Πληροφορίες για συστήματα κενού και εξαρτήματα. Βεντούζες κενού - γενικές πληροφορίες

Πολύ συχνά μας πλησιάζουν άνθρωποι που θέλουν να αγοράσουν μια αντλία κενού, αλλά δεν έχουν ιδέα τι είναι η ηλεκτρική σκούπα.
Ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε τι είναι.

Εξ ορισμού, το κενό είναι ένας χώρος απαλλαγμένος από ύλη (από τη λατινική λέξη "vacuus" - κενό).
Υπάρχουν διάφοροι ορισμοί του κενού: τεχνικό κενό, φυσικό κενό, διαστημικό κενό κ.λπ.
Θα εξετάσουμε το τεχνικό κενό, το οποίο ορίζεται ως ένα εξαιρετικά σπάνιο αέριο.

Ας πάρουμε ένα παράδειγμα για το τι είναι το κενό και πώς μετριέται.
Στον πλανήτη μας, υπάρχει ατμοσφαιρική πίεση, λαμβανόμενη ως μονάδα (μία ατμόσφαιρα). Αλλάζει ανάλογα με τον καιρό, το υψόμετρο, αλλά δεν θα το λάβουμε υπόψη μας, καθώς αυτό δεν θα επηρεάσει με κανέναν τρόπο την κατανόηση της έννοιας του κενού.
Άρα, έχουμε πίεση στην επιφάνεια της γης ίση με 1 ατμόσφαιρα. Οτιδήποτε κάτω από 1 ατμόσφαιρα (σε κλειστό δοχείο) ονομάζεται τεχνικό κενό.

Πάρτε ένα σκεύος και κλείστε το με αεροστεγές καπάκι. Η πίεση στο δοχείο θα είναι 1 ατμόσφαιρα. Εάν αρχίσουμε να αντλούμε αέρα έξω από το δοχείο, τότε θα εμφανιστεί ένα κενό σε αυτό, το οποίο ονομάζεται κενό.
Εξετάστε ένα παράδειγμα: υπάρχουν 10 κύκλοι στο αριστερό δοχείο. Ας είναι 1 ατμόσφαιρα.
"Άντληση" μισού - παίρνουμε 0,5 atm, αφήνουμε ένα - παίρνουμε 0,1 atm.

Εφόσον υπάρχει μόνο μία ατμόσφαιρα στο σκάφος, τότε το μέγιστο δυνατό κενό μπορούμε να πάρουμε (θεωρητικά) μηδέν ατμόσφαιρες.
«Θεωρητικά» – γιατί. είναι σχεδόν αδύνατο να πιάσουμε όλα τα μόρια του αέρα από το δοχείο.
Επομένως, σε οποιοδήποτε δοχείο από το οποίο έχει αντληθεί αέρας (αέριο), παραμένει πάντα κάποια ελάχιστη ποσότητα αυτού. Αυτό ονομάζεται «υπολειπόμενη πίεση», δηλαδή η πίεση που παραμένει στο δοχείο μετά την άντληση αερίων από αυτό.
Υπάρχουν ειδικές αντλίες που μπορούν να φτάσουν σε βαθιά υποπίεση έως και 0,00001 Pa, αλλά και πάλι όχι στο μηδέν.
Στη συνηθισμένη ζωή, είναι σπάνιο να απαιτείται κενό βαθύτερο από 0,5 - 10 Pa (0,00005-0,0001 atm).

Υπάρχουν διάφορες επιλογές για τη μέτρηση του κενού, οι οποίες εξαρτώνται από την επιλογή του σημείου αναφοράς:
1. Η μονάδα είναι ατμοσφαιρική πίεση. Οτιδήποτε κάτω από ένα είναι κενό.
Δηλαδή, η κλίμακα του μετρητή κενού είναι από 1 έως 0 atm (1…0,9…0,8…0,7…..0.2…0.1….0).
2. Η ατμοσφαιρική πίεση λαμβάνεται ως μηδέν. Δηλαδή, ένα κενό - όλοι οι αρνητικοί αριθμοί μικρότεροι από 0 και έως -1.
Δηλαδή, η κλίμακα του μετρητή κενού είναι από 0 έως -1 (0, -0.1 ... -0.2 ...., -0.9, ... -1).
Επίσης, οι κλίμακες μπορεί να είναι σε kPa, mBar, αλλά όλα αυτά είναι παρόμοια με τις κλίμακες σε ατμόσφαιρες.

Η εικόνα δείχνει μετρητές κενού με διαφορετικές κλίμακες που δείχνουν το ίδιο κενό:

Από όλα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, μπορεί να φανεί ότι το μέγεθος του κενού δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερο από την ατμοσφαιρική πίεση.

Μας προσεγγίζουν σχεδόν καθημερινά άτομα που θέλουν να πάρουν κενό -2, -3 atm κ.λπ.
Και εκπλήσσονται πολύ όταν ανακαλύπτουν ότι αυτό είναι αδύνατο (παρεμπιπτόντως, κάθε δευτερόλεπτο λέει ότι "εσύ ο ίδιος δεν ξέρεις τίποτα", "αλλά είναι έτσι με έναν γείτονα", κλπ. κλπ.)

Στην πραγματικότητα, όλοι αυτοί οι άνθρωποι θέλουν να καλουπώσουν εξαρτήματα υπό κενό, αλλά έτσι ώστε η πίεση του εξαρτήματος να είναι μεγαλύτερη από 1 kg / cm2 (1 ατμόσφαιρα).
Αυτό μπορεί να επιτευχθεί καλύπτοντας το προϊόν με μια μεμβράνη, αντλώντας αέρα από κάτω του (σε αυτή την περίπτωση, ανάλογα με το κενό που δημιουργείται, η μέγιστη πίεση θα είναι 1 kg/cm2 (1 atm = 1 kg/cm2)) και στη συνέχεια τοποθετήστε τα όλα σε αυτόκλειστο στο οποίο θα δημιουργηθεί υπερβολική πίεση. Δηλαδή, για να δημιουργηθεί πίεση 2 kg / cm2, αρκεί να δημιουργηθεί υπερπίεση 1 atm στο αυτόκλειστο.

Τώρα λίγα λόγια για το πόσοι πελάτες μετρούν το κενό στην έκθεση Ampika Pumps LLC στο γραφείο μας:
ενεργοποιήστε την αντλία, βάλτε ένα δάχτυλο (παλάμη) στην οπή αναρρόφησης της αντλίας κενού και αμέσως βγάλτε συμπέρασμα για την τιμή κενού.

Συνήθως, σε όλους αρέσει πολύ να συγκρίνουν τη σοβιετική αντλία κενού 2NVR-5DM και το ανάλογό της VE-2100 που προσφέρουμε.
Μετά από έναν τέτοιο έλεγχο, λένε πάντα το ίδιο πράγμα - το κενό του 2NVR-5DM είναι υψηλότερο (αν και στην πραγματικότητα και οι δύο αντλίες παράγουν τις ίδιες παραμέτρους κενού).

Ποιος είναι ο λόγος για μια τέτοια αντίδραση; Και όπως πάντα - ελλείψει γνώσης των νόμων της φυσικής και της πίεσης γενικά.

Λίγο εκπαιδευτικό πρόγραμμα: η πίεση "P" είναι μια δύναμη που δρα σε μια συγκεκριμένη επιφάνεια, κατευθυνόμενη κάθετα σε αυτήν την επιφάνεια (ο λόγος της δύναμης "F" προς την επιφάνεια "S"), δηλαδή P \u003d F / S.
Με απλά λόγια, είναι μια δύναμη που κατανέμεται σε μια επιφάνεια.
Από αυτόν τον τύπο, μπορεί να φανεί ότι όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια, τόσο χαμηλότερη θα είναι η πίεση. Επίσης, η δύναμη που απαιτείται για την αφαίρεση ενός χεριού ή του δακτύλου από την είσοδο της αντλίας είναι ευθέως ανάλογη με την επιφάνεια (F=P*S).
Η διάμετρος της οπής αναρρόφησης της αντλίας κενού 2NVR-5DM είναι 25 mm (εμβαδόν επιφάνειας 78,5 mm2).
Η διάμετρος της θύρας αναρρόφησης της αντλίας κενού VE-2100 είναι 6 mm (εμβαδόν επιφάνειας 18,8 mm2).
Δηλαδή, για να σχιστεί ένα χέρι από μια τρύπα με διάμετρο 25 mm, απαιτείται δύναμη 4,2 φορές μεγαλύτερη από ό,τι για μια τρύπα με διάμετρο 6 mm (στην ίδια πίεση).
Αυτός είναι ο λόγος που όταν το κενό μετριέται με τα δάχτυλα, προκύπτει ένα τέτοιο παράδοξο.
Η πίεση "P", στην περίπτωση αυτή, υπολογίζεται ως η διαφορά μεταξύ της ατμοσφαιρικής πίεσης και της υπολειπόμενης πίεσης στο δοχείο (δηλαδή το κενό στην αντλία).

Πώς να υπολογίσετε τη δύναμη πίεσης οποιουδήποτε τμήματος στην επιφάνεια;
Πολύ απλό. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον παραπάνω τύπο, αλλά ας προσπαθήσουμε να τον εξηγήσουμε με πιο απλό τρόπο.
Για παράδειγμα, ας χρειαστεί να μάθετε με ποια δύναμη μπορεί να πιεστεί ένα εξάρτημα μεγέθους 10x10 cm όταν δημιουργείται κενό κάτω από αυτό με μια αντλία VVN 1-0,75.

Παίρνουμε την υπολειπόμενη πίεση που δημιουργεί αυτή η αντλία κενού της σειράς VVN.
Συγκεκριμένα, για αυτήν την αντλία δακτυλίου νερού VVN 1-0,75, είναι 0,4 atm.
1 ατμόσφαιρα ισούται με 1 kg/cm2.
Η επιφάνεια του εξαρτήματος είναι 100 cm2 (10 cm x 10 cm).
Δηλαδή, εάν δημιουργήσετε ένα μέγιστο κενό (δηλαδή, η πίεση στο εξάρτημα θα είναι 1 atm), τότε το εξάρτημα θα πιεστεί με δύναμη 100 kg.
Εφόσον έχουμε κενό 0,4 atm, η πίεση θα είναι 0,4x100 = 40 kg.
Αλλά αυτό είναι θεωρητικά, υπό ιδανικές συνθήκες, εάν δεν υπάρχει διαρροή αέρα κ.λπ.
Πραγματικά, πρέπει να το λάβετε υπόψη και η πίεση θα είναι 20 ... 40% μικρότερη, ανάλογα με τον τύπο της επιφάνειας, την ταχύτητα άντλησης κ.λπ.

Τώρα λίγα λόγια για τους μηχανικούς μετρητές κενού.
Αυτές οι συσκευές εμφανίζουν υπολειπόμενη πίεση στην περιοχή 0,05 ... 1 atm.
Δηλαδή, δεν θα εμφανίζει βαθύτερο κενό (θα δείχνει πάντα "0"). Για παράδειγμα, σε οποιαδήποτε αντλία κενού με περιστροφικό πτερύγιο, όταν φτάσει στο μέγιστο κενό της, το μηχανικό μανόμετρο κενού θα δείχνει πάντα "0". Εάν απαιτείται οπτική απεικόνιση των τιμών υπολειπόμενης πίεσης, τότε πρέπει να εγκατασταθεί ένας ηλεκτρονικός μετρητής κενού, για παράδειγμα VG-64.

Συχνά έρχονται σε εμάς πελάτες που σχηματίζουν εξαρτήματα υπό κενό (για παράδειγμα, εξαρτήματα από σύνθετα υλικά: ανθρακονήματα, υαλοβάμβακα κ.λπ.), αυτό είναι απαραίτητο ώστε κατά τη χύτευση, το αέριο να διαφεύγει από το συνδετικό υλικό (ρητίνη) και έτσι να βελτιώνονται οι ιδιότητες του το τελικό προϊόν, καθώς και το τμήμα πιέστηκε πάνω στο καλούπι με μια μεμβράνη, από την οποία αντλήθηκε αέρας.
Τίθεται το ερώτημα: ποια αντλία κενού να χρησιμοποιήσετε - μονοβάθμια ή δύο σταδίων;
Συνήθως πιστεύουν ότι αφού το κενό ενός δύο σταδίου είναι υψηλότερο, τότε οι λεπτομέρειες είναι καλύτερες.

Το κενό για μια αντλία ενός σταδίου είναι 20 Pa, για μια αντλία δύο σταδίων 2 Pa. Φαίνεται ότι αφού η διαφορά πίεσης είναι 10 φορές, τότε το εξάρτημα θα πιεστεί πολύ πιο δυνατά.
Είναι όμως όντως έτσι;

1 atm = 100000 Pa = 1 kg/cm2.
Αυτό σημαίνει ότι η διαφορά στην πίεση της μεμβράνης σε κενό 20 Pa και 2 Pa θα είναι 0,00018 kg/cm2 (αν δεν είστε τεμπέλης, θα υπολογίσετε μόνοι σας).

Δηλαδή στην πράξη δεν θα υπάρχει διαφορά, γιατί. ένα κέρδος 0,18 g στη δύναμη σύσφιξης δεν θα κάνει τον καιρό.

Πώς να υπολογίσετε πόσο χρόνο χρειάζεται μια αντλία κενού για να αντλήσει έναν θάλαμο κενού;
Σε αντίθεση με τα υγρά, τα αέρια καταλαμβάνουν ολόκληρο τον διαθέσιμο όγκο και εάν η αντλία κενού έχει αντλήσει τον μισό αέρα στον θάλαμο κενού, τότε το υπόλοιπο μέρος του αέρα θα διασταλεί ξανά και θα καταλάβει ολόκληρο τον όγκο.
Παρακάτω είναι ο τύπος για τον υπολογισμό αυτής της παραμέτρου.

t = (V/S)*ln(p1/p2)*F, όπου

t είναι ο χρόνος (σε ώρες) που απαιτείται για την άντληση του όγκου κενού από την πίεση p1 στην πίεση p2
V - όγκος αντλούμενης δεξαμενής, m3
S - ταχύτητα αντλίας κενού, m3/h
p1 - ​​αρχική πίεση στη δεξαμενή που εκκενώθηκε, mbar
p2 - τελική πίεση στην εκκενωμένη δεξαμενή, mbar
ln - φυσικός λογάριθμος

F - συντελεστής διόρθωσης, εξαρτάται από την τελική πίεση στη δεξαμενή p2:
- p2 1000 έως 250 mbar F=1
- p2 250 έως 100 mbar F=1,5
- p2 100 έως 50 mbar F=1,75
- p2 50 έως 20 mbar F=2
- p2 20 έως 5 mbar F=2,5
- p2 5 έως 1 mbar F=3

Με λίγα λόγια, αυτό είναι.
Ελπίζουμε ότι αυτές οι πληροφορίες θα βοηθήσουν κάποιον να κάνει τη σωστή επιλογή εξοπλισμού ηλεκτρικής σκούπας και να επιδείξει τις γνώσεις του πάνω από ένα ποτήρι μπύρα...

