Как найти вакуум в сосуде

Представим
сосуд с жидкостью, сверху закрытый
герметичной крышкой, на свободную
поверхность жидкости действует давление
p1;
рассмотрим внутри жидкости точку А,
расположенную на глубине hA
(рис. 7.5). К стенке сосуда на уровне точки
А присоединим трубку (так, чтобы она
сообщалась с сосудом),верхний
конец которой открыт. Поверхность
жидкости в трубке будет испытывать
давление pа,
равное атмосферному; такая трубка П
называется пьезометрической трубкой
или пьезометром.
Жидкость в ней поднимается на некоторую
высоту hn,
которая называется пьезометрической
высотой
(напором). Величину hn
можно найти из условия равновесия
площадки, находящейся у входа в трубку
П; как и вся жидкость площадка находится
в равновесии и, следовательно, давления
справа и слева от нее одинаковые. Давление
слева равно p1+ρghА,
давление справа равно pа+ρghn;

тогда

p1+ρghА=pа+ρghn.
(7.13)


рис.7.5 Рис.
7.6 Рис.7.7 Рис. 7.8

Из
последнего уравнения возможно найти
p1,
если hn
и hA
известны,
или найти hn,
если известны p1
и hA.
Если в сосуде давление над поверхностью
жидкости равно атмосферному, то уровень
в пьезометрической трубке установится
на той же высоте, что и в сосуде, и
пьезометрическая высота будет равна
глубине погружения данной точки (рис.
7.6); как следует из (7.13), если p1=pа,
то hA=hn.
Иногда этот простой результат называют
«Закон сообщающихся сосудов», хотя
закона как такового в данном случае нет
– если рассматривать сообщающиеся
сосуды с однородной жидкостью (рис. 7.7),
то уровни в обоих их коленах будут
одинаковые.

Когда
давление p
меньше атмосферного, например, во
всасывающих линиях насосов, в сифонах,
то говорят, что в этой области вакуум
(разрежение). Для измерения давления,
меньшего атмосферного, применяется
прибор, называемый вакуумметром.
Он представляет трубку, одним концом
соединенную с сосудом В, где имеется
вакуум (рис.7.8), а другим концом опущенную
в сосуд с жидкостью, на поверхность
которой действует атмосферное давление
pа.
Жидкость в трубке поднимается на
некоторую высоту hв.
рассмотрим
нижнее сечение трубки (на уровне жидкости
в сосуде) – гидростатическое давление,
передаваемое на него со стороны жидкости
в трубке pв+
ρghв.
С другой стороны, с поверхности жидкости
в сосуде на то же нижнее сечение трубки
передается атмосферное давление, равное
pа,
поэтому

ра=
pв
+ ρghв,

откуда

.
(7.14)

Из
последней зависимости следует, что hв
измеряет не давление pВ
в сосуде В, а разность между атмосферным
давлением pа
и давлением pв.
Эта разность обозначается через pвак
и называется вакуумом, т.е. вакуум
есть недостаток давления до атмосферного.
Вакуум, как и гидростатическое давление,
можно выразить двумя способами – в
единицах давления (атмосфера, Паскаль)
и в единицах высоты столба жидкости.

Приборы для измерения давления

Жидкостные
манометры
обычно представляют собой изогнутые
U-образные
стеклянные трубки диаметром 10-15 мм,
присоединяемые одним концом к точке,
где требуется измерить давление, второй
конец остается открытым (рис. 7.9). Очевидно,
что жидкость только тогда будет в
равновесии, когда вследствие разности
уровней в сосудах возникает противодавление
ρgh,
уравновешивающее разность давлений
.
Из условия равновесия следуетРис.
7.9

,

где
h
– разность уровней жидкости в сообщающихся
сосудах; ρ
– плотность жидкости; g
– ускорение свободного падения. На
плоском щите позади трубок обычно
монтируется шкала, по которой возможно
измерить высоту поднятия жидкости под
действием давления. Такие манометры
применяются для измерения небольших
давлений – от 1 до 10 кПа. Для измерения
больших давлений потребовались бы
слишком высокие пьезометрические
трубки. Так, для измерения давления 0,15
МПа (1,5 атм) необходима трубка высотой
15 м. Для измерения таких давлений в
жидкостные манометры заливают более
тяжелые жидкости, например, ртуть; высота
h
в этом случае будет в 13,6 раза меньше.
Для измерения ещё больших давлений (или
глубокого вакуума) применяют пружинные
манометры.

Пример
7.3.Для
измерения потерь напора (энергии) часто
применяют пьезометры (рис. 7.10),
присоединяемые к отверстиям в стенке
трубы.

Связь
между напором и давлением.
Отношение давления
к произведению ρg
(ρ- плотность данной жидкости) имеет
размерность длины и выражается в метрах
или сантиметрах

.
(7.15)

Рис.
7.10 таким
образом последнее равенство устанавливает
связь между давлением и некоторой длиной
Н, которая называется напором.
Если трубку с открытым верхним концом
присоединить к потоку в трубе, рис.7.11,
в котором давление больше атмосферного,
то вода в трубке поднимется на некоторую
высоту Н’, которая определится так

,

где
pизб
— избыточное давление в данном сечении
трубы; ρ
– плотность жидкости. Этот прием является
способом выражать давление высотой
столба данной жидкости. Например,
давление 1 ат = 98000 Н/м2
=98000 Па будет
соответствовать высоте водяного столба

м.вод.ст.

Иногда
говорят вместо давления – напор,
например, напор в сети равен 10 м (он
соответствует давлению 1 ат); при этом
если к трубе присоединить тонкую
вертикальную трубку, то в ней вода
поднимется на высоту 10 м (рис. 7.12).


Н’

Рис.
7.11 Рис. 7.12

Задача
7.4. Определить
высоту h
поднятия воды в запаянной с одного конца
трубке, опущенной в сосуд с водой при
нормальном атмосферном давлении на ее
поверхности, если над поверхностью воды
в трубке будет безвоздушное пространство
с давлением p=0.

Решение.
Представив в поперечном сечении трубки
на уровне свободной поверхности тонкую
площадку, рассмотрим условие равновесия
всех сил, действующих на эту площадку.
Сверху на нее будет действовать только
гидростатическое давление от столба
высотой h,
p=ρgh.
Снизу на эту площадку будет передаваться
атмосферное давление pа=ρgh
и искомая величина равна

м.

Такую
величину имеет столб воды, создающий
давление нормальной атмосферы.
Рассмотренная трубка является известным
прибором – барометром. Для измерения
величины атмосферного давления неудобно
применять трубки высотой 10,33 м и поэтому
в качестве жидкости в них применяется
ртуть, имеющая плотность, в 13,6 раз
большую, чем вода.

Задача
7.5. Определить
высоту поднятия ртути в ртутном барометре.
Принять pа=1,033
кг/см2,
плотность ртути
=13600
кг/м3.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
Источник

В чем измеряется вакуум?

Вакуумом (от лат. vacuum — пустота) называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Вакууму обычно соответствует область давления ниже 10^5 Па.

Чему равен абсолютный вакуум?

Измерение

Давление (мм рт.ст.) Давление (Па)
Сверхвысокий вакуум от 1×10−9 до 1×10−12 от 1,3×10−7 до 1,3×10−10
Экстремальный вакуум <1×10−12 <1,3×10−10
Космическое пространство от 1×10−6 до <3×10−17 от 1,3×10−4 до <1,3×10−15
Абсолютный вакуум 0 0

Как рассчитать силу вакуума?

  1. Формула для определения силы закрепления:
  2. Давление P является результатом соотношения силы F и площади A.
  3. P = F/A = Н/м2.
  4. Пример: Вакуумное зажимное приспособление с рабочей поверхностью 200х300 мм; Вакуумное устройство создает давлением в 90% вакуума; …
  5. Единицы измерения:
  6. P = Н/м2. …
  7. Расчет: …
  8. Fmin=547 кгс x 0,3 = 164 кгс

Чему равно максимально возможное значение вакуума?

Так как в сосуде всего одна атмосфера, то и максимально возможный вакуум мы можем получить (теоретически) ноль атмосфер.

В чем измеряется глубина вакуума?

Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Основной единицей измерения давления в Международной системе (СИ) служит Паскаль (1 Па = 1Н/м2). Однако, на практике встречаются и другие единицы измерения, такие как миллибары (1 мбар = 100Па) и Торры или миллиметры ртутного столба (1 мм.

Кто первый открыл вакуум?

Эванджелиста Торричелли
Именно опыт по доказательству существования и измерению атмосферного давления помог впервые увидеть пустоту — вакуум. Это сделал итальянский физик и математик Эванджелиста Торричелли в 1643 году.

Сколько давление в вакууме?

Абсолютное значение давления вакуума лежит в пределах от О мБар (абсолютный вакуум) до 1013 мБар (атмосфер— ное давление).

Чем заполнен вакуум?

Сейчас мы знаем, что это пространство заполнено парами ртути с давлением около 1,2х10-3 мм. рт. ст (или 1,6х10-1 Па).

Что означает 2 кгс см?

1 кгс/см2 — 1 Килограмм-сила на квадратный сантиметр; 1 мм рт. ст.

Как правильно сделать вакуум?

Техника и вариации выполнения упражнения «вакуум»

  1. Держите спину ровно, глубоко вдохните через нос.
  2. Выдохните абсолютно весь воздух, одновременно постепенно втягивая живот.
  3. Задержитесь в таком положении, как можно сильнее напрягая пресс. …
  4. Вернитесь в исходную позицию, при этом медленно вдыхая воздух.

Какой максимальный вакуум можно создать?

Абсолютное значение давления вакуума лежит в пределах от О мБар (абсолютный вакуум) до 1013 мБар (атмосфер- ное давление).

Что будет с водой в вакууме?

Если поместить жидкость в вакуум, в космос, то она мгновенно испарится. А есть такая жидкость, которая в вакууме не начнет кипеть? Все видели капли воды (жидкости) в невесомости, они собираются в шарики.

Какой вакуум больше?

— Технический вакуум: соответствует уровню вакуума от -99 кПа….Уровни вакуума

  • Низкий вакуум (НВ): от 105 до 102 Па,
  • Средний вакуум (СВ): от 102 до 10-1 Па,
  • Высокий вакуум (ВВ): от 10-1 до 10-5 Па,
  • Сверхвысокий вакуум (СВВ): от 10-5 до 10-9 Па,
  • Черезвычайно высокий вакуум (ЧВВ): <10-9 Па.

Как найти абсолютное давление воздуха?

Если в сосудах давление избыточное, то абсолютное давление равно сумме атмосферного и избыточного давления: Pабс = Pбар + Pизб.

Как делать вакуум живота для начинающих?

Как правильно делать вакуум живота

  1. Шаг 1. Примите удобное положение. …
  2. Шаг 2. Сделайте плавный и максимально глубокий вдох носом. …
  3. Шаг 3. Теперь начинайте выдыхать воздух через рот, одновременно втягивая мышцы живота. …
  4. Шаг 4. Задержите дыхание и втяните живот так сильно, как можете. …
  5. Шаг 5.

16 мар. 2021 г.

Какое состояние газа называется высоким вакуумом?

Высокий вакуум определяется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул значительно превышает характерный линейный размер (λ >> L). Высокому вакууму обычно соответствует область давления 0,1…10-5 Па.

Что подразумевается под вакуумными трубопроводами?

Вакуумный трубопровод — элемент вакуумной системы, представляющий собой трубопровод, по которому перемещается газ. Форвакуумный трубопровод — вакуумный трубопровод, служащий для присоединения к форвакуумному насосу.

Источник

          Давление – физическая величина, численно равная силе (F), действующей на единицу площади поверхности (S) перпендикулярно этой поверхности (отношение силы F к площади поверхности S), то есть P=F/S. По-простому – это сила, распределённая по площади поверхности.
          В Международной системе единиц (СИ) измеряется в паскалях (русское обозначение – Па; международное – Pa). Паскаль равен давлению, вызываемому силой, равной одному ньютону, равномерно распределённой по нормальной к ней поверхности площадью один квадратный метр.

          Рисунок 1 – Перевод единиц измерения давлений.

          На среднего по размерам человека на поверхности Земли со стороны атмосферного давления действует сила около 150000Н, но человек справляется с такой нагрузкой, т.к. внешнее атмосферное давление уравновешивается давлением жидкости внутри нашего организма.

          Вакуум (от лат. vacuus – пустой) – пространство в котором практически отсутствуют атомы вещества. Под вакуумом в технике и прикладной физике понимают среду, состоящую из газа при давлении значительно ниже атмосферного.
          На нашей планете существует атмосферное давление, принятое за единицу (одна атмосфера (1 атм)). Оно меняется в зависимости от погоды, высоты над уровнем моря, но мы не будем углубляться в это, так как это никак не влияет на понимание понятия вакуум. Мы имеем давление на поверхности земли равное 1 атмосфере. Всё, что ниже 1 атмосферы (в закрытом сосуде), называется техническим вакуумом.
          Возьмём некий сосуд и закроем его герметичной крышкой. Давление в сосуде будет равно 1 атмосфере. Если мы начнём откачивать из сосуда воздух, то в нём возникнет разряжение, которое и называется вакуумом. Так как в сосуде всего одна атмосфера, то и максимально возможный вакуум мы можем получить (теоретически – так как выловить все молекулы воздуха из сосуда практически невозможно) ноль атмосфер. По этому, в любом сосуде, из которого откачали воздух (газ) всегда остается какое-то его минимальное количество. Это и называют «остаточным давлением», давление, которое осталось в сосуде после откачки из него газов. Существуют специальные насосы, которые могут достичь глубокого вакуума до 0,00001 Па, но всё равно не до нуля. В обычной жизни редко когда требуется вакуум глубже 0,5 — 10 Па (0,00005-0,0001 атм).
          Есть несколько вариантов измерения вакуума, которые зависят от выбора точки отсчёта:
– за единицу принимается атмосферное давление. Всё, что ниже единицы – вакуум, то есть шкала вакуумметра от 1 до 0 атм (1…0,9…0,8…0,7…..0,2…0,1….0).
– за ноль принимается атмосферное давление. То есть вакуум – все отрицательные числа меньше 0 и до -1, то есть шкала вакуумметра от 0 до -1 (0, -0,1…-0,2….,-0,9,…-1).
– также шкалы могут быть в кПа, mBar, но это всё аналогично шкалам в атмосферах.
          Из всего вышесказанного видно, что величина вакуума не может быть больше атмосферного давления.

          Рисунок 2 – Классификация вакуума.

          Технический вакуум.

          Технический вакуум получают с помощью специальных насосов (вакуумных насосов). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа (λ), связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера (d) сосуда, в котором находится газ.
          При понижении давления и достижения величины примерно равной 1 мм. рт.ст. соотношение (λ/d)<< 1 (1016 молекул на1 см3) такое состояние называется низкий вакуум. Свойства газа в условиях низкого вакуума определяются частыми столкновениями молекул газа друг с другом, сопровождающимися обменом энергией между ними. Такой газ обладает внутренним трением (вязкостью). Его течение подчиняется законам аэродинамики. Явления переноса (электропроводность, теплопроводность, внутреннее трение, диффузия) в условиях низкого вакуума характеризуются плавным изменением или постоянством градиента переносимой величины. Например, температура газа в пространстве между «горячей» и «холодной» стенками в низком вакууме изменяется постепенно. При этом переносимое количество тепла или вещества не зависит от давления. Дальнейшее понижение давления в сосуде приводит к увеличению средней длины свободного пробега (λ) молекул газа. Достижение величины примерно равной 10-5 мм. рт.ст. соотношение (λ/d)>> 1 (1011 молекул на1 см3) такое состояние называется высоким вакуум. В высоком вакууме свойства газа определяются только столкновениями его молекул со стенками. Столкновения молекул друг с другом происходят редко и играют второстепенную роль. Движение молекул между стенками происходит прямолинейно (молекулярный режим течения газа). Средний вакуум имеет свойства между высоким и низким вакуумом и достижим при соотношении (λ/d)~ 1).
          Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10-9 мм рт.ст. и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием сканирующего туннельного микроскопа. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже (109 молекул на 1 см3), в дальнем космосе и вовсе может достигать 10−16 мм рт.ст. и ниже (1 молекула на 1 см3).
          Вакуум является хорошим термоизолятором; перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумировано. Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах – радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и др.

          Космическое пространство.

          Космическое пространство имеет очень низкую плотность и давление, и является ближайшим приближением технического вакуума сверхнизкого давления. Космический вакуум не является действительно совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр.
          Звёзды, планеты и спутники держат свои атмосферы силами электромагнитных взаимодействий, и как таковой у атмосферы нет чётко очерченной границы: плотность атмосферного газа просто уменьшается с расстоянием от объекта. Атмосферное давление Земли падает до примерно 3,2×10−2 Па на 100 км высоты – на так называемой линии Кармана, которая является общим определением границы с космическим пространством. За этой линией изотропное давление газа быстро становится незначительным по сравнению с давлением электромагнитного излучения от Солнца и динамическим давлением солнечного ветра, поэтому определение давления становится трудно интерпретировать.
          Электромагнитное излучение от Солнца является следствием того, что оно, как и любой материальный объект, обладающий энергией E и движущийся со скоростью v, также обладает импульсом p = Ev/c². А поскольку для электромагнитного излучения v = c, то p = E/c. С точки зрения волновой теории света электромагнитная волна представляет собой изменяющиеся и взаимосвязанные во времени и пространстве колебания электрического и магнитного полей. При падении волны на отражающую поверхность электрическое поле возбуждает токи в приповерхностном слое, на которые действует магнитная составляющая волны. Таким образом, световое давление есть результат сложения многих сил Лоренца, действующих на частицы тела.
          Термосфера в этом диапазоне имеет большие градиенты давления, температуры и состава, и сильно варьируется в связи с космической погодой. Плотность атмосферы в течение первых нескольких сотен километров выше линии Кармана всё ещё достаточна для оказания значительного сопротивления движению искусственно созданных летательных аппаратов.

          Рисунок 3 – Изменение параметров атмосферы с высотой.

          Давление на высоте полета МКС (~400км) составляет примерно1×10-11 кг/см2, это значение соответствует давлению сверхвысокого вакуума, а температура составляет около 1200 0С. Давление космического пространства варьируется в определенных интервалах и зависит от многих факторов.
          На земле если откачивать воздух из железнодорожных цистерн, асенизаторских машин и создать вакуум определенной величины (примерно – -580кПа для цистерн) цистерна схлопывается (происходит имплозия сосуда), сжимается во внутрь с неимоверной силой из-за разности давлений. Сжать сосуд цилиндрической формы (в разрезе окружность) очень непростая задача, так как данный сосуд по своим конструктивным особенностям имеет один из самых больших запасов прочности внешним механическим воздействиям и нагрузкам. Толщина стенки цистерны варьируется примерно от 16 до 24 мм.
          Теперь посмотрим как, цистерны даже с минимальной толщиной стенки схлопываются как картонные, под воздействием атмосферного давления.

          После просмотра видео, наверное каждый задаст вопрос, как же скафандры в открытом космосе выдерживают еще более значительную разность давлений (отсутствие давления снаружи скафандра и создание его внутри), разность давлений пытается растянуть скафандр во все стороны, создавая колоссальные нагрузки, так как давление в скафандре поддерживается примерно760 мм рт.ст. (1,013×105 Па), а давление в космическом пространстве 1×10-6 до 3×10-17 мм рт.ст. (1,3×10-4 до 1,3×10-15 Па), и космонавты работают по 6-8 часов якобы в открытом космосе совершая движения, сгибают скафандры. Так же есть один факт, который не дает покоя, после выхода космонавтов в открытый космос, где скафандр подвергается жесткому радиоактивному излучению на протяжении часов и так n-ное количество раз, возвращаясь назад, космонавты хранят их в общих отсеках. Неужели внутри корабля скафандры не излучают радиоактивное излучение и не действуют этим на космонавтов, что-то тут не сходится, ведь за восемь часов ионизирующего излучения наружная оболочка скафандров должна была набрать значительную дозу радиации.
          Последние эксперименты показали, что нахождение живого организма в вакууме при продолжительности до 90 секунд не приводит к каким либо серьезным патологиям, а то и вообще проходит бесследно.
          Вакуум, что же это такое.., мы так мало об этом знаем, о его свойствах и процессах происходящих в нем, много скрыто под грифом «совершенно секретно», многое умалчивают. Получены лишь начальные знания электромагнитных взаимодействий в вакууме, передачи энергии, энергетические процессы, а так же скрыты полностью от простого человека знания, что даже в абсолютном вакууме существуют поля с бесконечной энергией, имеющей в сумме нулевое значение. Нас повсеместно и в вакууме окружают энергоинформационные поля, способные мгновенно передавать информацию на огромные расстояния, а так же через них происходит взаимодействие всего, со всем, что нас окружает…

Источник

«Познавательная страничка» про вакуум

Уровень сложности
Средний

Время на прочтение
11 мин

Количество просмотров 6K

Картинка Wirestock, Freepik

Свойства разреженных газов изучаются специальной областью физики, которая называется физикой вакуума. В её основе лежат несколько постулатов:

  • газ представляет собой совокупность молекул, находящихся в движении;
  • молекулы газа распределяются по скоростям, другими словами, одной и той же скоростью движения обладает одинаковое число молекул;
  • у молекул нет преимущественных направлений перемещения;
  • газ обладает температурой, которую можно назвать величиной, пропорциональной усреднённой кинетической энергии всех его молекул;
  • если молекула взаимодействует с поверхностью твёрдого тела, то она может адсорбироваться ей.

Если давление газа ниже атмосферного давления, такое его состояние принято называть вакуумом.

Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!

Если давление газа значительно ниже атмосферного или весьма значительно ниже, то в таком случае говорят о высоком или сверхвысоком уровне вакуума.

Например, с увеличением расстояния от уровня моря атмосферное давление уменьшается, и на больших высотах соответствует понятию высокого вакуума. С дальнейшим ростом расстояния от поверхности и выходом в космическое пространство мы уже сталкиваемся с понятием сверхвысокого вакуума.

В общем случае вариант высокого вакуума подразумевает такую концентрацию молекул в некоем сосуде, чтобы длина пробега молекулы в рамках этого сосуда без соударения с другими молекулами была больше размера этого сосуда. Такого типа вакуум обычно используют в разнообразных устройствах, где применяется электронный поток: электронных лампах и микроскопах, кинескопах, рентгеновских аппаратах.

Сверхвысокий вакуум нужен для получения очень чистых поверхностей, не содержащих адсорбированных газов, при этом чистота поверхности сохраняется тем дольше, чем выше вакуум в системе.

При наличии давления, близкого к атмосферному, вакуум определяют как разность атмосферного и абсолютного давления. При абсолютном давлении, которое отличается от атмосферного на два порядка и более, подобная разность остаётся неизменной и с её помощью уже нельзя измерять количество разреженного газа. Поэтому при таких давлениях степени вакуума определяют уже абсолютным давлением газа. Если давление очень мало и его значение не может быть зафиксировано имеющимися приборами, то в этом случае в качестве характеризующего признака пользуются замером количества молекул газа на единицу объёма, так называемой молекулярной концентрацией газа.

Логически рассуждая, нетрудно понять, что идеальным вакуумом является полное отсутствие каких-либо газов или частиц вещества в некотором рассматриваемом объёме. Именно к этому и стремится вакуумная наука, однако такое состояние пока недостижимо и именно поэтому и говорят о степенях вакуума.

