真空[物理學定義]

真空[物理學定義]

真空的含義是指在給定的空間內低於一個大氣壓力的氣體狀態,是一種物理現象。在“虛空”中,聲音因為沒有介質而無法傳遞,但電磁波的傳遞卻不受真空的影響。事實上,在真空技術里,真空系針對大氣而言,一特定空間內部之部份物質被排出,使其壓力小於一個標準大氣壓,則我們通稱此空間為真空或真空狀態。真空常用帕斯卡(Pascal)或托爾(Torr)做為壓力的單位。在自然環境裡,只有外太空堪稱最接近真空的空間。 1641年義大利數學家托里拆利在一根長管子內加滿水銀,然後很緩慢的將管口倒轉在一個盛滿水銀的盆內,管子內水銀柱的末端是 76 厘米高。這時玻璃管最上方無水銀地帶是真空狀態。這一實驗為“托里拆利實驗”,完成實驗的玻璃管為“托里拆利管”。 愛因斯坦在用場論觀點研究引力現象時,已經認識到空無一物的真空觀念是有問題的,他曾提出真空是引力場的某種特殊狀態的想法。首先給予真空嶄新物理內容的是P.A.M.狄拉克。狄拉克於1930年為了擺脫狄拉克方程負能解的困境,提出真空是充滿了負能態的電子海。

歷史典故

1654年馬德堡市長奧托·馮·格里克在雷根斯堡向皇帝展示了他所設計的半球實驗。他製造了兩個直徑51厘米的紅色銅製半球,半球中間有一層浸滿了油的皮革,用以讓兩個半球能完全密合。接著他用他自製的真空泵將球內的空氣抽掉,此時兩個沉重的銅製半球在沒有任何接著劑的輔助下緊密地合而為一,讓人十分驚訝。但格里克實驗的高潮才正要開始,他為了證明兩半球的結合是多么緊密、紮實。市長拉來了16匹馬,分成兩隊使勁拉,在一聲巨響中,兩個半球被拉開了。這就是物理學史上著名的“馬德堡半球實驗(Magdeburg hemispheres test)”

真空分類

真空 真空

現代許多高精密度的產品在製造過程中的某些階段必需 使用程度不一的真空才能製造,如半導體、硬碟、鏡片。在實驗室和工廠中製造真空的方法是利用泵在密閉的空間中抽出空氣以達到某種程度的真空。在真空技術中按照壓力的高低我們可以區分為:

粗略真空(Rough Vacuum) 760 ~ 10 Torr

中度真空(Medium Vacuum) 10 ~ Torr

高真空 (High Vacuum)~ Torr

超高真空(Ultra-High Vacuum) Torr以下

物理學定義

基本概念

真空[物理學定義] 真空[物理學定義]

按其詞源原本是指虛空,即一無所有的空間。工業和真空科學上的真空指的是,當容器中的壓力低於大氣壓力時,把低於大氣壓力的部分叫做真空,而容器內的壓力叫絕對壓力;另一種說法是,凡壓力比大氣壓力低的容器里的空間都稱做真空。工業真空有程度上的區別:當容器內沒有壓力即絕對壓力等於零時,叫做完全真空;其餘叫做不完全真空。而狹義相對論等狄拉克之前的物理理論中的真空則特指不存在任何物質的空間狀態,對應於工業里的完全真空。按現代物理量子場論的觀點,真空不空,其中包含著極為豐富的物理內容。狹義相對論等理論中的真空只是普朗克常數趨於0時的近似情形。

真空科學

遠在1643年,義大利物理學家托里拆利發現,真空和自然空間有大氣和大氣壓力存在。他將一根一端封閉的長玻璃管灌滿汞,並倒立於汞槽中時,發現管中汞面下降,直至與管外的汞面相差76厘米時為止。托里拆利認為,玻璃管汞面上的空間是真空,76厘米高的汞柱是因為存在大氣壓力的緣故。

