ข้อมูลเกี่ยวกับระบบสูญญากาศและส่วนประกอบ ถ้วยดูดสูญญากาศ - ข้อมูลทั่วไป

บ่อยครั้งที่เราได้รับการติดต่อจากผู้ที่ต้องการซื้อปั๊มสุญญากาศ แต่ไม่ค่อยรู้ว่าสุญญากาศคืออะไร
ลองหากันดูว่ามันคืออะไร

ตามคำจำกัดความ สุญญากาศเป็นช่องว่างที่ปราศจากสสาร (จากคำภาษาละติน "vacuus" - ว่างเปล่า)
สูญญากาศมีคำจำกัดความหลายประการ: สูญญากาศทางเทคนิค สูญญากาศทางกายภาพ สูญญากาศในอวกาศ ฯลฯ
เราจะพิจารณาสุญญากาศทางเทคนิคซึ่งกำหนดเป็นก๊าซที่หายากมาก

ลองมาดูตัวอย่างว่าสุญญากาศคืออะไรและวัดได้อย่างไร
บนโลกของเรา มีความดันบรรยากาศเป็นหน่วย (หนึ่งบรรยากาศ) การเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับสภาพอากาศ ระดับความสูง แต่เราจะไม่คำนึงถึงเรื่องนี้ เนื่องจากจะไม่ส่งผลต่อความเข้าใจในแนวคิดเรื่องสุญญากาศแต่อย่างใด
ดังนั้นเราจึงมีแรงกดบนพื้นผิวโลกเท่ากับ 1 บรรยากาศ ทุกอย่างต่ำกว่า 1 บรรยากาศ (ในภาชนะปิด) เรียกว่าสุญญากาศทางเทคนิค

นำภาชนะแล้วปิดด้วยฝาสุญญากาศ ความดันในภาชนะจะเป็น 1 บรรยากาศ หากเราเริ่มสูบลมออกจากภาชนะ สุญญากาศก็จะปรากฎขึ้น ซึ่งเรียกว่าสุญญากาศ
ลองพิจารณาตัวอย่าง: มี 10 วงกลมในภาชนะด้านซ้าย ให้เป็น 1 บรรยากาศ
“ สูบออก” ครึ่งหนึ่ง - เราได้ 0.5 atm ปล่อยให้หนึ่ง - เราได้ 0.1 atm

เนื่องจากมีเพียงหนึ่งบรรยากาศในเรือ ดังนั้นสุญญากาศสูงสุดที่เป็นไปได้ที่เราจะได้รับ (ตามทฤษฎี) บรรยากาศเป็นศูนย์
"ในทางทฤษฎี" - เพราะ แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะจับโมเลกุลอากาศทั้งหมดจากเรือ
ดังนั้นในภาชนะใด ๆ ที่อากาศ (ก๊าซ) ถูกสูบออกไป ปริมาณขั้นต่ำของมันจะยังคงอยู่ สิ่งนี้เรียกว่า "แรงดันตกค้าง" นั่นคือแรงดันที่ยังคงอยู่ในถังหลังจากสูบก๊าซออกจากถัง
มีปั๊มพิเศษที่สามารถดูดลึกถึง 0.00001 Pa แต่ก็ยังไม่เป็นศูนย์
ในชีวิตปกติ เป็นเรื่องยากที่ต้องใช้สุญญากาศที่ลึกกว่า 0.5 - 10 Pa (0.00005-0.0001 atm)

มีหลายตัวเลือกสำหรับการวัดสุญญากาศ ซึ่งขึ้นอยู่กับการเลือกจุดอ้างอิง:
1. หน่วยเป็นความดันบรรยากาศ อะไรก็ตามที่อยู่ด้านล่างเป็นสุญญากาศ
นั่นคือมาตราส่วนของเกจสุญญากาศอยู่ที่ 1 ถึง 0 atm (1…0.9…0.8…0.7…..0.2…0.1….0)
2. ความกดอากาศถือเป็นศูนย์ นั่นคือสุญญากาศ - ตัวเลขติดลบทั้งหมดน้อยกว่า 0 และสูงถึง -1
นั่นคือมาตราส่วนของเกจสุญญากาศอยู่ระหว่าง 0 ถึง -1 (0, -0.1 ... -0.2 ...., -0.9, ... -1)
นอกจากนี้ มาตราส่วนสามารถเป็น kPa, mBar ได้ แต่ทั้งหมดนี้คล้ายกับมาตราส่วนในบรรยากาศ

