lecture-3 (1033144)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВАКУУММЕТРОВ

Аннотация

В настоящее время на рынке приборов для измерения вакуума существует множество разнообразных устройств, в основе работы которых лежат различные физические явления. Но природа такова, что одно физическое явление не может лежать в основе универсального прибора. В лекции раскрывается история развития инженерной мысли, направленной на использование различных природных явлений для измерения вакуума.

Заблуждения древности

Cпоры о возможности существования пустоты (или вакуума) велись со времен древнегреческой натурфилософии, начиная с VI века до. н.э.. Особое место в истории занимает философская концепция Аристотеля (384-322 гг. до н.э.), отрицавшая существование пустоты и гласившая, что «природа боится пустоты» (natura abhorret vacuum) [1]. Такие известные ученые как Герон, Стратон, Исидор Севильский, Гильом Коншский и др. посвятили свои труды «теории вакуума» [2].

Вследствие церковных запретов, принятых Парижским собором в 1211 году и утверждавших, что «пустота может быть создана только всемогуществом божьим», работы по изучению свойств вакуума не велись вплоть до середины XVII века [3]. В то время утверждение древнегреческого ученого Аристотеля о том, что вода поднимается за поршнем насоса из-за «боязни природы пустоты» считалось непререкаемым.

В начале XVII века при возведении фонтанов во Флоренции строители столкнулись с проблемой: с помощью поршневого насоса втягивающего действия невозможно было поднять воду на высоту более 18 локтей (~10 метров). С этой проблемой они обратились к Галилео Галилею (рис.1), который в своем последнем сочинении «Беседы и математические доказательства двух новых наук», вышедших в 1638 году, установил, что сила «боязни пустоты» ограничена и определяется зависимостью:

F = 1г/см³ · 58,4см · 18 = 1051г/см² = 1,051кг/см² (1)

где 1г/см³ – плотность воды, а 58,4 см – длина одного локтя. Сейчас мы знаем, что это есть не что иное, как величина атмосферного давления (~1,033 кг/ см²). Удивительно то, что именно Галилео Галилей стал первым человеком, указавшим человечеству на почти 23-х вековое заблуждение относительно существования «пустоты» или вакуума.

Рис. 1. Галилео Галилей (Galileo Galilei)

15 февраля 1564 г. – 8 января 1642 г.

Открытие атмосферного давления, первые вакуумметры

Первым из учеников Галилея, заметившим что, чем больше плотность жидкости, тем ниже она должна подниматься по трубке из-за боязни пустоты, был Эванджелиста Торричелли (рис. 2).

Рис. 2. Эванджелиста Торричелли (Evangelista Torricelli)

15 октября 1608 - 25 сентября 1647

Повторив опыты Галилея со ртутью (рис. 3), которая в 13,6 раз тяжелее воды, он определил, что «сила боязни пустоты» соответствует 760 мм.рт.ст.

Рис. 3. Схема проведения опыта Эванджелиста Торричелли со ртутью.

Осмысливая результаты эксперимента, Торричелли сделал два вывода: пространство над ртутью в трубке пусто (позже его назовут "торричеллиевой пустотой"), а ртуть не выливается из трубки обратно в сосуд потому, что атмосферный воздух давит на поверхность ртути в сосуде, то есть воздух имеет вес. Это факт казался настолько невероятным, что его не сразу приняло ученое общество того времени [4]. Сейчас мы знаем, что это пространство заполнено парами ртути, имеющих давление около мм.рт.ст (или Па) при температуре 293 К. Еще одно заблуждение в истории развития вакуумной техники заключается в том, что именно Торричелли до середины XIX века приписывалось открытие физической природы вакуума, поэтому единицу давления в 1 мм.рт.ст назвали тором в честь Торричелли.

Эванджелиста Торричелли, будучи талантливым инженером, сконструировал первый барометр, способный измерять атмосферное давление (рис. 4).

Рис. 4. Различные модели барометров.

Не умаляя заслуг Торричелли в развитии науки о вакууме, все же следует напомнить, что первым, кто догадался о том, что атмосфера имеет вес, и осуществившим опыт по измерению атмосферного давления на разных высотах над уровнем моря, был Блез Паскаль (рис. 5), который, вдохновленный открытием Торричелли, проделал множество подобных опытов с трубками различной формы и различными жидкостями, и установил, что атмосфера или воздух имеет вес. После своей встречи с Рене Декартом он просит своего зятя, Флорена Перье, поскольку сам Блез Паскаль был тяжело болен, провести барометрические измерения у подножия и на вершине горы Пью-де-Дом, возвышавшейся над Клермон-Ферраном на 1500 метров. Этот опыт, проведенный 16 сентября 1648 года, показал, что атмосфера имеет вес, потому что показания барометра на вершине отличались от показаний у подножия на 82,5 делений [5]. Паскаль был первым, кто доказал, что атмосферные газы создают давление. В честь этого открытия современная единица давления была названа Паскалем (1 Па = 0,0076 тор) уже в середине XIX века, что делает честь нашим современникам.

Рис. 5. Блез Паскаль (Blaise Paskal)

19.06.1623 – 19.08.1662

Развитие инженерной мысли

В связи с возрастанием интереса к получению и измерению вакуума многие ученые тратили много сил и времени на разработку средств получения разреженного воздуха. В создании механических насосов исторически отличились Отто фон Герике, В. Геде, Кинней [6].