1650年,德國的蓋利克製成活塞真空泵。

1654年,他在馬德堡進行了著名的馬德堡半球試驗:用真空泵將兩個合在一起的、直徑為14英寸(35.5厘米)的銅半球抽成真空,然後用兩組各八匹馬以相反方向拉拽銅球,始終未能將兩半球分開。這個著名的試驗又一次證明,空間有大氣存在,且大氣有巨大的壓力。為了紀念托里拆利在科學上的重大發現和貢獻,以往習用的真空壓力單位就是用他的名字命名的。

19世紀中後期,英國工業革命的成功,促進了生產力和科學實驗發展,同時也推動了真空技術的發展。

1850年和1865年,先後發明了汞柱真空泵和汞滴真空泵,從而研製成了白熾燈泡(1879)、陰極射線管(1879)、杜瓦瓶(1893)和壓縮式真空計(1874)。壓縮式真空計的套用首次使低壓力的測量成為可能。

20世紀初,真空電子管出現,促使真空技術向高真空發展。

1935~1937年發明了氣鎮真空泵、油擴散泵和冷陰極電離計。這些成果和1906年製成的皮拉尼真空計至今仍為大多數真空系統所常用。

1940年以後,真空套用擴大到核研究(回旋加速器和同位素分離等)、真空冶金、真空鍍膜和冷凍乾燥等方面,真空技術開始成為一個獨立的學科。第二次世界大戰期間,原子物理試驗的需要和通信對高質量電真空器件的需要,又進一步促進了真空技術的發展。

基本原理

真空是物理學裡面的一個概念,最開始反映的是空無一物的狀態,類似於“無”。20世紀P.A.M.狄拉克提出了所謂量子真空的概念,即真空並不是空無一物而是時刻有虛粒子與實物粒子轉化的,但整體是對外不顯物理屬性的巨觀總體。真空是能量海,是一個不斷振盪的充滿著巨大能量的客觀存在;而空間只是數學上的一個概念,是反映的是運動的屬性和幾何大小的概念。也就是說,空間和真空一個是數學概念一個是物理概念,二者沒有絲毫的包含關係。真空的屬性的確需要使用空間來描述,但那只是種數學表示,是為了方便研究才引入的參量,並不是說真空的性質取決於空間。

認識過程

真空斷路器 真空斷路器

人類關於真空的認識經歷了幾次根本的變革和反覆。古希臘德謨克利特的原子論認為所有的物質都是由原子組成,原子之外就是虛空。17世紀R.笛卡兒提出以太漩渦說,認為空間充滿了以太,並用以說明行星的運動。不久I.牛頓建立以運動三定律和萬有引力定律為基石的牛頓力學,成功地解決了行星繞日運動問題,引力被認為是超距作用的,無需以太陽作為傳遞媒介,從而否定了以太論。19世紀發現光的波動性,認為波的傳播必須依靠介質,特別是後來發現了電磁場的波動性,以太論再度興起,認為宇宙中不論何時何地,任何物體內無不充滿了以太,光和電磁波被解釋為以太的機械振動。後來雖然在觀念上有所變化,把光和電磁波看成電磁場的振動,但以太仍然保留著某種絕對的性質,它可以看成是描述萬物運動的絕對靜止的參考系。19世紀末20世紀初各種試圖探測地球相對於以太運動速度的實驗均告失敗,A.愛因斯坦建立狹義相對論,再次否定了這種作為絕對靜止以太的存在。稍後,愛因斯坦在用場論觀點研究引力現象時,已經認識到空無一物的真空觀念是有問題的,他曾提出 真空是 引力場 的某種特殊狀態的想法。首先給予真空嶄新物理內容的是P.A.M.狄拉克。狄拉克於1930年為了擺脫狄拉克方程負能解的困境,提出真空是充滿了負能態的電子海。當負能態的電子吸收了足夠的能量躍遷到正能態成為普通電子時,電子海中才能留下可觀測的空穴,即正電子。從體系的能量角度考查,這種情況比只有電子海的真空狀態要高,因此真空就是能量最低的狀態。從現代量子場論的觀點看,每一種粒子對應於一種量子場,粒子就是對應的場量子化的場量子。當空間存在某種粒子時,表明那種量子場處於激發態;反之不存在粒子時,就意味著場處於基態。因此,真空是沒有任何場量子被激發的狀態,或者說真空是量子場系統的基態。

關於真空的近代認識不再是哲學上的思辨,而是可通過實驗來檢驗的。有不少現象都需要用真空的近代觀念予以說明。例如氫原子能級的蘭姆移位和電子的反常磁矩,實驗上已經以非常高的精度證實了真空極化的效應;高能正負電子對撞湮沒為高能光子,反之高能光子可使真空激發出大量的粒子,也是很好的明證。對於真空的認識尚屬初級探索階段,物理學家還在探索真空自發破缺和真空相變等問題,必將推動物理學的進一步發展。

含義特點

在真空科學中, 真空的含義 指在給定的空間內低於一個 大氣壓力的氣體狀態。人們通常把這種稀薄的氣體狀態稱為真空狀況。這種特定的真空狀態與人類賴以生存的大氣在狀態相比較,主要有如下幾個基本特點:( 1 )真空狀態下的氣體壓力低於一個大氣壓,因此,處於地球表面上的各種真空容器中,必將受到大氣壓力的作用,其壓強差的大小由容器內外的壓差值而定。由於作用在地球表面上的一個大氣壓約為 101325N/m^2,因此當容器內壓力很小時,則容器所承受的大氣壓力可達到一個大氣壓。

( 2 ) 真空狀態下由於 氣體稀薄,單位體積內的氣體分子數,即氣體的分子密度小於大氣壓力的氣體分子密度。因此,分子之間、分子與其他質點(如電子、離子等)之間以及分子與各種表面(如器壁)之間相互碰撞次數相對減少,使氣體的分子自由程增大。

技術概括

vacuum technique使氣體壓強低於地面大氣壓強的技術。

真空是指壓強遠小於101.325千帕(kPa)(即1大氣壓)的稀薄氣體空間。在真空技術中除國際單位制的壓強單位Pa外,常以托(Torr)作為真空度的單位。1托等於1毫米高的汞柱所產生的壓強,即1Torr=133.3224Pa。

按氣體壓強大小的不同,通常把真空範圍劃分為:低真空1×105 ~1×102Pa,中真空1×102~1×10-1Pa,高真空1×10-1~1×10-5Pa,超高真空1×10-5~1×10-9 Pa,極高真空1×10-9Pa以下。

真空技術包括真空的獲得、測量和套用。

活塞泵、鏇片泵等通過活塞或鏇片的不斷運動,改變泵體的體積,把氣體排放出去,獲得真空。擴散泵用高速運動的氣流,把擴散到泵體的氣體分子帶走。此外還有利用低溫表面來冷凝或凍結氣體的低溫泵,如液氦冷凝泵;利用吸氣材料如活性炭等吸氣作用的吸附泵,等等。

測量真空度即測量稀薄氣體壓強的量具叫做真空規或真空計。可分為絕對真空計和相對真空計兩類。前者通過本身測出的物理量直接求出氣壓的大小,如U形管、薄膜計、麥克勞真空計(利用玻意耳定律),熱偶真空計等;後者必須經過絕對真空計的校正才能測定氣壓,如電離真空計、皮拉尼真空計、阻尼真空計等。

利用真空與地面大氣的壓強差,可以輸運流體、吸塵等。利用真空中氣體分子密度小的特徵,可以製造各種電真空器件如電光源、電子管等。真空環境有利於某些金屬的焊接、熔煉,某些低熔點金屬如Mg、Li、Zn等的分餾、純化,以及某些活性金屬如Ca、Li、Cs等的氧化物還原,真空環境(1~10-1Pa)下的低溫脫水,真空乾燥已成功地用於濃縮食品、奶粉,製造血漿等。同位素分離,大規模積體電路的加工,鍍膜等也都需要在真空環境下進行。在科學研究中,例如表面物理實驗,各種加速器、聚變反應和空間環境模擬等都離不開真空。

物理性質

本指沒有任何實物粒子存在的空間,但什麼都沒有的空間是不存在的。而假設你把一個空間的氣體都趕跑,會發現 還是不時有 基本粒子 在真空中出現又消失,無中生有。物理上的真空實際上是一片 不停波動的 能量之海 。當能量達到 波峰 能量 轉化為一對對 正反基本粒子 ,當能量達到波谷,一對對正反基本粒子又相互湮滅,轉化為能量。

真空具有如下性質:

1.空非無。如果真空中沒有粒子,我們就會準確的測出場(0)與場的變化曲率(0),然而海森堡不確定性原理表明,我們不可能同時精確地測出一對共軛量,所以,可以“空”,不能“無”。因此,在真空中,粒子不停地以虛粒子、虛反粒子對的形式憑空產生,而又互相湮滅,在這個過程中,總的能量保持不變。

2.真空存在極性。因此說真空是不對稱的。但這種不對稱是相對局部的,在相對整體上又是對稱的,如此的循環嵌套構成了真空的這個性質。

3.真空的每個局部具備了真空的全體性質。大和小是相對而言的。時間也是相對於空間而言的,時間不能脫離了具體的空間而單獨的存在。

實踐套用

生活套用

膨化食物的真空包裝,可以防止食物變質,延長食物保存時間;

真空燈泡,防止燈絲被氧化,延長使用壽命。

工業生產

工業上的真空指的是氣壓比一標準大氣壓小的氣體空間,是指稀薄的氣體狀態,又可分為高真空、中真空和低真空,地球以及星球中間的廣大太空就是真空。一般是用特製的抽氣機得到真空的。它的氣體稀薄程度用真空計測定,我們已能用分子抽氣機和擴散抽氣機得到0.00000 00001大氣壓的高真空。真空在科學技術,電真空儀器,電子管和其他電子儀器方面,都有很大用途。

  真空區域托(Torr) 壓強範圍)帕(Pa)
低真空 760~10 101325~1333
中真空 10~10-3 1333~1.33×10-1
高真空 10-3~10-8 1.33×10-1~10-6
超高真空 10-8~10-12 10-6~10-10
極高真空 <10-12 <10-10

正負電子對撞機

正負電子對撞機的作用絕不僅僅是一對正負電子相撞產生光子和能量那么簡單,一對光子也可以相撞產生一對正負質子之類,而相撞使相撞所處的那部分真空可以激發到高能態,可以產生更多各式各樣的基本粒子,為研究宇宙的起源和組成服務。

科研套用

太空飛行器軌道飛行提供的真空和微重力環境,是一個寶庫,為人們提供了地面上難以獲得的科學實驗和生產工藝條件,進行地面上難以進行的科學實驗,生產地面上難以生產的材料、工業產品和藥物。

在高真空和微重力環境中進行生命和生物科學實驗,不會有有機物污染,發生混入或測定錯誤,細菌等實驗用的微生物不會到處擴散,十分安全。 在零重力或微重力條件下,可進行無容器冶煉,這不會有任何雜質混入,可以獲得高品質的合金;可將不同比重的金屬或非金屬均勻地混合,獲得新型合金材料;可以克服地面加工存在的組分過冷起伏和密度大等缺陷,生長出高質量、大直徑的單晶體砷化鎵等半導體材料;可以生產百分之百圓度的滾珠軸承等圓球工業產品,而在地面上,由於重力的影響,滾珠軸承等總不是真正的球形。

太空製藥是真空和微重力環境利用的重要方面。在地面上製藥,由於地球重力作用,培養物會發生沉澱,處在沉澱中的微生物會因缺氧而死亡;如輸氧攪拌,所形成的低壓小氣泡又會破壞細胞;如加防泡劑,則會降低氧的溶解度,有礙微生物的繁殖,形成惡性循環。而在微重力環境中,培養物液體中含有大量的氣泡,也不會沉澱,微生物可隨時獲得氧氣,生長速度比地面快一倍以上。可高效率、高純度地製造許多藥物,如治療燒傷的表皮生長素、治療貧血的紅血球生長素、防治病毒感染的免疫血清、治療肺氣腫的胰蛋白酶抑制素、治療血栓的尿激酶、治療血友病的抗溶血因子8.治療糖尿病的β細胞、治療癌症的干擾素等40多種。主要的製藥方法是電泳法,將組分不同的混合物在直流電場作用下精確地分離成不同成份。其設備第一代為靜態電泳儀,第二代為連續流動電泳儀。


系統

真空系統結構材料是構成真空系統主體的材料,它將真空系統與大氣隔開,承受著大氣壓力。這類材料主要是各種金屬和非金屬材料,包括可拆卸連線處的密封墊圈材料。

冷阱,也總會或多或少地有一部分油蒸氣返流進入高真空端。它們在擴散泵口建立的壓力,有時比在泵壁溫度下的飽和油蒸氣壓還要高很多。這不但影響真空系統的極限壓力,而且還對被抽容器造成污染,因而返油率是擴散泵系統的主要考核指標。

真空包裝真空包裝將食品裝入包裝袋,抽出包裝袋內的空氣,達到預定真空度後,完成封口工序。 真空充氣包裝將食品裝入包裝袋,抽出包裝袋內的空氣達到預定真空度後,再充入氮氣或其它混合氣體,然後完成封口工序。

真空包裝的主要作用是除氧,以有利於防止食品變質,其原理也比較簡單,因食品霉腐變質主要由微生物的活動造成,而大多數微生物(如黴菌和酵母菌)的生存是需要氧氣的,而真空包裝就是運用這個原理,把包裝袋內和食品細胞內的氧氣抽掉,使微生物失去生存的環境。

測量

真空測量的感測器, 大部分都是用電離規, 並且在中程真空範圍用途最廣泛。常用的電離真空規測量儀, 都採用模擬電路控制發射電流, 並把它當成固定數來運算, 這樣會產生一些不足之處, 例如:由於外界干擾或元器件老化造成電流有偏差; 或控制環中的漂移產生不穩定, 由此而導致測量誤差較大。為消除此類不良現象, 我們套用現代控制理論—PID和Fuzzy控制, 採用數字電路控制發射電流, 控制環中都用16位的高解析度A/D和D/A,且把發射電流測量值參入運算, 允許發射電流有一定的變化範圍。這樣既提高了測量精度, 又在它們的線性區域內擴充量程。

基礎標準

GB 4982~4983-85 真空快卸法蘭

GB 4982-85 夾緊型真空快卸法蘭

GB 4983-85 擰緊型真空快卸法蘭

GB 6071.1~6071.3-85 超高真空法蘭

GB 6071.1-85 超高真空法蘭結構型式

GB 6071.2-85 超高真空法蘭尺寸

GB 6071.3-85 超高真空法蘭用銅密封墊

GB/T 3163-93 真空技術術語

GB/T 3164-93 真空技術系統用圖形符號

GB/T 6070-1995 真空法蘭

GB/T 16709-1996 真空技術管路配件 裝配尺寸

JB 1090~1092-91 真空動密封型式及尺寸

JB 1090-91 J型真空用橡膠密封圈型式及尺寸

JB 1091-91 JO型骨架型真空用橡膠密封圈型式及尺寸

JB 1092-91 O型真空用橡膠密封圈型式及尺寸

JB 5278.1~5278.3-91 銅絲密封可烘烤真空法蘭

JB 5278.1-91 銅絲密封可烘烤真空法蘭 連線型式

JB 5278.2-91 銅絲密封可烘烤真空法蘭 法蘭結構尺寸

JB 5278.3-91 銅絲密封可烘烤真空法蘭銅絲密封圈結構尺寸

JB/T 7673-95 真空設備型號編制方法

JB/T 8105.1~8105.2-1999 真空規管接頭

JB/T 8105.1-1999 橡膠密封真空規管接頭

JB/T 8105.2-1999 金屬密封真空規管接頭

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