ภาพแสดงเกจสุญญากาศที่มีสเกลต่างกันซึ่งแสดงถึงสุญญากาศแบบเดียวกัน:

จากทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้น จะเห็นได้ว่าขนาดของสุญญากาศต้องไม่เกินความกดอากาศ

เราเข้าหาเกือบทุกวันโดยผู้ที่ต้องการสูญญากาศ -2, -3 atm เป็นต้น
และพวกเขาประหลาดใจมากเมื่อพบว่าสิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ (อย่างไรก็ตาม ทุก ๆ วินาทีของพวกเขาพูดว่า "คุณเองไม่รู้อะไรเลย", "แต่กับเพื่อนบ้าน" ฯลฯ )

อันที่จริงคนเหล่านี้ต้องการปั้นชิ้นส่วนภายใต้สุญญากาศ แต่เพื่อให้แรงดันของชิ้นส่วนนั้นมากกว่า 1 กก. / ซม. (2 บรรยากาศ)
สามารถทำได้โดยคลุมผลิตภัณฑ์ด้วยฟิล์ม แล้วสูบลมออกจากด้านล่าง (ในกรณีนี้ ความดันสูงสุดจะอยู่ที่ 1 กก./ซม.2) และ จากนั้นนำไปใส่ในหม้อนึ่งความดันเพื่อสร้างแรงดันส่วนเกิน นั่นคือเพื่อสร้างแรงดัน 2 กก. / ซม. 2 ก็เพียงพอที่จะสร้างแรงดันเกิน 1 atm ในหม้อนึ่งความดัน

คำไม่กี่คำเกี่ยวกับจำนวนลูกค้าที่วัดสุญญากาศที่นิทรรศการ Ampika Pumps LLC ในสำนักงานของเรา:
เปิดปั๊มวางนิ้ว (ฝ่ามือ) ไปที่รูดูดของปั๊มสุญญากาศแล้วสรุปเกี่ยวกับค่าสุญญากาศทันที

โดยปกติ ทุกคนชอบเปรียบเทียบปั๊มสุญญากาศของโซเวียต 2NVR-5DM กับ VE-2100 อะนาล็อกที่เรานำเสนอ
หลังจากการตรวจสอบ พวกเขาจะพูดในสิ่งเดียวกันเสมอ - สุญญากาศของ 2NVR-5DM นั้นสูงกว่า (แม้ว่าที่จริงแล้วปั๊มทั้งสองจะผลิตพารามิเตอร์สุญญากาศเหมือนกัน)

อะไรคือสาเหตุของปฏิกิริยาดังกล่าว? และเช่นเคย - ในกรณีที่ไม่มีความรู้เกี่ยวกับกฎฟิสิกส์และความกดดันโดยทั่วไป

โปรแกรมการศึกษาเล็กน้อย: แรงกด "P" เป็นแรงที่กระทำบนพื้นที่ผิวหนึ่งซึ่งตั้งฉากกับพื้นผิวนี้ (อัตราส่วนของแรง "F" ต่อพื้นที่ผิว "S") นั่นคือ P \u003d เอฟ/เอส
พูดง่ายๆ ก็คือ แรงที่กระจายไปทั่วพื้นที่ผิว
จากสูตรนี้จะเห็นได้ว่ายิ่งพื้นที่ผิวมากเท่าไหร่แรงดันก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น นอกจากนี้ แรงที่ต้องใช้ในการดึงมือหรือนิ้วออกจากทางเข้าปั๊มยังเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ผิว (F=P*S)
เส้นผ่านศูนย์กลางรูดูดของปั๊มสุญญากาศ 2NVR-5DM คือ 25 มม. (พื้นที่ผิว 78.5 มม.2)
เส้นผ่านศูนย์กลางของช่องดูดของปั๊มสุญญากาศ VE-2100 คือ 6 มม. (พื้นที่ผิว 18.8 มม.2)
นั่นคือในการดึงมือออกจากรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 มม. ต้องใช้แรงมากกว่ารูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 มม. 4.2 เท่า (ที่ความดันเท่ากัน)
นั่นคือเหตุผลที่เมื่อวัดสูญญากาศด้วยนิ้วทำให้เกิดความขัดแย้ง
ในกรณีนี้ ความดัน "P" จะคำนวณจากความแตกต่างระหว่างความดันบรรยากาศและความดันตกค้างในภาชนะ (เช่น สุญญากาศในปั๊ม)

วิธีการคำนวณแรงกดของชิ้นส่วนใด ๆ กับพื้นผิว?
ง่ายมาก. คุณสามารถใช้สูตรข้างต้นได้ แต่มาลองอธิบายให้เข้าใจง่ายกว่านี้กัน
ตัวอย่างเช่น ให้จำเป็นต้องค้นหาว่าแรงใดที่ชิ้นส่วนขนาด 10x10 ซม. สามารถกดได้เมื่อมีการสร้างสุญญากาศภายใต้ปั๊ม VVN 1-0.75

เราใช้แรงดันตกค้างที่ปั๊มสุญญากาศของซีรีส์ VVN สร้างขึ้น
โดยเฉพาะสำหรับปั๊มน้ำวงแหวน VVN 1-0.75 นี้คือ 0.4 atm.
1 บรรยากาศ เท่ากับ 1 กก./ซม.2
พื้นที่ผิวของชิ้นงานคือ 100 cm2 (10 cm x 10 cm)
นั่นคือถ้าคุณสร้างสุญญากาศสูงสุด (นั่นคือแรงดันของชิ้นส่วนจะเป็น 1 atm) ชิ้นส่วนนั้นจะถูกกดด้วยแรง 100 กก.
เนื่องจากเรามีสุญญากาศ 0.4 atm ความดันจะเป็น 0.4x100 = 40 กก.
แต่ในทางทฤษฎี ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ถ้าไม่มีการรั่วไหลของอากาศ ฯลฯ
จริงๆแล้วคุณต้องคำนึงถึงสิ่งนี้และแรงดันจะน้อยกว่า 20 ... 40% ขึ้นอยู่กับประเภทของพื้นผิวความเร็วในการสูบ ฯลฯ

คำสองสามคำเกี่ยวกับเกจสุญญากาศเชิงกล
อุปกรณ์เหล่านี้แสดงแรงดันตกค้างในช่วง 0.05 ... 1 atm
นั่นคือจะไม่แสดงสุญญากาศที่ลึกกว่า (จะแสดง "0") เสมอ ตัวอย่างเช่น ในปั๊มสุญญากาศใบพัดหมุนใดๆ เมื่อถึงระดับสุญญากาศสูงสุด เกจสุญญากาศเชิงกลจะแสดง "0" เสมอ หากจำเป็นต้องมีการแสดงค่าแรงดันตกค้าง จะต้องติดตั้งเกจสุญญากาศอิเล็กทรอนิกส์ เช่น VG-64

บ่อยครั้งที่ลูกค้ามาหาเราซึ่งสร้างชิ้นส่วนภายใต้สุญญากาศ (เช่น ชิ้นส่วนที่ทำจากวัสดุคอมโพสิต: คาร์บอนไฟเบอร์ ไฟเบอร์กลาส ฯลฯ) นี่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ในระหว่างการขึ้นรูป ก๊าซจะหลบหนีออกจากสารยึดเกาะ (เรซิน) และปรับปรุงคุณสมบัติของ ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปเช่นเดียวกับชิ้นส่วนถูกกดลงบนแม่พิมพ์ด้วยฟิล์มซึ่งอยู่ใต้อากาศที่ถูกสูบออก
คำถามเกิดขึ้น: ปั๊มสุญญากาศตัวไหนที่จะใช้ - แบบขั้นตอนเดียวหรือสองขั้นตอน?
โดยปกติพวกเขาคิดว่าเนื่องจากสูญญากาศของสองขั้นตอนนั้นสูงกว่ารายละเอียดจึงดีกว่า

สูญญากาศสำหรับปั๊มแบบขั้นตอนเดียวคือ 20 Pa สำหรับปั๊มแบบสองขั้นตอน 2 Pa ดูเหมือนว่าเนื่องจากความแตกต่างของแรงดันคือ 10 เท่าส่วนจะถูกกดแรงขึ้นมาก
แต่มันเป็นเช่นนั้นจริงหรือ?

1 atm = 100000 Pa = 1 กก./ซม.2
ซึ่งหมายความว่าความแตกต่างของแรงกดของฟิล์มที่สุญญากาศ 20 Pa และ 2 Pa จะเท่ากับ 0.00018 กก./cm2 (ถ้าคุณไม่ขี้เกียจคุณจะคำนวณเอง)

นั่นคือในทางปฏิบัติจะไม่มีความแตกต่างเพราะ การเพิ่มขึ้น 0.18 กรัมในแรงจับยึดจะไม่ทำให้สภาพอากาศ

จะคำนวณว่าปั๊มสุญญากาศใช้เวลานานแค่ไหนในการปั๊มสุญญากาศออกจากห้องสุญญากาศ
ต่างจากของเหลวตรงที่ก๊าซใช้ปริมาตรที่มีอยู่ทั้งหมด และหากปั๊มสุญญากาศสูบลมออกไปครึ่งหนึ่งในห้องสุญญากาศ อากาศที่เหลือก็จะขยายตัวอีกครั้งและครอบครองปริมาตรทั้งหมด
ด้านล่างนี้เป็นสูตรสำหรับคำนวณพารามิเตอร์นี้

เสื้อ = (V/S)*ln(p1/p2)*F, ที่ไหน

t คือเวลา (เป็นชั่วโมง) ที่ต้องการเพื่อสูบปริมาตรสุญญากาศออกจากแรงดัน p1 ถึงแรงดัน p2
V - ปริมาตรของถังที่สูบออก m3
S - ความเร็วปั๊มสุญญากาศ m3/h
p1 - ​​​​ความดันเริ่มต้นในถังอพยพ mbar
p2 - แรงดันสุดท้ายในถังอพยพ mbar
ln - ลอการิทึมธรรมชาติ

F - ปัจจัยการแก้ไขขึ้นอยู่กับความดันสุดท้ายในภาชนะ p2:
- p2 1,000 ถึง 250 mbar F=1
- p2 250 ถึง 100 mbar F=1.5
- p2 100 ถึง 50 mbar F=1.75
- p2 50 ถึง 20 mbar F=2
- p2 20 ถึง 5 mbar F=2.5
- p2 5 ถึง 1 mbar F=3

สั้นๆ นั่นแหละ
เราหวังว่าข้อมูลนี้จะช่วยให้ใครสักคนเลือกอุปกรณ์ดูดฝุ่นที่เหมาะสมและอวดความรู้บนเบียร์สักแก้ว...

คำว่า " เครื่องดูดฝุ่น" เป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพ - ตัวกลางที่ความดันก๊าซต่ำกว่าความดันบรรยากาศ

ลักษณะเชิงปริมาณของสุญญากาศคือความดันสัมบูรณ์ หน่วยพื้นฐานของความดันในระบบสากล (SI) คือ ปาสกาล (1 Pa = 1N/m2) อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ มีหน่วยวัดอื่นๆ เช่น มิลลิบาร์ (1 mbar = 100 Pa) และ Torr หรือมิลลิเมตรปรอท (1 mm Hg = 133.322 Pa) หน่วยเหล่านี้ไม่ใช่หน่วย SI แต่เป็นที่ยอมรับในการวัดความดันโลหิต

ระดับสูญญากาศ

ขึ้นอยู่กับความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศ (101325 Pa) สามารถสังเกตปรากฏการณ์ที่แตกต่างกันอันเป็นผลมาจากการใช้วิธีการที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้มาและวัดความดันนี้ ปัจจุบันมีสุญญากาศหลายระดับ ซึ่งแต่ละระดับมีการกำหนดของตนเองตามช่วงเวลาของความดันที่ต่ำกว่าบรรยากาศ:

• สูญญากาศต่ำ (HV): ตั้งแต่ 10 5 ถึง 10 2 Pa,
• สูญญากาศปานกลาง (SV): ตั้งแต่ 10 2 ถึง 10 -1 Pa,
• สูญญากาศสูง (HV): ตั้งแต่ 10 -1 ถึง 10 -5 Pa,
• สูญญากาศสูงพิเศษ (UHV): ตั้งแต่ 10 -5 ถึง 10 -9 Pa,
• สุญญากาศสูงมาก (EHV):

ระดับสุญญากาศเหล่านี้ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน แบ่งออกเป็นสามกลุ่มการผลิต

- สูญญากาศต่ำ: ใช้เป็นหลักในที่ที่ต้องสูบลมออกเป็นจำนวนมาก เพื่อให้ได้สุญญากาศต่ำ จะใช้ปั๊มไฟฟ้าประเภทใบพัด ปั๊มหอยโข่ง ปั๊มช่องด้านข้าง เครื่องกำเนิดการไหล ฯลฯ

ใช้สุญญากาศต่ำ เช่น ในโรงงานพิมพ์ซิลค์สกรีน

- เครื่องดูดฝุ่นอุตสาหกรรม: คำว่า "สูญญากาศอุตสาหกรรม" สอดคล้องกับระดับสูญญากาศตั้งแต่ -20 ถึง -99 kPa ช่วงนี้ใช้ในการใช้งานส่วนใหญ่ เครื่องดูดฝุ่นอุตสาหกรรมได้มาจากการใช้โรตารี่ แหวนของเหลว ปั๊มลูกสูบ และเครื่องกำเนิดสุญญากาศแบบใบพัดตามหลักการ Venturi ขอบเขตของเครื่องดูดฝุ่นอุตสาหกรรมรวมถึงถ้วยดูด เทอร์โมฟอร์ม แคลมป์สุญญากาศ บรรจุภัณฑ์สุญญากาศ ฯลฯ

- เทคนิคสุญญากาศ: สอดคล้องกับระดับสุญญากาศตั้งแต่ -99 kPa ระดับสุญญากาศนี้ได้มาจากการใช้ปั๊มโรตารี่สองขั้นตอน, ปั๊มโรตารี่ประหลาด, ปั๊มสุญญากาศรูทส์, ปั๊มเทอร์โบโมเลคิวลาร์, ปั๊มกระจาย, ปั๊มแช่แข็ง ฯลฯ

ระดับสุญญากาศนี้ใช้เป็นหลักในการทำไลโอฟิไลเซชัน การชุบ และการอบชุบด้วยความร้อน ในทางวิทยาศาสตร์ สุญญากาศทางเทคนิคถูกใช้เป็นแบบจำลองของอวกาศ

ค่าสูงสุดของสุญญากาศบนโลกนั้นน้อยกว่าค่าของสุญญากาศสัมบูรณ์ซึ่งยังคงเป็นค่าทางทฤษฎีอย่างหมดจด ในความเป็นจริง แม้ในอวกาศ แม้จะไม่มีชั้นบรรยากาศ แต่ก็มีอะตอมจำนวนเล็กน้อย

แรงผลักดันหลักในการพัฒนาเทคโนโลยีสูญญากาศคือการวิจัยในสาขาอุตสาหกรรม ปัจจุบันมีแอพพลิเคชั่นจำนวนมากในภาคส่วนต่างๆ สูญญากาศใช้ในหลอดไฟฟ้า, หลอดไส้, เครื่องเร่งอนุภาค, ในอุตสาหกรรมโลหะ, อาหารและการบินและอวกาศ, ในการติดตั้งเพื่อควบคุมนิวเคลียร์ฟิวชัน, ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์, ในอุตสาหกรรมแก้วและเซรามิก, ในวิทยาศาสตร์, ในหุ่นยนต์อุตสาหกรรม, ใน ระบบจับยึดโดยใช้ถ้วยดูดสูญญากาศ ฯลฯ

ตัวอย่างการใช้งานระบบสุญญากาศในอุตสาหกรรม

ระบบสูญญากาศจับหลายตัว "OCTOPUS"

ถ้วยดูดสูญญากาศ - ข้อมูลทั่วไป

ถ้วยดูดสูญญากาศเป็นเครื่องมือที่จำเป็นสำหรับการจับ ยกและเคลื่อนย้ายวัตถุ แผ่น และวัตถุต่างๆ ที่เคลื่อนย้ายได้ยากด้วยระบบทั่วไป เนื่องจากมีความเปราะบางหรือเสี่ยงต่อการเสียรูป

เมื่อใช้อย่างถูกต้อง ถ้วยดูดจะให้การทำงานที่สะดวก ประหยัด และปลอดภัย ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานสำหรับการนำโครงการระบบอัตโนมัติไปใช้อย่างสมบูรณ์แบบในการผลิต

การวิจัยอย่างต่อเนื่องและความใส่ใจต่อความต้องการของลูกค้าทำให้เราสามารถผลิตแผ่นดูดที่ทนต่ออุณหภูมิสูงและต่ำ การเสียดสี การคายประจุไฟฟ้าสถิต สภาพแวดล้อมที่รุนแรง และไม่ทิ้งคราบบนพื้นผิวของวัตถุที่บรรทุก นอกจากนี้ ถ้วยดูดยังสอดคล้องกับมาตรฐานความปลอดภัยของ EEC และมาตรฐานอาหาร FDA, BGA, TSCA