Изобретение осветительной лампы Т. Эдисоном и А.Н. Лодыгиным [7], открытие фотоэлектронного эффекта А.Г. Столетовым и Г. Герцем [3] заложили необходимость развития вакуумной техники, поэтому в начале XIX века возникла потребность в получении более низкого давления, для разрешения которой одновременно в трех странах был сконструирован пароструйный насос [6]: в Германии В. Геде, в США И. Ленгмюром, в России С.А. Боровиком. Поскольку этот тип насосов позволил получать давление до 10^-5 Па, то появилась потребность измерения высокого вакуума. Первоначально для определения вакуума использовали открытый и закрытый U-образные вакуумметры (рис. 6) [8], первооткрывателем которых является известный итальянский художник и ученый Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах. К сожалению, его труд «О движении и измерении воды» был опубликован лишь в XIX веке, поэтому принято считать, что жидкостный вакуумметр был создан в 1643 г. итальянским ученым Торричелли. Возвращаясь к U-образным вакуумметрам, напомним, что их точность ограничена точностью измерения разницы уровней ртути, из-за чего невозможно добиться точности измерения большей, чем 0,1 мм.рт.ст. и измерить давление ниже чем 10 Па.

Рис. 6. Жидкостный U-обраэный вакуумметр с открытым (а) и закрытым (б) коленом.

Преодолеть этот барьер позволило изобретение Мак-Леода в 1874 году[9]. Замечательная идея этого вакуумметра (рис. 7) состоит в том, что используя принципы, заложенные в открытом и закрытом U-образном вакуумметрах, можно увеличить степень сжатия газа, согласно закону Бойля-Мариотта [10]:

PV=const (1)

Если мы представим по рис. 7 работу этого вакуумметра то заметим, что при поднятии сосуда со ртутью 5 малый объем газа, вошедший по трубке 4, отсекается и сжимается в расширении 3 с известным объемом V слева. Давление сжатого газа измеряется по разности высот столбиков ртути ∆h в измерительном 2 и сравнительном 1 капиллярах.

1. Сравнительный капилляр, 2- измерительный капилляр, 3- расширение с известным объемом V, 4- соединительная трубка, 5- сосуд со ртутью.

Рис. 7. Вакуумметр Мак-Леода.

Идея этого вакуумметра намного опережала уровень вакуумной техники того времени и, как знак уважения, этот вакуумметр был выбран в качестве символа международного вакуумного общества IUVSTA (International Union for Vacuum Science, Technique and Applications) (рис.8).

Рис. 8. Эмблема международного вакуумного общества.

Развитие средств получения вакуума привело к появлению физических средств измерения вакуума, что вызвало появление вязкостных и тепловых вакуумметров, способных измерять среднее остаточное давление, которые работают по схожим законам, с ними можно ознакомиться в литературе [11]. Поскольку наша статья посвящена истории средств измерения вакуума, то мы остановим свое внимание на общей зависимости вязкости и теплопроводности газа от остаточного давления. Известно, что при низком вакууме (10⁵ … 100 Па) вязкость и теплопроводность не зависят от остаточного давления, при среднем вакууме (100…10^-1 Па) наблюдается нелинейная зависимость, а при высоком (p < 10^-1 Па) – прямопропорциональная зависимость. Итак, можно подумать, что данный тип вакуумметров способен измерять давление ниже 100 Па, но, к сожалению, до настоящего времени не создано приборов, обладающих способностью отделить изменения вязкости и теплопроводности при высоком вакууме (p<10^-1 Па) от фоновых явлений (теплоотвода держателей, действия сторонних сил и др.). Вследствие этого, приборы, работающие на принципе, описанном выше, используются для измерения остаточного давления в среднем вакууме.

Первые реализации теплового вакуумметра были предложены Пирани в 1906 г. (рис. 9) [15]. В данном типе вакуумметров остаточное давление в камере измеряется пересчетом известных зависимостей теплопроводности газа от давления. Таким образом, измеряя разность температур Т₁ и Т₂, возникающую в результате выделения теплоты Q при протекании тока I_н через нить накала, оценивают остаточное давление.

Рис. 9. Конструкция теплового вакуумметра Пирани.

Развитие газовых законов послужило толчком для создания одинаковых по идее, но разных по технической реализации средств измерения вакуума.

В истории это отражено следующим образом: первый вакуумметр, работающий на принципе определения остаточного давления посредством измерения вязкости газа, предложил И. Ленгмюр в 1913 г. [12], а конструкцию и эксперименты описал С. Дешман в 1915 г. [13]. Принцип измерения вакуума данным прибором (рис. 10) гениально прост: ведущий диск Б приводится во вращение от электромагнитного статора А (в атмосфере) и магнитного ротора (N-S) (в вакууме), а ведомый диск В под действием момента вращения, создаваемого вязкостью газа в промежутке между дисками Б и В, закручивается на вертикальном подвесе, с измерительным зеркалом Г, на которое падает луч света от источника Д и по углу отражения φ судят об остаточном давлении в камере. Интересен тот факт, что независимо от И. Ленгмюра и почти одновременно с ним наш соотечественник Тимирязев (1913 г.) [14] сконструировал вязкостный вакуумметр для измерения остаточных давлений, но вместо плоских дисков, располагающихся параллельно друг другу, он использовал два цилиндра: один приводился во вращение и имел осевое отверстие, в которое помещался другой цилиндр, закручивающийся на вертикальном подвесе под действием вязкости газа, расположенного в зазоре между цилиндрами.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций