Vakuum

Jedan od značajnih prikaza osobitosti vakuuma prikazao je 1654. Oto von Gerike sa Magdeburškim konjima, koji nisu mogli rastaviti metalnu vakuumsku kuglu.

Vakuum je prostor bez materije. Sama reč „vakuum“ je latinskog porekla, od latinskog vacuus (prazan). Pritisak u vakuumu je mnogo niži od atmosferskog pritiska, i u idealnom slučaju teži pritisku od nula paskala. Najviši (najdublji) vakuum se nalazi u kosmosu ($10^{-14}$ Pa).

Njegova industrijska primena započinje u XX veku, uvođenjem električne sijalice i vakuumske cevi.

Vakuum se može proizvesti tako što se iz nekog zatvorenog prostora pomoću tzv. vakuum-pumpe izvuče sav gas.

Osobine vakuuma i njegova primena:

Kroz vakuum se prostiru svetlost, čestice, čvrsta tela, električno i magnetsko polje, ali ne i zvuk — za prostiranje zvuka potrebna je materija. Toplota se kroz vakuum prostire zračenjem (elektromagnetni talasi iz infracrvenog dela spektra), ali ne i provođenjem. Provođenje toplote se odvija preko materijalnih nosilaca te je u prostoru niskog pritiska znatno slabije, otuda primena vakuuma u termosima.

U sijalici vlada delimični vakuum, sa tragovima argona umesto vazduha da bi se očuvalo volframsko vlakno.

Vakuum se koristi u brojnim procesima i uređajima. Prva uobičajena primena je bila u sijalicama sa vlaknom da se zaštiti volframovo vlakno od hemijske degradacije. Hemijska inertnost vakuuma se takođe koristi za zavarivanje elektronskim mlazom, za nabacivanje tankih slojeva isparavanjem, za suvo nagrizanje u proizvodnji poluprovodnika, za nabacivanje optičkih slojeva, vakuumsko pakovanje itd. Smanjenje konvekcije (mešanja) poboljšava toplotnu izolaciju termos-boca. Visoki vakuum potpomaže degaziranje što se koristi za sušenje zamrzavanjem i vakuumsku destilaciju. Osobina vakuuma da propušta elektrone bez rasejavanja dovela je do primene u elektronskom mikroskopu, vakuumskim cevima (prvi radio) i katodnim cevima (prvi televizori). Uklanjanje trenja u vazduhu stvaranjem vakuuma koristi se u konstrukciji ultracentrifuga i deponovanje energije u zamajcima.

Svemirski prostor

Svemirski vakuum je zapravo vrlo slaba plazma koju čine naeletrisane čestice, elektromagnetna polja, a ponekad i zvezda.

Najveći deo svemira ima gustinu i pritisak skoro savršenog vakuuma. U svemirskom prostoru praktično nema trenja zbog čega se zvezde, planete i ostala nebeska tela kreću slobodno po idealnim gravitacionim putanjama. Međutim, savršenog vakuuma nema, čak ni u međuzvezdanom prostoru gde se nađe nekoliko vodonikovih atoma po kubnom santimetru praveći pritisak od 10 fPa (10⁻¹⁶ Torr). Visoki vakuum svemira mogao bi da predstavlja pogodnu sredinu za izvesne procese, na primer one koji zahtevaju savršeno čiste površine, ali za uobičajene primene mnogo je lakše stvoriti ekvivalentni vakuum na Zemlji nego savladati Zemljinu gravitaciju.

Zvezde, planete i njihovi sateliti održavaju svoju atmosferu gravitacionim privlačenjem pa atmosfere nemaju jasnu granicu. Gustina atmosferskog gasa jednostavno opada sa rastojanjem od objekta po barometarskoj formuli. U niskoj zemljinoj orbiti (visine oko 300 km) pritisak atmosfere je oko 100 nPa (10⁻⁹ Torr,) što je još uvek dovoljno da dođe do kočenja satelita usled trenja sa sredinom. Većina veštačkih satelita nalazi se u tom regionu i da bi se održali u orbiti svakih nekoliko dana moraju da aktiviraju svoje motore.

Van planetarnih atmosfera, pritisak fotona i drugih čestica sa Sunca postaje značajan. Svemirski brodovi mogu biti „gurani“ sunčevim vetrom, međutim, za to su planete previše masivne. Postoje ideje o međuplanetarnoj plovidbi, pomoću sunčevog jedra, sa pogonom na sunčev vetar.

Vidljivi svemir ispunjen je i ogromnim brojem fotona iz kosmičkog pozadinskog zračenja i sasvim moguće, isto tako velikim brojem neutrina. Temperatura prostora je oko 3 K, ili -270 C.

Dok je kosmički prostor uvek bio dovođen u vezu sa vakuumom, raniji fizičari su podržavali ideju o postojanju nevidljivog etra, prenosioca svetlosti, koji ispunjava međuzvezdani prostor. S druge strane Vilijam Kruks (engl. William Crookes) je 1891. godine zabeležio: „oslobađanje okludovanih gasova u vakuum kosmičkog prostora“. Čak i do 1912. godine, astronom Vilijam Henri Pikering (engl. William Henry Pickering) je komentarisao:

Dok međuzvezdani absorbujući medijum može biti jednostavno etar, osobine gasova i slobodnih gasnih molekula sigurno se tamo mogu uočiti

Oznake vakuuma u tehničkoj primjeni:

• Niski vakuum (engl. Low vacuum): 100 kPa - 3 kPa
• Srednji vakuum (engl. Medium vacuum): 3 kPa - 100 mPa
• Visoki vakuum (engl. High vacuum): 100 mPa - 1 µPa
• Vrlo visoki vakuum (engl. Ultra high vacuum): 100 nPa - 100 pPa
• Ekstremno visoki vakuum (engl. Extremely high vacuum): < 100 pPa

Osobine

Mnoge osobine zadržavaju vrednosti različite od nule kada sa vakuum primiče idealnom. Te idealne fizičke konstante nazivaju se konstantama slobodnog prostora. Nekoliko najosnovnijih su:

• Brzina svetlosti teži ka 299.792.458 m/s, ali je uvek niža
• Indeks prelamanja približava se vrednosti 1,0 ali je uvek veći
• Dielektrična konstanta ($\varepsilon _{0}$) teži ka 8,8541878176x10⁻¹² Farada po metru (F/m).
• Magnetna permeabilnost (μ₀) teži ka 4π×10⁻⁷ N/A².
• Karakteristična impedansa ($Z_{0}$) teži ka 376,73 Ω.

Reference

Vakuum na Wikimedijinoj ostavi