Важность вакуума

Многие отрасли науки критически зависят от получения высокого вакуума: физика твёрдого тела, физика плазмы, ядерная физика, физика космического пространства, а также сфера электроники.

Например, реализация электровакуумных приборов была бы невозможной, так как вакуум там является неотделимым элементом конструкции. Например, высокий вакуум используется в приёмно-усилительных и генераторных лампах, а низкий и средний вакуум применяется при производстве осветительных ламп.

Самые высокие требования к степени вакуума предъявляются в сфере производства электронно-лучевых трубок и сверхвысокочастотных устройств. В то же время, например, при производстве полупроводниковых микросхем, вакуум не требуется, но вакуумные технологии применяются в области нанесения тонких плёнок, ионного травления, электронолитографии, где они позволяют получать элементы субмикронных размеров.

Важен вакуум и для металлургии, так как вакуумная плавка металлов позволяет избавить их от газов, вследствие чего металлы получают большую прочность, пластичность, вязкость.

Благодаря такой плавке можно получать не содержащие углерода сорта железа для использования в электродвигателях, а также медь с высокой электропроводностью.

Кроме того, вакуумное спекание применяется и в порошковой металлургии, с помощью чего получают спечённые порошки из таких металлов, как вольфрам и молибден, а также сталь высокого качества.

В вакуумной среде получают сверхчистые вещества, полупроводники, диэлектрики, которые могут быть выращены с помощью кристаллизационных установок.

Вакуумная диффузионная сварка позволяет получать прочные соединения металлов, которые существенно отличаются по своим температурам плавления. Например, таким способом можно соединить керамику и металл, сталь и алюминий.

Широко используется также и электронно-лучевая сварка в вакууме.

В электротехнике вакуумная пропитка используется как один из самых экономичных методов производства трансформаторов, электродвигателей, конденсаторов, кабелей.

Важен вакуум и в химической промышленности, где с его помощью происходит исследование осаждения газов и паров на поверхности катализаторов, осуществляется вакуумная сушка при производстве синтетических волокон, полиэтилена и органических растворителей.

Не осталась в стороне и оптическая промышленность: с помощью вакуумных процессов там изготавливаются различные защитные слои, интерференционные фильтры, просветлённая оптика, а также применяется вакуумное покрытие алюминием, которое заменило предыдущий вариант химического серебрения.

Своё применение вакуум нашёл и в пищевой индустрии, где применяется вымораживание и вакуумная сушка с целью долгосрочного консервирования продуктов. Кроме того, используется упаковка скоропортящихся продуктов в вакууме, что позволяет увеличить их сроки хранения, а также вакуумное опреснение воды.

С понижением давления температура кипения воды также понижается, и вода кипит уже не при 100°С, а гораздо ниже. Например, автором этой статьи в своё время применялся покупной вакуумный самогонный аппарат, где, если не изменяет память, вода кипела при 60°С, что позволяло уменьшить затраты на её нагрев, а также заготавливать продукты с минимальным температурным воздействием, в частности, сгущённое молоко. Причём уровень вакуума, создаваемый этим аппаратом, был весьма мал, так как для создания вакуума использовался поток воды и так называемый струйный насос, в котором поток воды увлекает за собой воздух, отсасывая его из ёмкости. Имеется подозрение, что если разрежать воздух до более высоких величин, например, с использованием вакуумного электрического насоса, вода сможет кипеть и при комнатной температуре. Но тут, конечно, требуется эксперимент…

Кстати говоря, с осознанием этого факта становится довольно забавным наблюдение за различными имеющимися в продаже самогонными аппаратами, которые требуют нагрева с постоянным риском взрыва сосуда, в то время как по идее они могли бы кипеть при комнатной температуре вообще без нагрева :-)

Методы получения вакуума

▍ Механические методы

Среди механических методов создания вакуума выделяются различные насосы. Например, объёмные, которые производят откачку газов за счёт изменения объёма своей рабочей камеры: поршневой, жидкостно-кольцевой, ротационный.

Альтернативным типом выступают молекулярные насосы, которые работают за счёт принципа ускорения молекул с помощью придания им скорости с использованием твёрдой, жидкой или парообразной субстанции, движущейся с большой скоростью: диффузионные, эжекторные, водоструйные, с одинаковым и перпендикулярным движением откачивающей субстанции и газа.

Например, рассмотрим пароструйную откачку.

Картинка: «Вакуумная техника» — Л.Н.Розанов

Молекулы газа для откачки поступают через патрубок (1), после чего начинают взаимодействовать с паром, который движется с большими скоростями (вплоть до сверхзвуковой), что придаёт им скорость и они устремляются к насосу предварительного разрежения, подключённому к выходу (6). Далее в камере (3) происходит смешивание откачиваемого газа и пара, после чего смесь устремляется в запирающий канал (4), создающий сопротивление обратному току газа. В ходе своего дальнейшего движения смесь перемещается в камеру (5), содержащую охлаждаемые водой стенки, на которых происходит конденсация водяного пара и стекание сконденсированной воды через дренажную трубку (7), в то время как сжатый газ устремляется через выходной патрубок (6). Кстати говоря, описанный выше самогонный аппарат, с помощью которого автор этой статьи кипятил молоко и делал из него сгущёнку, действовал примерно по описанному выше принципу. Только в качестве пара использовался поток воды из крана.

▍ Физико-химические методы

В отличие от предыдущих механических методов, настоящие методы позволяют добиваться лучших показателей. Связано это с тем, что во время их работы не происходит загрязнения парами и частицами смазки и других герметизирующих жидкостей, что типично для механических насосов.

Например, ионные насосы осуществляют свою работу за счёт придания молекулам газа направленного движения под влиянием электрического поля.

Насосы, построенные на испарительном принципе, задействуют хемосорбцию — то есть поглощение газов поверхностью металлов, в качестве которых используют: Ti, Zr, Ta, Ba, Mo, W, Hf, Er.

В свою очередь, физическая адсорбция и конденсация производится с помощью криоадсорбционного и конденсационного типа насосов.

Ниже приведена сравнительная характеристика достигаемых разрежений с помощью насосов разных типов:

Картинка: «Вакуумная техника» — Л.Н.Розанов

Поиск течи

Получение вакуума — это только одна часть проблемы. Ещё необходимо этот вакуум сохранить, что может быть проблематично из-за течей, через которые в вакуумируемый объём поступает атмосферный воздух или иной окружающий газ. Для борьбы с этой проблемой используют ряд методов, перечисленных ниже.

Метод пробного газа: сначала в проверяемом объёме создаётся вакуум, после чего место, подозреваемое на наличие течи, начинает обдуваться пробным газом, который отличается от воздуха. Если в системе в этом месте есть течь, то газ начинает всасываться внутрь вакуумированного объёма, что обнаруживается изменением показаний вакуумметра или масс-cпектрометра, которые были настроены на этот пробный газ. Чтобы давление внутри вакуумированного объёма не повышалось, этот тестируемый объём должен находиться под непрерывной откачкой.

Метод высокочастотного разряда: электрод высокочастотного трансформатора подносится к предполагаемому месту протечки, которое обнаруживается по образованию направленного разряда (далее этот момент в литературе подробно не объясняется, я излагаю своё понимание — прим. автора статьи). Разряд появляется из-за того, что в месте, где происходит всасывание воздуха внутрь вакуумированного объёма, происходит понижение его давления, что вызывает улучшение условий возникновения электрического пробоя и в воздухе возникает разряд (видимо, подразумевается, что разряд возникает вне вакуумированного объёма, например, снаружи колбы — между колбой и электродом — прим. автора статьи).

Люминесцентный метод: проверяемую ёмкость на длительное время погружают в раствор люминофора. После извлечения ёмкости из люминофора, имеющиеся места течей легко детектируются ввиду того, что они выглядят как точки и полоски на очищенной поверхности в момент подсветки ртутно-кварцевыми лампами во время поиска, так как эти места остаются заполненными люминофором.

Радиоизотопный метод: испытуемые объекты выдерживаются некоторое время в атмосфере радиоактивного газа. После удаления газа и очистки поверхности излучение сохраняется только у негерметичных объектов.

Пузырьковый метод: испытуемый объём накачивается избыточным давлением и погружается в воду. Места течей обнаруживаются по наличию поднимающихся пузырьков.

Замер степени вакуума

▍ Ионизационные измерители

Большая часть приборов для измерения степени вакуума построена на принципе ионизации с помощью электронного удара и измерения силы тока образованных положительных ионов, которая представляет собой функцию от давления газа.

Ионизация с помощью электронного удара происходит, если электрон атома газа получает энергию, которая равна или превышает потенциальную энергию бесконечно удалённого электрона. Минимальная энергия, которая требуется, чтобы оторвать электрон от атома и удалить его на расстояние, где силы взаимодействия ядра и электрона исчезающе малы, определяется потенциалом ионизации этого газа.

Ниже приведён график эффективности ионизации:

Картинка: «Вакуумметрическая аппаратура» — В.В.Кузьмин и др.

Измерительные приборы, которые в своей основе имеют принцип ионизации, разделяются по способу осуществления ионизации:

  • вакуумметры, где ионизация осуществляется потоком электронов, испускаемых раскалённым или холодным катодом;
  • магнитные электроразрядные, где ионизация осуществляется в газовом разряде;
  • радиоизотопные, где ионизация осуществляется с применением альфа-, бета-частиц.

Вакуумметры, имеющие в своей основе ионизацию газа, состоят из первичного измерительного преобразователя, который подсоединяется для замера давлений к вакуумированному объёму, измерительного блока и кабеля, соединяющего измерительный блок и преобразователь.

Измерительный преобразователь представлен электронной лампой, у которой есть как минимум три электрода:

  • катод, который испускает электроны;
  • анод, который ускоряет электроны, предавая энергию, намного превышающую энергию ионизации газа;
  • коллектор, который собирает получившееся в результате ионизации ионы.

Ниже приведена картинка, которая показывает способы возможного включения преобразователя давления, из которых видно, что его сетка может выступать как в качестве коллектора, так и анода:

Картинка: «Вакуумметрическая аппаратура» — В.В.Кузьмин и др.

Основное преимущество, которым обладают ионизационные вакуумметры, заключается в том, что их выходной сигнал зависит от давления, то есть наблюдается линейность характеристики, поэтому выходная шкала в таком вакуумметре сразу градуируется в единицах давления, хотя может быть градуирована и в единицах силы тока.

Большинство вакуумметров имеет чувствительность, которая находится в пределах 9,03-0,3 1/Па, в то время как у отдельных типов, где могут использоваться электрические и магнитные поля, она может доходить до

$10^{7}$ 1/Па.

▍ Магнитные электроразрядные измерители

Вакуумметры такого типа построены на принципе использования зависимости тока самостоятельного разряда между катодом и анодом электроразрядного преобразователя — от давления.

Самый простой такой преобразователь представляет собой систему из двух электродов: катода и анода, которые подключаются с использованием балластного сопротивления к источнику постоянного высокого напряжения.

Для такой системы существует определённый диапазон давлений, в котором, в зависимости от геометрии системы, напряжённости поля, материала самих электродов и типа газа при появлении свободной заряженной частицы возникает лавинообразно нарастающий самоподдерживающийся разряд, сила тока которого зависит от давления газа в системе.

В промышленном применении для увеличения чувствительности с помощью удлинения траектории электронов в разрядном промежутке используют магнитные поля.

Для промышленных целей были разработаны три типа магнитных электроразрядных преобразователей давления, которые показаны на картинке ниже:

Картинка: «Вакуумметрическая аппаратура» — В.В.Кузьмин и др.

Преобразователь Пеннинга (а) содержит анод, который может быть выполнен в виде проволочного кольца/прямоугольной рамки/цилиндра.

Внешний цилиндр содержит торцы, закрытые дисками, соединённые с катодом. Это сделано для того, чтобы предотвратить уход электронов и ионов из зоны разряда.

Магнетронный (б) и инверсно-магнетронный (в) представлены коаксиальными цилиндрами, где внешний цилиндр содержит диски, закрывающие его торцы, также для предотвращения ухода электронов и ионов из зоны разряда.

Магнитные электроразрядные вакуумметры отличаются тем, что у них практически отсутствуют фоновые токи, что позволяет производить ими замер давлений в большом диапазоне:
от

$10^{-11}$ до

$10^{2}$.

Если сравнивать их с ионизационными вакуумметрами, то они имеют гораздо большую чувствительность, что даёт возможность уменьшить требования к усилителям и сопротивлению изоляции. Благодаря тому, что у них отсутствует раскалённый катод в преобразователе, не происходит пиролиз газа, и это позволяет применять их даже в криогенных системах.

Кроме того, они отличаются большей долговечностью, а также не требуют стабилизации электронного тока, что упрощает схему.

Однако у них есть и свои недостатки, среди которых можно назвать: нелинейность их характеристик, нестабильную работу при низких давлениях (не зажигается разряд), большую зависимость стабильности разряда от поверхности электродов, что приводит к существенным колебаниям разрядного тока, которые намного больше, если сравнивать с ионизационными вакуумметрами, что в конечном итоге даёт большую погрешность измерений.

Подытоживая, хочется сказать, что вакуум разных степеней прочно вошёл в нашу жизнь и используется во множестве отраслей, иной раз, весьма неожиданных для несведущего человека. Тем не менее, наличие в продаже доступных вакуумных электрических насосов позволяет каждому проводить свои эксперименты в этой области, например, по самостоятельному вакуумному напылению покрытий.

Список использованной литературы

  1. «Техника высокого вакуума» — Я.Грошковский.
  2. «Электровакуумные приборы и основы их конструирования» — А.Г.Гуртовник.
  3. «Вакуумная техника» — Л.Н.Розанов.
  4. «Вакуумметрическая аппаратура» — В.В.Кузьмин и др.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️

Источник

Методы измерения вакуума — вакуумметры

Как уже было сказано выше, единицей давления является паскаль. Следует заметить, что само понятие «давление газа» для вакуумной техники утратило свой физический смысл, так как почти нет таких технологических процессов в вакууме, которые определялись бы давлением газа, как усилие на единицу поверхности. Так уже при давлении в сосуде 10-1Па сила, с которой молекулы воздействуют на 1 см2 стенки сосуда, пренебрежимо мала.

Наиболее важной характеристикой газовой среды в вакуумной технике является плотность или молекулярная концентрация газа. Эта величина определяет теплоперенос, сорбционно-десорбционные процессы, воздействие газа на элементы электронных приборов и другие явления. Однако традиционно состояние газа оценивается давлением. Между давлением газаp и молекулярной концентрацией п существует связь: p-V = n ■ k—T

Приборы для измерения давления газа ниже атмосферного называются вакуумметрами. В условиях высокого вакуума показания практически всех приборов, применяемых для измерения давлений ниже 10-3 Па, пропорциональны не давлению, а концентрации молекул газа.

По принципу действия вакуумметры можно свести в следующие классы:

  • 1) жидкостные вакуумметры, действие которых основано на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости (ртути или вакуумного масла). Диапазон измеряемых давлений 10 5-10 Па;

  • 2) компрессионные вакуумметры, действие которых основано на законе изотермического сжатия газа и измерении его давления по высоте столба жидкости, уравновешивающего это давление. Диапазон измеряемых давлений — 10 3-10-2 Па;

  • 3) деформационные вакуумметры, в которых измеряемое давление определяется по деформации упругого чувствительного элемента. Диапазон измеряемых давлений — 10 5-10-2 Па;

  • 4) тепловые вакуумметры, использующие зависимость теплопроводности разреженного газа от давления. Диапазон измеряемых давлений — 10 2-10-1 Па;

  • 5) ионизационные вакуумметры, в которых используются ионизация молекул газа. Диапазон измеряемых давлений — 10 -10-10 Па.

По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные.

Абсолютные вакуумметры измеряют непосредственно давление газа, т.е. силу, действующую на единицу поверхности измерительного элемента. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа. К вакуумметрам прямого действия относятся жидкостные, компрессионные и деформационные. Эти приборы перекрывают диапазон от 105 до 10 ’2 Па.

Относительные вакуумметры измеряют не само давление, а используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке. Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе.

К     вакуумметрам     косвенного     действия     относят

ся тепловые и ионизационные, которые перекрывают диапазон измеряемых давлений от атмосферного до 10 ’10 Па. Большинство вакуумметров состоит из двух элементов: манометрического преобразователя сигнала давления в электрический сигнал и измерительного блока.

В производственных условиях преимущественно используются вакуумметры косвенного действия, которые практически безынерционны, охватывают широкий диапазон давлений и просты в эксплуатации.

  • Тепловые вакуумметры

Принцип действия термопарных вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от молекулярной концентрации (или давления). Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока.

Из курса молекулярной физики известно, что в плотном газе (высокое давление) теплопроводность не зависит от давления.

При понижении давления уменьшается теплопроводность газа, соответственно, возрастает температура подогревателя и увеличивается термо-э.д.с. При низких давлениях, когда средняя длина свободно пробега молекул больше среднего расстояния между нагретым телом и стенками вакуумметра ( А^ d), теплопроводность газа пропорциональна молекулярной концентрации (давлению).

Преобразователь (рис. 23) представляет собой стеклянный или металлический корпус, в котором на двух вводах смонтирован подогрева

тель, на двух других вводах крепится термопара, изготовленная из хро-мель-копеля или хромель-алюмеля. Термопара соединена с подогревателем, который нагревается током, его можно регулировать реостатом и измерять миллиамперметром. Спай термопары, нагреваемый подогревателем, является источником термо-э.д.с., значение которой показывает милливольтметр.

Точность измерения давления термопарным вакуумметром существенно зависит от правильного подбора тока накала подогревателя. Калибровка термопарной лампы (установка тока подогревателя), подбирается таким образом, чтобы стрелка милливольтметра точно совпадала с последним делением шкалы. При этих условиях согласно градуировочной кривой термопарного манометрического преобразователя можно по показаниям милливольтметра определить давление в вакуумной системе.

Измерительное уравнение теплового преобразователя можно записать так:

Из уравнения (1.19) видно, что давление является функцией двух переменных: тока накала нити 1н и температуры нити ТН.

Преимуществом тепловых преобразователей является то, что они измеряют общее давление всех газов и паров, присутствующих в ваку-

умной системе, и обеспечивают непрерывность измерения давления. Диапазон рабочих давлений 5-103-10 -1 Па.

Существенным недостатком тепловых вакуумметров является изменение тока накала нити с течением времени, что требует периодической проверки тока накала. Недостатком также можно считать и их относительную инерционность, т.е. задержку отсчета во времени при быстром изменении давления. Существенное влияние на погрешность измерения тепловыми вакуумметрами оказывает колебание температуры окружающей среды.

  • Электронные ионизационные вакуумметры.

Принцип действия электронных преобразователей основан на ионизации газа электронами и измерении ионного тока, по величине которого судят о давлении.

Ионизация молекул газа производится электронами, эмитируемыми термокатодом и ускоряемыми электрическим полем электрода, на который подается положительный потенциал относительно катода.

В стеклянном баллоне смонтирована трехэлектродная система, состоящая из коллектора ионов, анодной сетки и прямонакального катода. На анодную сетку подается напряжение +200 В относительно катода, а на цилиндрический коллектор -50 В. Анодная сетка выполнена из вольфрамовой проволоки в виде спирали. При прогреве преобразователя и его обезгаживании по спирали пропускается ток 3А. Вольфрамовый катод преобразователя испускает электроны, которые ускоряются электронным полем и движутся к анодной сетке.

носительно катода, электроны останавливаются и начинают движение обратно к анодной сетке. В результате у сетки колеблются электроны, причем, прежде чем попасть на нее, электроны совершают в среднем 5 колебаний. При столкновении электронов с молекулами газа происходит ионизация молекул. Образовавшиеся положительные ионы, попадая на коллектор, создают в его цепи электрический ток. Как показывает опыт, при достаточно низких давлениях (ниже 10-3 мм.рт.ст.) ионный ток коллектора прямо пропорционален давлению газа, т.е. p ~ 1коллектора. Таким образом, для измерения давления достаточно при заданном электронном токе измерить ионный ток и разделить на постоянную преобразователя.

Ионный ток можно охарактеризовать: I{ = K ■ Ie ■ p, где К — чувствительность манометрического преобразователя.

Отсюда

Чувствительность ионизационных вакуумметров зависит от свойств газа, его температуры, электрического режима и геометрии, то есть

Часть электронов пролетает в пространство между анодной сеткой и коллектором. Так как коллектор имеет отрицательный потенциал отУдельная ионизация зависит от рода газа. Поэтому вакуумметр должен градуироваться отдельно для каждого газа.

Основные недостатки термоэлектронных ионизационных вакуумметров связаны с применением в манометрических преобразователях горячего катода, являющего источником электронов. Горячий катод разрушается при резком повышении давления и имеет низкий срок службы при относительно высоких давлениях. Кроме того, наличие горячего катода ограничивает нижний предел измеряемых давлений. Например, ионизационный преобразователь ПМИ-2 измеряет в диапазоне давлений от 1 Па до 5-10-6 Па.

  • Магнитные электроразрядные вакуумметры

Одним из путей, позволяющим сдвинуть границу измерения в сторону более низких давлений, может быть увеличение чувствительности манометра. Для этого необходимо, чтобы электроны проходили в пространстве ионизации по возможности большие расстояния до момента их попадания на коллектор электронов. Тогда вероятность ионизации молекул газа этими электронами значительно возрастает, что приведет к увеличению чувствительности манометра. Наиболее простым способом увеличения длины пути электронов в пространстве ионизации является использование магнитного поля, воздействующего на электроны.

Рассмотрим расположение электродов, предложенное Пеннингом. Принцип действия магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления. Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов.

Манометр имеет катод, которым является корпус 1, и анод в виде металлического кольца 2. Вдоль оси анода создается постоянным магнитом 3 магнитное поле с индукцией 0,05-0,2 Тл. Через балластный резистор на анод подается высокое положительное напряжение порядка 2,5-3 кВ.

Разряд поддерживается между анодом и катодами, соединенными электрически и расположенными по обе стороны от анода. Равномерное магнитное поле, параллельное оси системы, препятствует немедленному уходу на анод электронов. Из-за большой длины пути электрона сильно повышается вероятность ионизации даже при низких давлениях газа. Образующиеся в результате ионизации молекул электроны движутся, как и первичные электроны, тоже по спиральным траекториям и в конце концов после совершения актов ионизации попадают на анод. Вторичные электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, также участвуют в поддержании разряда. Таким образом, благодаря магнитному полю и специальной конструкции электродов тлеющий разряд поддерживается даже тогда, когда средняя длина свободного пути электронов в газе во много раз превышает расстояние между анодом и катодом, что позволяет измерять низкие и сверхнизкие давления газа.

Данный вид вакуумметров позволяет измерять давления до 10-10 Па.

Недостатки: данные вакуумметры имеют меньшую точность измерения давления, нуждаются в периодической чистке.

Достоинства — простота конструкции и отсутствие горячего катода. Из-за этого вакуумметры могут быть включены при любом давлении.

Источник

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как найти модуль проекции силы по графику
  • Как найти где муж находится по телефону
  • Как составить план реферата пример
  • Как найти диснеевские мультики
  • Как найти частотный диапазон формула