uning xususiy hosilalarining muayyan funksiyasidir, R — skalyar egrilik, Λ — kosmologik doimiy, Tμν — energiya-impuls tenzori (modda uchun), π — pi soni, c — yorug‘lik tezligi vakuumda, G — gravitatsion doimiy (Nyuton doimiysi).
Ushbu tenglamalarning vakuumdagi yechimlari modda yo‘qligida, ya’ni ko‘rilayotgan fazo-vaqt sohasida energiya-impuls tenzori aynan nolga teng bo‘lganida olinadi: Tμν = 0. Ko‘pincha, ayniqsa mahalliy (kosmologik bo‘lmagan) yechimlarni o‘rganishda lambda hadi ham nol deb qabul qilinadi. Biroq lambda hadi noldan farqli bo‘lgan vakuum yechimlari ( lambda-vakuum) ko‘rib chiqilganda, de Sitter modeli (Λ > 0) va anti-de Sitter modeli ( Λ < 0).
kabi muhim kosmologik modellar yuzaga keladi.Minkovskiy fazosi, ya’ni maxsus nisbiylik nazariyasida.
qo‘llanadigan metrika Eynshteyn tenglamalarining eng sodda vakuum yechimidir. Boshqa vakuum yechimlari jumlasiga, xususan, quyidagilar kiradi:
- Kosmologik Miln modeli ( Fridman metrikasining energiya zichligi nolga teng xususiy holati)
- Shvarsshild metrikasi, sferik simmetrik massa atrofidagi geometriyani tavsiflaydi
- Kerr metrikasi, aylanuvchi massa atrofidagi geometriyani tavsiflaydi
- Yassi gravitatsion to‘lqin (va boshqa to‘lqinli yechimlar)
Kosmik fazo
Kosmik fazoning zichligi va bosimi juda past bo‘lib, u fizik vakuumga eng yaxshi yaqinlashuvdir. Kosmik vakuum ham to‘liq mukammal emas: hatto yulduzlararo fazoda ham bir kub santimetrga bir nechta vodorod atomi to‘g‘ri keladi. Mahalliy guruhning galaktikalararo fazosida ionlangan atomar vodorod zichligi 7×10−29 g/sm³ deb baholanadi..
Yulduzlar, sayyoralar va yo‘ldoshlar o‘z atmosferalarini tortishish kuchi bilan ushlab turadi. Shu sababli atmosfera aniq belgilangan chegaraga ega emas: atmosfera gazining zichligi jismdan uzoqlashgan sari kamayadi. Yer atmosferasining bosimi taxminan 3,2×10−2 Pa gacha, 100 km balandlikda, ya’ni Karman chizig‘ida pasayadi. Bu chiziq kosmik fazo chegarasining keng tarqalgan ta’rifidir. Undan narida izotrop gaz bosimi Quyoshdan keladigan nurlanish bosimi va Quyosh shamolining dinamik bosimiga nisbatan tezda ahamiyatsiz bo‘lib qoladi, shuning uchun bosim tushunchasini talqin qilish qiyinlashadi. Termosfera ushbu balandliklarda bosim, harorat va tarkibning katta gradiyentlariga ega bo‘lib, kosmik ob-havo ta’sirida kuchli o‘zgaradi.
Atmosferaning Karman chizig‘idan yuqoridagi dastlabki bir necha yuz kilometrdagi zichligi hamon Yerning sun’iy yo‘ldoshlari harakatiga sezilarli qarshilik ko‘rsatish uchun yetarli. Sun’iy yo‘ldoshlarning aksariyati past Yer orbitasi deb ataladigan shu hududda ishlaydi va orbitani barqaror saqlash uchun bir necha kunda bir marta dvigatellarini ishga tushirishi kerak.
Kosmik fazo ko‘p miqdordagi fotonlar, ya’ni relikt nurlanish, shuningdek, hozircha aniqlash imkoni bo‘lmagan ko‘p miqdordagi relikt neytrinolar bilan to‘lgan. Ushbu nurlanishlarning hozirgi harorati taxminan 3 K yoki −270 °C ni tashkil etadi.
Vakuumni o‘rganish tarixi
Vakuum (bo‘shliq) g‘oyasi qadimgi yunon va rim faylasuflari davridan buyon bahs mavzusi bo‘lgan. Atomistlar — Levkipp (taxminan miloddan avvalgi 500-yil), Demokrit (taxminan miloddan avvalgi 460—370-yillar), Epikur (miloddan avvalgi 341—270-yillar), Lukretsiy (taxminan miloddan avvalgi 99—55-yillar) va ularning izdoshlari mavjud barcha narsalar atomlardan hamda ular orasidagi bo‘shliqdan iborat deb hisoblashgan. Ularning fikricha, vakuumsiz harakat ham bo‘lmaydi: atomlar orasida bo‘sh makon bo‘lmasa, ular harakatlana olmaydi. Straton (taxminan miloddan avvalgi 270-yil) va keyingi davrlardagi ko‘plab faylasuflar bo‘shliq «uzluksiz» ( vacuum coacervatum) hamda «tarqoq» (modda zarralari orasida, vacuum disseminatum).
Aksincha, Arastu (miloddan avvalgi 384—322-yillar) va boshqa bir qator faylasuflar «tabiat bo‘shliqni yoqtirmaydi» deb hisoblagan. «Bo‘shliqdan qo‘rqish» tushunchasi ( horror vacui) Arastudan avval Empedokl (taxminan miloddan avvalgi 490—430-yillar) va Ioniya maktabining boshqa faylasuflari orasida paydo bo‘lgan; u o‘rta asrlar Yevropasi falsafiy tafakkurida ustunlik qilib, diniy-mistik xususiyat kasb etgan.
Vakuumni tajribaviy o‘rganish uchun ayrim shart-sharoitlar antik davrdayoq mavjud bo‘lgan. Qadimgi yunon mexaniklari havoni siyraklashtirishga asoslangan turli texnik qurilmalarni yaratishgan. Masalan, porshen ostida siyraklik hosil qilib ishlaydigan suv nasoslari Arastu davridayoq ma’lum bo‘lgan. «Pnevmatika otasi» Ktesibiy (taxminan miloddan avvalgi 250-yil) ixtiro qilgan o‘t o‘chirish nasosining chizmasi bizgacha yetib kelgan. Bunday suv nasoslari deyarli ikki ming yil keyin paydo bo‘lgan vakuumli porshen nasosining asl prototipi edi. Ktesibiyning shogirdi Geron Aleksandriyalik yiringni tortib olish uchun porshenli shprits yaratgan; bu ham mohiyatan vakuum qurilmasi edi.
Taxmin qilinishicha, Abbosiylar davridagi olim Abu Nasr Forobiy (870—950) vakuum mavjudligini tekshirish uchun birinchi bo‘lib ilmiy tajriba o‘tkazgan deb hisoblanadi. U porshenlarning suvga botishini kuzatib o‘rgangan va havo mavjud vakuumni to‘ldirguncha kengayadi degan xulosaga kelgan. U havo fazoni egallashi va uning hajmini oshirish mumkinligi haqidagi nazariyani ilgari surgan birinchi tadqiqotchi bo‘lgan. Forobiy ideal vakuum g‘oyasini mantiqsiz deb rad etgan.
Yevropada vakuumni tajribaviy o‘rganish faqat XVII asrda, Uyg‘onish davri yakunlanib, Yangi davr ilmiy inqilobi boshlanganda rivojlandi. Bu paytga kelib, so‘ruvchi nasoslar suvni 10 metrdan kam balandlikka ko‘tara olishi anchadan beri ma’lum edi. Masalan, Georg Agrikolaning (1494—1555) «Konchilik haqida» risolasida shaxtadan suv chiqaruvchi nasoslar zanjiri tasvirlangan.
Galiley «Ikki yangi fan haqida suhbatlar va matematik isbotlar» (1638) asarida amaliy tajribaga tayanib, so‘ruvchi nasoslar suvni doimo bir xil — taxminan 18 tirsak balandlikka ko‘tarishini ta’kidlagan. Bu asar Arastu fizikasining rad etilishini yakunlagan. Unda, jumladan, suv va qattiq jismlarning uzilishga qarshiligini solishtirishga xizmat qiladigan porshenli vakuum asbobi tavsiflangan. Biroq Galiley suyuqliklar va qattiq jismlarning cho‘zilishga qarshiligini «bo‘shliqdan qo‘rqish» bilan izohlagan, modda zarralari orasida cho‘zilganda kengayadigan mayda bo‘sh g‘ovaklar mavjud deb faraz qilgan.
Galileyning «bo‘shliqdan qo‘rqish» cheklanganligini ko‘rsatgan risolasi ta’sirida 1639—1643-yillarda Gasparo Berti Rimdagi uyining old tomoniga qurilma (keyingi atama bilan aytganda, barometrik suv trubasi) o‘rnatdi. Uni vakuumni fizik jihatdan o‘rganish uchun birinchi qurilma deb hisoblash mumkin. Balandligi 10 m, atmosfera bosimi bilan muvozanatlashgan suv ustuni ustida bo‘shliq aniqlangan. Aslida u atrof-muhit haroratida to‘yingan suv bug‘i bosimiga teng bosimdagi suv bug‘i va suvdan ajralgan erigan havo bilan to‘lgan, ya’ni bo‘shliqdagi bosim taxminan 0,1 atmosfera). Emanuele Manyano bu bo‘shliqqa qo‘ng‘iroqcha va bolg‘acha o‘rnatgan. U magnit yordamida bolg‘achani harakatlantirib, qo‘ng‘iroqchaga urgan. Tarixda vakuumda (aniqrog‘i, siyrak gazda) o‘tkazilgan ushbu dastlabki tajriba qo‘ng‘iroqcha tovushi bo‘g‘iq eshitilishini ko‘rsatgan.
Olim Raffaelo Majotti (1597—1656) Rimda Berti va Manyano tajribalari haqida Galileyning shogirdi, florensiyalik Evangelista Torrichelliga. Majotti zichroq suyuqlik pastroq sathda to‘xtashi kerak degan fikrni ilgari surgan. 1644-yilda Torrichelli (Galileyning boshqa shogirdi Vinchenzo Vivianining yordami bilan) birinchi vakuum kamerasini yaratishga muvaffaq bo‘ldi. Atmosfera bosimi nazariyalariga oid ishlari keyingi tajriba usullariga asos yaratdi. Torrichelli usulidagi vakuum ( Torrichelli bo‘shlig‘i) bir uchi berk uzun shisha trubani simob bilan to‘ldirib, so‘ng ochiq uchini kengroq ochiq idishdagi simob sathi ostiga tushirgan holda ag‘darish orqali hosil qilinadi. Simob ustunining og‘irlik kuchi atmosfera bosimi bilan muvozanatlashguncha simob trubadan oqib chiqadi. Trubaning berk yuqori uchidagi simobdan bo‘shagan joyda vakuum hosil bo‘ladi. Bu usul simobli barometrning ishlashiga asos bo‘lgan. Standart atmosfera bosimida atmosfera bosimi bilan muvozanatlashgan simob ustunining balandligi 760 mm.
Taxminan 1650-yilda nemis olimi Otto fon Gerike birinchi vakuum nasosini (suvli zichlagichga ega porshenli silindrni) ixtiro qildi. Bu nasos germetik idishlardan havoni oson chiqarib tashlash va vakuum bilan tajribalar o‘tkazish imkonini berdi. Muallif antlia pneumatica deb nomlagan nasos hali mukammallikdan uzoq edi. Hosil bo‘lgan bo‘shliqni tashqi havodan yaxshiroq ajratish uchun suvga botirilgan porshen va kranlarni boshqarishga uch kishidan ko‘proq odam kerak bo‘lgan. Shunga qaramay, Gerike uning yordamida vakuumning ko‘plab xossalarini ko‘rsata oldi, jumladan mashhur Magdeburg yarimsharlari tajribasini o‘tkazdi. Gerike Torrichellining simobli barometriga o‘xshash tamoyilda ishlaydigan suvli barometr ham yaratgan. Suvning zichligi simobnikidan kamligi sababli atmosfera bosimini muvozanatlashtiruvchi suv ustuni 13,6 marta balandroq, ya’ni taxminan 10 metr bo‘ladi. Gerike vakuum tovush o‘tkazmasligini va unda yonish to‘xtashini birinchi bo‘lib aniqlagan.
Gerikening vakuum nasosi Robert Boyl tomonidan ancha takomillashtirildi. Bu unga vakuum xossalarini va turli jismlarga ta’sirini aniqlash bo‘yicha tajribalar o‘tkazishga imkon berdi. Boyl vakuumda mayda hayvonlar nobud bo‘lishini, olov o‘chishini, tutun pastga tushishini (demak, boshqa jismlar kabi tortishish kuchi ta’sirida ekanini) aniqladi. U suyuqlikning kapillyarlarda ko‘tarilishi vakuumda ham yuz berishini topib, o‘sha vaqtdagi bu hodisada havo bosimi ishtirok etadi degan qarashni rad etdi. Aksincha, suyuqlikning sifon orqali vakuumda oqishi to‘xtagan, bu esa hodisaning atmosfera bosimi tufayli sodir bo‘lishini isbotlagan. Boyl kimyoviy reaksiyalar (masalan, ohakni so‘ndirish) va jismlarning o‘zaro ishqalanishida vakuumda ham issiqlik ajralishini ko‘rsatgan.
Odamlar va hayvonlarga ta’siri
Vakuum ta’siriga uchragan odamlar va hayvonlar bir necha soniyada hushidan ketadi va bir necha daqiqada gipoksiya sababli nobud bo‘ladi. Ammo bu alomatlar odatda ommaviy madaniyat va OAVda ko‘rsatiladigan holatlarga o‘xshamaydi. Bosim pasayishi qon va boshqa biologik suyuqliklarning qaynash haroratini tushiradi, ammo qon tomirlarining elastik bosimi qonning 37 °C da qaynashiga yo‘l qo‘ymaydi. Qon qaynamasa ham, past bosimda unda va tananing boshqa suyuqliklarida gaz pufakchalari hosil bo‘lishi — ebullizm (havo emfizemasi) — jiddiy muammodir. Gaz tanani odatdagi hajmidan ikki baravargacha shishirishi mumkin, biroq to‘qimalar yetarlicha elastik bo‘lgani uchun yorilib ketmaydi. Shishlar va ebullizmning oldini maxsus uchuvchi kiyimi bilan olish mumkin. Kosmik kema astronavtlari Crew Altitude Protection Suit (CAPS) deb ataladigan elastik kiyim kiyganlar; u 2 kPa (15 mm sim. ust.dan yuqori bosimlarda ebullizmning oldini oladi. Suvning tez bug‘lanishi teri va shilliq pardalarni, ayniqsa og‘iz ichida 0 °C gacha sovitadi, lekin bu katta xavf tug‘dirmaydi.