Ο όρος " κενό", ως φυσικό φαινόμενο - ένα μέσο στο οποίο η πίεση του αερίου είναι χαμηλότερη από την ατμοσφαιρική.

Το ποσοτικό χαρακτηριστικό του κενού είναι η απόλυτη πίεση. Η βασική μονάδα πίεσης στο Διεθνές Σύστημα (SI) είναι το Pascal (1 Pa = 1N/m2). Ωστόσο, στην πράξη υπάρχουν και άλλες μονάδες μέτρησης, όπως millibar (1 mbar = 100 Pa) και Torr ή χιλιοστά υδραργύρου (1 mm Hg = 133.322 Pa). Αυτές οι μονάδες δεν είναι μονάδες SI, αλλά είναι αποδεκτές για τη μέτρηση της αρτηριακής πίεσης.

Επίπεδα κενού

Ανάλογα με το πόσο η πίεση είναι κάτω από την ατμοσφαιρική (101325 Pa), μπορούν να παρατηρηθούν διαφορετικά φαινόμενα, ως αποτέλεσμα των οποίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικά μέσα για τη λήψη και τη μέτρηση αυτής της πίεσης. Σήμερα, υπάρχουν πολλά επίπεδα κενού, καθένα από τα οποία έχει τη δική του ονομασία σύμφωνα με διαστήματα πίεσης κάτω από την ατμοσφαιρική:

• Χαμηλό κενό (HV): από 10 5 έως 10 2 Pa,
• Μεσαίο κενό (SV): από 10 2 έως 10 -1 Pa,
• Υψηλό κενό (HV): από 10 -1 έως 10 -5 Pa,
• Εξαιρετικά υψηλό κενό (UHV): από 10 -5 έως 10 -9 Pa,
• Εξαιρετικό υψηλό κενό (EHV):

Αυτά τα επίπεδα κενού, ανάλογα με την εφαρμογή, χωρίζονται σε τρεις ομάδες παραγωγής.

- Χαμηλή υποπίεση: χρησιμοποιείται κυρίως όπου πρέπει να αντληθούν μεγάλες ποσότητες αέρα. Για να επιτευχθεί χαμηλό κενό, χρησιμοποιούνται ηλεκτρομηχανικές αντλίες τύπου πτερυγίου, φυγοκεντρικές, πλευρικές αντλίες, γεννήτριες ροής κ.λπ.

Το χαμηλό κενό χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, σε εργοστάσια μεταξοτυπίας.

- Βιομηχανικό κενό: ο όρος "βιομηχανικό κενό" αντιστοιχεί σε επίπεδο κενού από -20 έως -99 kPa. Αυτό το εύρος χρησιμοποιείται στις περισσότερες εφαρμογές. Το βιομηχανικό κενό λαμβάνεται με τη χρήση περιστροφικών, υγρών δακτυλίων, αντλιών εμβόλου και γεννητριών κενού πτερυγίων σύμφωνα με την αρχή Venturi. Το πεδίο εφαρμογής του βιομηχανικού κενού περιλαμβάνει βεντούζες, θερμοδιαμόρφωση, σύσφιξη κενού, συσκευασία κενού κ.λπ.

- Τεχνικό κενό: Αντιστοιχεί σε επίπεδο κενού από -99 kPa. Αυτό το επίπεδο κενού επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας περιστροφικές αντλίες δύο επιπέδων, εκκεντρικές περιστροφικές αντλίες, αντλίες κενού Roots, στροβιλομοριακές αντλίες, αντλίες διάχυσης, κρυογονικές αντλίες κ.λπ.

Αυτό το επίπεδο κενού χρησιμοποιείται κυρίως στη λυοφιλοποίηση, την επιμετάλλωση και τη θερμική επεξεργασία. Στην επιστήμη, το τεχνικό κενό χρησιμοποιείται ως προσομοίωση του διαστήματος.

Η υψηλότερη τιμή του κενού στη γη είναι πολύ μικρότερη από την τιμή του απόλυτου κενού, η οποία παραμένει μια καθαρά θεωρητική τιμή. Μάλιστα, ακόμη και στο διάστημα, παρά την απουσία ατμόσφαιρας, υπάρχει μικρός αριθμός ατόμων.

Η κύρια ώθηση για την ανάπτυξη των τεχνολογιών κενού ήταν η έρευνα στον βιομηχανικό τομέα. Αυτή τη στιγμή υπάρχει μεγάλος αριθμός εφαρμογών σε διάφορους κλάδους. Το κενό χρησιμοποιείται σε σωλήνες ηλεκτρο-ακτίνων, λαμπτήρες πυρακτώσεως, επιταχυντές σωματιδίων, στη μεταλλουργία, στις βιομηχανίες τροφίμων και αεροδιαστημικής, σε εγκαταστάσεις για τον έλεγχο της πυρηνικής σύντηξης, στη μικροηλεκτρονική, στη βιομηχανία γυαλιού και κεραμικής, στην επιστήμη, στη βιομηχανική ρομποτική, σε συστήματα λαβής που χρησιμοποιούν βεντούζες κενού κ.λπ.

Παραδείγματα εφαρμογών κενού στη βιομηχανία

Συστήματα κενού πολλαπλής σύλληψης "OCTOPUS"

Βεντούζες κενού - γενικές πληροφορίες

Οι βεντούζες κενού είναι ένα απαραίτητο εργαλείο για το πιάσιμο, την ανύψωση και τη μετακίνηση αντικειμένων, φύλλων και διαφόρων αντικειμένων που είναι δύσκολο να μετακινηθούν με τα συμβατικά συστήματα λόγω της ευθραυστότητάς τους ή του κινδύνου παραμόρφωσης.

Όταν χρησιμοποιούνται σωστά, οι βεντούζες παρέχουν άνετη, οικονομική και ασφαλή εργασία, η οποία αποτελεί θεμελιώδη αρχή για την τέλεια υλοποίηση έργων αυτοματισμού στην παραγωγή.

Η συνεχής έρευνα και η προσοχή στις απαιτήσεις των πελατών μας μας επέτρεψαν να παράγουμε βεντούζες που αντέχουν σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες, τριβή, ηλεκτροστατική εκκένωση, επιθετικά περιβάλλοντα και επίσης δεν αφήνουν λεκέδες στην επιφάνεια των μεταφερόμενων αντικειμένων. Επιπλέον, οι βεντούζες συμμορφώνονται με τα πρότυπα ασφαλείας της ΕΟΚ και τα πρότυπα τροφίμων FDA, BGA, TSCA.

Όλες οι βεντούζες κατασκευάζονται από υψηλής ποιότητας εξαρτήματα διαμορφωμένα σε κενό και έχουν αντιδιαβρωτική επεξεργασία για μεγάλη διάρκεια ζωής. Ανεξάρτητα από τη διαμόρφωση, όλες οι βεντούζες έχουν τα δικά τους σημάδια.

Σύστημα πολλαπλής λαβής χταποδιού

Οι διακυμάνσεις του φωτός στο κενό (κίτρινο κύμα) ενισχύονται στον οπτικό συντονιστή (πάνω και κάτω ανακλαστικά κάτοπτρα). Οι δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος (κόκκινα άτομα) στη 2D διεπαφή δημιουργούν αυτό το φωτεινό κύμα. Τα κύματα δόνησης φωτός που αναμιγνύονται με αυτόν τον τρόπο συνδέονται ιδιαίτερα έντονα με ηλεκτρόνια σε ένα δισδιάστατο ατομικά λεπτό υλικό (πράσινα και κίτρινα άτομα), αλλάζοντας τις ιδιότητές του.
Εικόνα: J. M. Harms, MPSD

Επιστήμονες από το θεωρητικό τμήμα του Ινστιτούτου Max Planck για τη δομή και τη δυναμική της ύλης (MPSD) στο Αμβούργο της Γερμανίας, έδειξαν μέσω θεωρητικών υπολογισμών και προσομοιώσεων υπολογιστή ότι η δύναμη μεταξύ ηλεκτρονίων και παραμορφώσεων πλέγματος σε έναν ατομικά λεπτό δισδιάστατο υπεραγωγό μπορεί να είναι ελέγχεται χρησιμοποιώντας εικονικά φωτόνια. Αυτό μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη νέων υπεραγωγών για συσκευές εξοικονόμησης ενέργειας και πολλές άλλες τεχνικές εφαρμογές.

Το κενό δεν είναι εντελώς άδειο. Μπορεί να ακούγεται περίεργο στους ανθρώπους, αλλά το πρόβλημα απασχολεί τους φυσικούς από τη γέννηση της κβαντικής μηχανικής. Το φαινομενικό κενό συνεχώς «φυσαλίδες» και παράγει ελαφρούς κραδασμούς ακόμη και σε απόλυτο μηδέν θερμοκρασία. Κατά μία έννοια, αυτά τα εικονικά φωτόνια απλώς περιμένουν να χρησιμοποιηθούν. Μπορούν να μεταφέρουν δυνάμεις και να αλλάξουν τις ιδιότητες της ύλης.

Είναι γνωστό ότι η δύναμη του κενού δημιουργεί το φαινόμενο Casimir. Όταν μετακινείτε δύο παράλληλες μεταλλικές πλάκες πυκνωτών πολύ κοντά μεταξύ τους, αισθάνονται μια μικροσκοπικά μικρή αλλά μετρήσιμη έλξη μεταξύ τους, ακόμα κι αν οι πλάκες δεν είναι ηλεκτρικά φορτισμένες. Αυτή η έλξη δημιουργείται με την ανταλλαγή εικονικών φωτονίων μεταξύ των πλακών, σαν δύο άνθρωποι να πετούν μια μπάλα ο ένας στον άλλο και να ανατραπούν. Εάν η μπάλα ήταν αόρατη, θα υπέθετε κανείς ότι υπάρχει μια απωθητική δύναμη που ενεργεί ανάμεσά τους.

Μια ομάδα επιστημόνων από το MPSD δημοσίευσε μια μελέτη στο Science Advances που δείχνει τη σύνδεση μεταξύ της ισχύος ενός κενού και των πιο προηγμένων υλικών. Συγκεκριμένα, διερευνούν τι συμβαίνει εάν ένας δισδιάστατος υπεραγωγός σεληνιούχου σιδήρου (FeSe) υψηλής θερμοκρασίας σε υπόστρωμα SrTiO3 τοποθετηθεί στο κενό μεταξύ δύο μεταλλικών πλακών, όπου τα εικονικά φωτόνια πετούν μπρος-πίσω.

Το αποτέλεσμα των θεωριών και των προσομοιώσεών τους είναι το εξής: η δύναμη του κενού επιτρέπει στα γρήγορα ηλεκτρόνια στο στρώμα 2D να συζευχθούν πιο έντονα με τους κραδασμούς του πλέγματος του υποστρώματος, που ταλαντώνονται κάθετα στο στρώμα 2D. Η σύζευξη υπεραγώγιμων ηλεκτρονίων και δονήσεων πλέγματος είναι ένα κεντρικό δομικό στοιχείο για τις σημαντικές ιδιότητες πολλών υλικών.

«Μόλις αρχίζουμε να κατανοούμε αυτές τις διαδικασίες», λένε οι επιστήμονες. «Για παράδειγμα, δεν γνωρίζουμε ακριβώς πόσο ισχυρή θα είναι η επίδραση του φωτός κενού στις επιφανειακές δονήσεις. Μιλάμε για σχεδόν σωματίδια φωτός και φωνόνια, τα λεγόμενα φωνονικά πολαρίτονα». Σε τρισδιάστατους μονωτές, τα φωνονικά πολαρίτονα μετρήθηκαν με λέιζερ πριν από δεκαετίες. Ωστόσο, πρόκειται για νέα επιστημονική περιοχή, όπου μιλάμε για πολύπλοκα νέα δισδιάστατα κβαντικά υλικά. «Φυσικά, ελπίζουμε ότι η δουλειά μας θα ενθαρρύνει τους συναδέλφους πειραματιστές να δοκιμάσουν τις προβλέψεις μας».

Ο Διευθυντής Θεωρίας του MPSD, Angel Rubio, είναι ευχαριστημένος με αυτές τις νέες δυνατότητες: «Οι θεωρίες και οι αριθμητικές προσομοιώσεις στο τμήμα μας αποτελούν βασικό στοιχείο σε μια εντελώς νέα γενιά πιθανών τεχνολογικών εξελίξεων. Το πιο σημαντικό, θα ενθαρρύνει τους ερευνητές να επανεξετάσουν παλιά προβλήματα που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση μεταξύ του φωτός και της δομής της ύλης».

Ο Rubio είναι πολύ αισιόδοξος για το ρόλο της βασικής έρευνας σε αυτόν τον τομέα. «Μαζί με την πειραματική πρόοδο, για παράδειγμα, στην ελεγχόμενη παραγωγή και την ακριβή μέτρηση των ατομικών δομών και των ηλεκτρονικών τους ιδιοτήτων, προσβλέπουμε σε μεγάλες ανακαλύψεις». Κατά τη γνώμη του, οι επιστήμονες πρόκειται να εισέλθουν σε μια νέα εποχή ατομικού σχεδιασμού της λειτουργικότητας των χημικών ενώσεων, ειδικότερα, σε δισδιάστατα υλικά και σύνθετα μόρια.

Οι Μ. Α. Sentef et al. Κοιλιακή κβαντική-ηλεκτροδυναμική πολριτονικά ενισχυμένη σύζευξη ηλεκτρονίων-φωνονίων και η επίδρασή της στην υπεραγωγιμότητα, Science Advances (2018).

Στα τέλη Μαΐου του περασμένου έτους, πολλές δημοφιλείς εφημερίδες ήταν γεμάτες τίτλους: «Οι επιστήμονες πήραν ενέργεια από το κενό!». Οι ιδιοκτήτες των αντλιών κενού έτριβαν με χαρά τα χέρια τους και στα όνειρά τους έβλεπαν ήδη τους εαυτούς τους ως τους νέους ολιγάρχες. Ωστόσο, η ελεύθερη ενέργεια από το κενό δεν έχει εμφανιστεί ακόμη στην αγορά.

Το 1948, οι Ολλανδοί θεωρητικοί φυσικοί Hendrik Casimir και Dirk Polder, αναζητώντας μια εξήγηση για τις ιδιότητες των κολλοειδών φιλμ, εξέτασαν την αλληλεπίδραση των μορίων που πολώνουν μεταξύ τους με ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Αποδείχθηκε ότι η δύναμη έλξης ενός πολώσιμου μορίου σε μια μεταλλική πλάκα είναι αντιστρόφως ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της απόστασης μεταξύ τους.

Αλλά αυτό δεν ήταν το τέλος του θέματος. Ο Casimir συζήτησε τα ευρήματά του με τον Niels Bohr, ο οποίος παρατήρησε ότι η έλξη θα μπορούσε να εξηγηθεί με εντελώς διαφορετικό τρόπο. Τότε είχε ήδη αποδειχθεί ότι τα εικονικά σωματίδια του φυσικού κενού επηρεάζουν τα ενεργειακά επίπεδα των ενδοατομικών ηλεκτρονίων (Lamb shift). Σύμφωνα με τον Bohr, το αποτέλεσμα που υπολόγισε ο Casimir θα μπορούσε να έχει ακριβώς την ίδια φύση. Ο Casimir έκανε τους αντίστοιχους υπολογισμούς και έλαβε τον ίδιο τύπο.

Εφέ Casimir

Την ίδια χρονιά, ο Casimir πρότεινε ένα απλό και ενδεικτικό παράδειγμα της ισχύος του κενού. Φανταστείτε δύο επίπεδες αγώγιμες πλάκες τοποθετημένες παράλληλα. Η πυκνότητα των εικονικών φωτονίων μεταξύ τους θα είναι μικρότερη από ό,τι έξω, αφού μόνο στάσιμα ηλεκτρομαγνητικά κύματα αυστηρά καθορισμένων συχνοτήτων συντονισμού μπορούν να διεγερθούν εκεί. Ως αποτέλεσμα, στο διάστημα μεταξύ των πλακών, η πίεση του αερίου φωτονίου θα είναι μικρότερη από την πίεση από το εξωτερικό, λόγω της οποίας θα έλκονται μεταξύ τους και πάλι με μια δύναμη αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης ισχύος του το πλάτος της σχισμής (όταν οι πλάκες πλησιάζουν η μία την άλλη, το σύνολο των επιτρεπόμενων συχνοτήτων των στάσιμων κυμάτων μειώνεται, έτσι ώστε η διαφορά πυκνότητας μεταξύ "εσωτερικών" και "εξωτερικών" φωτονίων να αυξάνεται). Στην πραγματικότητα, μια τέτοια έλξη γίνεται αισθητή σε απόσταση αρκετών μικρομέτρων. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο Casimir.

Από σύγχρονη σκοπιά
Είναι οι διακυμάνσεις του κενού που προκαλούν αλληλεπιδράσεις δυνάμεων μεταξύ των μορίων. Επομένως, εκδηλώνονται όταν σώματα διαφόρων σχημάτων (όχι απαραίτητα επίπεδα), κατασκευασμένα από μέταλλα ή διηλεκτρικά, πλησιάζουν το ένα το άλλο. Οι πρώτοι που το έμαθαν πριν από μισό αιώνα ήταν τα μέλη του θεωρητικού τμήματος του Ινστιτούτου για Φυσικά Προβλήματα Evgeny Lifshits, Igor Dzyaloshinskii και Lev Pitaevskii. Έδειξαν επίσης ότι υπό ορισμένες συνθήκες η έλξη Kazimir αντικαθίσταται από την απώθηση. Αξιόπιστη πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης ενός τέτοιου αξιοθέατου ελήφθη το 1997 από τους Steve Lamoreau, Umar Mohidin και Anushri Roy. Οι απωστικές δυνάμεις Kazimierz μετρήθηκαν για πρώτη φορά πειραματικά το 2009 από μια ομάδα με επικεφαλής τον Jeremy Munday.

Κινούμενοι καθρέφτες

Το 1970, ένας φυσικός από το Αμερικανικό Πανεπιστήμιο Brandeis, ο Gerald Moore, δημοσίευσε ένα άρθρο όπου θεωρητικά εξέτασε τη συμπεριφορά του κενού σε μια κοιλότητα που οριοθετείται από δύο συγκλίνοντα ή αποκλίνοντα επίπεδα-παράλληλα κάτοπτρα. Έδειξε ότι τέτοιοι καθρέφτες θα μπορούσαν να ενισχύσουν τις διακυμάνσεις του κενού... και να τους κάνουν να παράγουν πραγματικά φωτόνια. Ωστόσο, σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Moore, για να δημιουργηθούν φωτόνια σε οποιεσδήποτε αξιόλογες ποσότητες, τα κάτοπτρα πρέπει να έχουν σχετικιστική ταχύτητα. Στα τέλη της δεκαετίας του 1980, το πρόβλημα της «συσσώρευσης» των διακυμάνσεων του κενού ενδιέφερε πολλούς επιστήμονες. Η θεωρητική του ανάλυση έδειξε ότι το κενό είναι ικανό να παράγει πραγματικά φωτόνια όχι μόνο κοντά σε υλικά σώματα με υποφωτεινή ταχύτητα, αλλά και κοντά σε υλικά που αλλάζουν γρήγορα τις ηλεκτρικές ή μαγνητικές τους ιδιότητες. Αυτός ο μετασχηματισμός των εικονικών διακυμάνσεων του κενού σε πραγματικά κβάντα ονομάστηκε δυναμικό ή μη στάσιμο φαινόμενο Casimir.

Εικονικός καθρέφτης, πραγματικά φωτόνια

Το συνηθισμένο φαινόμενο Casimir είναι η έλξη δύο επίπεδων παράλληλων πλακών λόγω της «επιλογής» συντονισμένων στάσιμων κυμάτων μεταξύ τους. Το δυναμικό φαινόμενο συνεπάγεται την «αποεικονοποίηση» των φωτονίων κατά τη γρήγορη (σχετικιστική) κίνηση των κατόπτρων. Είναι σαφές ότι είναι αδύνατο να επαναληφθεί ένα τέτοιο σχήμα με καθαρά μηχανικό τρόπο, έτσι μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο Chalmers στο Γκέτεμποργκ χρησιμοποίησε "εικονικούς" καθρέφτες - με τη βοήθεια ταλαντώσεων μαγνητικού πεδίου, άλλαξαν το μήκος του κυματοδηγού, το οποίο είναι παρόμοια με την κίνηση του ορίου του με σχετικιστικές ταχύτητες.

Μέχρι πρόσφατα, αυτές οι μελέτες περιορίζονταν στην καθαρή θεωρία. Η άμεση αναπαραγωγή του σχεδίου του Moore, φυσικά, είναι πέρα ​​από τη δύναμη των σύγχρονων τεχνολογιών, οι οποίες δεν μπορούν να επιταχύνουν τους καθρέφτες κατασκευασμένους από οποιοδήποτε υλικό σε υποφωτεινές ταχύτητες. Η επιστημονική βιβλιογραφία έχει συζητήσει επανειλημμένα πιο πρακτικές συσκευές για την παρατήρηση του δυναμικού φαινομένου Casimir - για παράδειγμα, πιεζοηλεκτρικούς δονητές και ηλεκτρομαγνητικούς συντονιστές υψηλής συχνότητας. Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί που εργάζονται σε αυτόν τον τομέα έχουν εδραιωθεί στην άποψη ότι αυτά τα πειράματα είναι αρκετά εφικτά.

Επαλήθευση στην πράξη

Ο Christopher Wilson και οι συνάδελφοί του στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers στη σουηδική πόλη του Γκέτεμποργκ, μαζί με συναδέλφους του από την Αυστραλία και την Ιαπωνία, ήταν οι πρώτοι που τα κατάφεραν. Η «πραγματοποίηση» των εικονικών φωτονίων έλαβε χώρα κοντά σε έναν κυματοδηγό αλουμινίου συνδεδεμένο με ένα υπεραγώγιμο κβαντικό συμβολόμετρο (δύο συνδέσεις σήραγγας Josephson συνδεδεμένες παράλληλα σε ένα κλειστό κύκλωμα). Οι πειραματιστές άλλαξαν την επαγωγή αυτού του κυκλώματος περνώντας μια μαγνητική ροή μέσα από αυτό, που ταλαντώνεται σε συχνότητα περίπου 11 GHz. Οι διακυμάνσεις της επαγωγής επηρέασαν το ηλεκτρικό μήκος του κυματοδηγού, το οποίο ταλαντώθηκε με εντελώς σχετικιστική ταχύτητα (περίπου το ένα τέταρτο της ταχύτητας διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στον κυματοδηγό, που ήταν περίπου ίση με το 40% της ταχύτητας του φωτός στο κενό) . Ο κυματοδηγός, όπως αναμενόταν, εξέπεμπε φωτόνια που εξήχθησαν από τις διακυμάνσεις του κενού. Το φάσμα αυτής της ακτινοβολίας αντιστοιχούσε σε θεωρητικές προβλέψεις.

Ωστόσο, είναι αδύνατο να χρησιμοποιηθεί αυτή η εγκατάσταση για να ληφθεί ενέργεια από το κενό: η ενέργεια της προκύπτουσας ακτινοβολίας είναι αμέτρητα ασθενέστερη από την ισχύ που πρέπει να αντληθεί στη συσκευή. Το ίδιο ισχύει και για άλλες συσκευές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρατήρηση του δυναμικού φαινομένου Casimir. Γενικά, το κενό δεν είναι καθόλου ελαιοφόρο στρώμα.