Hayvonlar ustidagi tajribalar shuni ko‘rsatadiki, organizm vakuumda 90 soniya bo‘lganidan keyin odatda tez va to‘liq tiklanadi. Ammo uzoqroq vaqt vakuumda qolish o‘limga olib keladi va reanimatsiya foyda bermaydi. Vakuumning odamlarga ta’siri haqida (odatda baxtsiz hodisalardan olingan) ma’lumotlar cheklangan, lekin ular hayvonlar tajribalariga mos keladi. Nafas olish buzilmasa, oyoq-qo‘llar vakuumda ancha uzoq qolishi mumkin. Robert Boyl 1660-yilda vakuum mayda hayvonlar uchun halokatli ekanini birinchi bo‘lib ko‘rsatgan.
O‘lchash
Vakuum darajasi tizimda qolgan modda miqdori bilan belgilanadi. Vakuum, avvalo, mutlaq bosim orqali tavsiflanadi, lekin to‘liq tavsif uchun harorat va kimyoviy tarkib kabi qo‘shimcha parametrlar zarur. Eng muhim parametrlardan biri qoldiq gazlarning o‘rtacha erkin yugurish yo‘li uzunligi (MFP) bo‘lib, u zarra bir to‘qnashuvdan keyingisigacha erkin harakatda bosib o‘tadigan o‘rtacha masofani ko‘rsatadi. Gaz zichligi kamayganda MFP ortadi. Atmosfera bosimida havodagi MFP juda qisqa, taxminan 70 nm, 100 mPa (~1×10−3 torr bosimda esa havoning MFP qiymati taxminan 100 mm bo‘ladi. Erkin yugurish yo‘li uzunligi gaz joylashgan idish o‘lchamlariga yaqinlashganda siyrak gazning xossalari sezilarli o‘zgaradi.
Vakuum uni hosil qilish yoki o‘lchash uchun zarur texnologiyaga qarab diapazonlarga bo‘linadi. Bu diapazonlarning umumiy qabul qilingan ta’riflari yo‘q, ammo odatiy tasnif quyidagicha:
| Bosim ( mm sim. ust.) | Bosim ( Pa) | |
|---|---|---|
| Atmosfera bosimi | 760 | 1,013×10+5 |
| Past vakuum | 760 dan 25 gacha | 1×10 dan+5 dan 3,3×10 gacha+3 |
| O‘rta vakuum | 25 dan 1×10 gacha−3 | 3,3×10 dan+3 dan 1,3×10 gacha−1 |
| Yuqori vakuum | 1×10 dan−3 dan 1×10 gacha−9 | 1,3×10 dan−1 dan 1,3×10 gacha−7 |
| O‘ta yuqori vakuum | 1×10 dan−9 dan 1×10 gacha−12 | 1,3×10 dan−7 dan 1,3×10 gacha−10 |
| Ekstremal vakuum | <1×10−12 | <1,3×10−10 |
| Kosmik fazo | 1×10 dan−6 dan <3×10 gacha−17 | 1,3×10 dan−4 dan <1,3×10 gacha−15 |
| Mutlaq vakuum | 0 | 0 |
Qo‘llanilishi
Vakuum ko‘plab jarayonlar uchun foydali bo‘lib, turli qurilmalarda qo‘llanadi. U ommaviy ishlab chiqariladigan mahsulotlarda birinchi marta cho‘g‘lanma lampalarda tolani kimyoviy yemirilishdan. Kimyoviy inertlik vakuum ta’sirida materiallarda ta’minlanishi elektron-nurli payvandlash, sovuq payvandlash, vakuumli qadoqlash va vakuumli qovurishda ham foydalidir. O‘ta yuqori vakuum atom darajasida toza tagliklarni o‘rganishda qo‘llanadi, chunki faqat juda yuqori vakuum sirtlarni atom darajasida yetarlicha uzoq (bir necha daqiqadan bir necha kungacha) toza tutadi. Yuqori va o‘ta yuqori vakuum havoning qarshiligini bartaraf etib, zarralar oqimi materiallarni ifloslantirmasdan qoplashiga yoki olib tashlashiga imkon beradi. Bu tamoyil gaz fazasidan kimyoviy cho‘ktirish, vakuumli purkash va quruq o‘yishda qo‘llanadi; ular yarimo‘tkazgichlar va optik qoplamalar ishlab chiqarishda hamda sirt kimyosida qo‘llanadi. konveksiyaning kamayishi termoslarda issiqlik izolyatsiyasini ta’minlaydi. Chuqur vakuum suyuqlikning qaynash haroratini tushiradi va gazsizlantirishning past haroratda o‘tishiga yordam beradi; bu jarayon sublimatsion quritish, yelim, distillash, metallurgiya va vakuumli tozalashda ishlatiladi. Vakuumning elektr xossalari elektron mikroskoplar va vakuumli elektron lampalar, jumladan katod-nurli trubkalardan. Vakuumli uzgichlar elektr taqsimlash qurilmalarida. Vakuumdagi elektr teshilish ayrim po‘lat navlari yoki yuqori tozalikdagi materiallar ishlab chiqarishda sanoat ahamiyatiga ega. Havo ishqalanishini bartaraf etish energiyani maxoviklarda va ultrasentrifugalarda.
Vakuum bilan boshqariladigan mashinalar
Vakuum odatda so‘rish hosil qilish uchun qo‘llanadi; uning ishlatilish doirasi juda keng. Nyukomen bug‘ mashinasi porshenni boshqarishda bosim o‘rniga vakuumdan foydalangan. XIX asrda vakuum tajribaviy pnevmatik temiryo‘lda Izambard Brunel tomonidan tortish kuchini hosil qilish uchun ishlatilgan. Bir vaqtlar Buyuk Britaniya poyezdlarida vakuumli tormozlar keng qo‘llangan, ammo tarixiy temiryo‘llardan tashqari, ularning o‘rnini pnevmatik tormozlar.
Avtomobildagi yordamchi uskunalarni boshqarish uchun kirish kollektoridagi vakuumdan foydalanish mumkin. Eng mashhur qo‘llanishi — tormozlar kuchini oshiruvchi vakuum kuchaytirgichidir. Ilgari vakuum oyna tozalagich va yonilg‘i nasoslarida Autovac tizimida ishlatilgan. Ayrim aviatsiya asboblari (aviagorizont va kurs ko‘rsatkichi) ko‘pincha elektr asboblarining hammasi ishdan chiqishidan himoya sifatida vakuum bilan ishlaydi. Chunki dastlabki samolyotlar ko‘pincha elektr tizimiga ega emas edi; harakatdagi samolyotda vakuumning ikkita qulay manbai bor: dvigatel va Venturi trubasi. Vakuum-induksion eritishda vakuumdagi elektromagnit induksiya qo‘llanadi.
kondensatorda vakuumni saqlab turish bug‘ turbinalarining samarali ishlashi uchun muhim. Buning uchun bug‘ injektori yoki suv halqali nasos ishlatiladi. Turbina chiqish quvuridagi kondensatorning bug‘ bo‘shlig‘ida saqlanadigan odatiy vakuum (turbina kondensatori bosimi deb ham ataladi) kondensator turi va atrof-muhit sharoitlariga qarab 5 dan 15 kPa gacha bo‘ladi.
Gazsizlantirish
Bug‘lanish va sublimatsiya vakuumda gazsizlantirish deb ataladi. Barcha qattiq va suyuq materiallar biroz bug‘lanadi (gaz ajratadi); vakuum bosimi ularning bug‘ bosimidan past bo‘lganda ularni gazsizlantirish zarur. Materiallarning vakuumda bug‘lanishi gaz sizib kirishiga o‘xshash ta’sir ko‘rsatadi va erishiladigan vakuum darajasini cheklashi mumkin. Bug‘lanish mahsulotlari yaqin atrofdagi sovuqroq sirtlarda kondensatsiyalanishi mumkin. Ular optik asboblarni qoplasa yoki boshqa materiallar bilan reaksiyaga kirishsa, muammolar tug‘diradi. Bu kosmik parvozlarda katta qiyinchilik yaratadi: qoraygan teleskop yoki quyosh batareyasi elementi qimmat operatsiyaning muvaffaqiyatsiz bo‘lishiga olib kelishi mumkin.
Vakuum tizimlarida eng ko‘p ajraladigan modda — kameralar materiallari singdirgan suvdir. Uning miqdorini kamerani quritish yoki qizdirish va yutuvchi materiallarni olib tashlash orqali kamaytirish mumkin. Bug‘lanayotgan suv kondensatsiyalanishi plastinkali rotorli nasoslar moyida va gaz-ballast qurilmasi ishlatilmasa, nasos unumdorligini keskin kamaytirishi mumkin. Yuqori vakuumli tizimlar toza bo‘lishi, gaz ajralishini kamaytirish uchun ularda organik moddalar qolmasligi kerak.
O‘ta yuqori vakuum tizimlari odatda, imkon qadar vakuum ostida qizdirib ishlov beriladi. Bu barcha materiallarning bug‘lanishini vaqtincha kuchaytirib, bug‘larni chiqarib tashlashga xizmat qiladi. Bug‘lanadigan moddalarning asosiy qismi chiqarilgach, tizim sovitiladi; bu ekspluatatsiya davrida qoldiq gaz ajralishini kamaytiradi. Ba’zi tizimlar xona haroratidan ancha pastgacha suyuq azot yordamida sovitilib, qoldiq gaz ajralishi to‘liq to‘xtatiladi va bir vaqtning o‘zida tizimda kriogen nasoslash ta’siri yuzaga keladi.
Nasos bilan so‘rib chiqarish va atmosfera bosimi
Umuman, gazlarni shunchaki itarib chiqarib bo‘lmaydi; shuning uchun vakuumni faqat so‘rish bilan hosil qilish mumkin emas. So‘rish vakuumni kengaytirishi va siyraklashtirishi, yuqori bosim ta’sirida gazning unga kirishiga imkon berishi mumkin. Lekin so‘rish sodir bo‘lishidan oldin vakuum hosil qilinishi lozim. Sun’iy vakuum yaratishning eng oddiy usuli — kamera hajmini kengaytirish. Masalan, diafragma mushagi ko‘krak qafasini kengaytirib, o‘pka hajmini oshiradi. Kengayish bosimni tushirib, past vakuum hosil qiladi; u tez orada atmosfera bosimi ostida kiradigan havo bilan to‘ladi.
Kamerani doimo kattalashtirmasdan uzluksiz bo‘shatish uchun uning vakuum hosil qiluvchi bo‘limini yopish, gazdan tozalash, yana kengaytirish va bu jarayonni ko‘p marta takrorlash mumkin. Bu hajmiy siqib chiqarish (gaz ko‘chirish) nasoslarining, masalan, qo‘l suv nasosining ishlash tamoyilidir. Nasos ichidagi mexanizm kichik germetik bo‘shliqni kengaytirib, vakuum hosil qiladi. Bosimlar farqi sababli kameradagi (misolimizda quduqdagi) suyuqlikning bir qismi nasosning kichik bo‘shlig‘iga kiradi. Keyin bu bo‘shliq kameradan germetik ajratilib, atmosfera bilan tutashtiriladi va eng kichik hajmgacha siqilib, suyuqlikni tashqariga chiqaradi.
Yuqoridagi izoh vakuum hosil qilish jarayoniga sodda kirish bo‘lib, barcha turdagi nasoslar uchun xos emas. Hajmiy nasoslarning ko‘plab turlari yaratilgan; ko‘p nasos konstruksiyalari mutlaqo boshqa tamoyillarga asoslanadi. Yuqori bosimlarda ishlatiladigan dinamik nasoslarga o‘xshash impuls uzatuvchi nasoslar hajmiy nasoslarga qaraganda ancha yuqori darajadagi vakuumga erishishi mumkin. Gazni qattiq yoki yutilgan holatda tutib qoladigan gaz bog‘lovchi nasoslar ko‘pincha harakatlanuvchi qismlarsiz, zichlagichlarsiz va tebranishsiz ishlaydi. Bu nasoslarning hech biri universal emas; har birining qo‘llanishida jiddiy cheklovlar bor. Ularning barchasi molekula massasi kichik bo‘lgan gazlarni, ayniqsa vodorod, geliy va neonni so‘rib chiqarishda qiynaladi.
Tizimda erishiladigan eng past bosim nasos qurilishidan tashqari ko‘plab omillarga bog‘liq. Yuqoriroq vakuumga erishish uchun bir nechta nasos bosqichma-bosqich ketma-ket ulanishi mumkin. Zichlagichlar, kamera geometriyasi, materiallar va gaz chiqarish tartibi ham natijaga ta’sir etadi. Bularning barchasi vakuum texnikasi deb ataladi. Ba’zan yakuniy bosim yagona muhim ko‘rsatkich emas. Nasos tizimlari moy bilan ifloslantirish, tebranish, muayyan gazlarni tanlab so‘rib chiqarish, chiqarish tezligi, uzlukli ishlash, ishonchlilik va gazning katta tezlikda sizib kirishiga bardoshlilik jihatidan farqlanadi.
O‘ta yuqori vakuumli tizimlarda gaz sizib kirishining ayrim juda «g‘alati» yo‘llari va bug‘lanish manbalarini hisobga olish kerak. Alyuminiy va palladiyning suvni yutish xususiyati nomaqbul bug‘ manbaiga aylanadi; hatto zanglamaydigan po‘lat yoki titan kabi qattiq metallarning adsorbsiya xususiyati ham inobatga olinadi. Ayrim moy va surkov materiallari yuqori vakuumda qaynaydi. Metallning kristall tuzilishi kamera metall devorlarining o‘tkazuvchanligiga qanday ta’sir qilishini, masalan, metall flaneslardagi donalar yo‘nalishi flanes uchiga parallel bo‘lishini hisobga olishga to‘g‘ri kelishi mumkin.
Hozirgi vaqtda laboratoriya sharoitida erishiladigan eng past bosimlar taxminan 10−13 torr (13 pPa). Biroq 5×10 dan kichik−17 torr (6,7 fPa) bosimlar kriogen vakuum tizimida bilvosita o‘lchangan. Bu ≈100 zarra/sm3.
Adabiyotlar
- Borisov V. P. Vakuum: naturfalsafadan diffuzion nasosgacha. — M.: «Intelvak» ilmiy-ishlab chiqarish kompaniyasi, 2001.
- Vakuum texnikasining ilmiy asoslari. — M., 1964.
- Groshkovskiy Ya. Yuqori vakuum texnikasi. — M., 1975.
- Vakuum texnikasi asoslari. 2-nashr. — M., 1981.
- Rozanov L. I. Vakuum texnikasi. 2-nashr. — M., 1990.
- L. B. Okun. Vakuum va massa tushunchalari hamda Xiggsni izlash haqida (inglizcha) // Modern Physics Letters A. — 2012. — jild 27. — bet 1230041. — doi:10.1142/S0217732312300418. — arXiv:1212.1031.
- Kramer D. va boshqalar Eynshteyn tenglamalarining aniq yechimlari. M.: Mir, 1982. — 416 bet.
- Landau L. D., Lifshits Ye. M. Maydon nazariyasi. — 7-nashr, tuzatilgan. — M.: Nauka, 1988. — 512 bet — («Nazariy fizika», jild II). — ISBN 5-02-014420-7.
- Pauli V. Nisbiylik nazariyasi. M.: Nauka, 1991
- Grib A. A. Kvant maydon nazariyasida vakuumning noinvariantligi muammosi. M.: Atomizdat, 1978