ถ้วยดูดทั้งหมดผลิตจากส่วนประกอบที่เป็นสูญญากาศคุณภาพสูงและป้องกันการกัดกร่อนเพื่ออายุการใช้งานที่ยาวนาน ถ้วยดูดทั้งหมดมีเครื่องหมายของตัวเองโดยไม่คำนึงถึงการกำหนดค่า

ระบบจับปลาปลาหมึกหลายตัว

การผันผวนของแสงสุญญากาศ (คลื่นสีเหลือง) จะถูกขยายในเรโซเนเตอร์แบบออปติคัล (กระจกสะท้อนแสงด้านบนและด้านล่าง) การสั่นสะเทือนของผลึกคริสตัล (อะตอมสีแดง) ที่อินเทอร์เฟซ 2D ทำให้เกิดคลื่นแสงนี้ คลื่นการสั่นสะเทือนของแสงที่ผสมกันในลักษณะนี้รวมกันอย่างมากกับอิเล็กตรอนในวัสดุบางสองมิติที่เป็นอะตอม (อะตอมสีเขียวและสีเหลือง) ทำให้คุณสมบัติของคลื่นเปลี่ยนไป
ภาพ: J.M. Harms, MPSD

นักวิทยาศาสตร์จากแผนกทฤษฎีของสถาบัน Max Planck สำหรับโครงสร้างและพลวัตของสสาร (MPSD) ในเมืองฮัมบูร์ก ประเทศเยอรมนี ได้แสดงให้เห็นผ่านการคำนวณทางทฤษฎีและการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ว่าแรงระหว่างอิเล็กตรอนและการบิดเบือนของตาข่ายในตัวนำยิ่งยวดสองมิติบางอะตอมสามารถ ควบคุมโดยใช้โฟตอนเสมือน สิ่งนี้สามารถช่วยในการพัฒนาตัวนำยิ่งยวดใหม่สำหรับอุปกรณ์ประหยัดพลังงานและการใช้งานด้านเทคนิคอื่นๆ อีกมากมาย

สูญญากาศไม่ว่างเปล่าอย่างสมบูรณ์ ผู้คนอาจฟังดูแปลก แต่ปัญหาได้ครอบงำนักฟิสิกส์ตั้งแต่กำเนิดกลศาสตร์ควอนตัม ช่องว่างที่มองเห็นได้ "ฟองสบู่" อย่างต่อเนื่องและทำให้เกิดการสั่นไหวของแสงแม้ในอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ โฟตอนเสมือนเหล่านี้กำลังรอการใช้งานอยู่ พวกเขาสามารถถ่ายโอนแรงและเปลี่ยนคุณสมบัติของสสาร

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าแรงสุญญากาศทำให้เกิดเอฟเฟกต์คาซิเมียร์ เมื่อคุณย้ายแผ่นตัวเก็บประจุโลหะแบบขนานสองแผ่นมาใกล้กันมาก พวกเขารู้สึกว่ามีแรงดึงดูดระหว่างกันที่เล็กด้วยกล้องจุลทรรศน์แต่วัดค่าได้ แม้ว่าเพลตจะไม่มีประจุไฟฟ้าก็ตาม สถานที่น่าสนใจนี้สร้างขึ้นโดยการแลกเปลี่ยนโฟตอนเสมือนระหว่างแผ่นเปลือกโลก เหมือนกับคนสองคนขว้างลูกบอลให้กันและกันและถูกถีบกลับ ถ้าลูกมองไม่เห็น ใครจะคิดว่ามีแรงผลักระหว่างกัน

ทีมนักวิทยาศาสตร์จาก MPSD ได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาใน Science Advances ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเชื่อมโยงระหว่างพลังของสุญญากาศกับวัสดุขั้นสูงสุด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขากำลังตรวจสอบว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากตัวนำยิ่งยวดเหล็กอุณหภูมิสูง (FeSe) แบบสองมิติบนพื้นผิว SrTiO3 ถูกวางไว้ในช่องว่างระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่น ซึ่งโฟตอนเสมือนบินไปมา

ผลลัพธ์ของทฤษฎีและการจำลองคือ: แรงของสุญญากาศช่วยให้อิเล็กตรอนเร็วในเลเยอร์ 2D สามารถจับคู่กับการสั่นสะเทือนของโครงตาข่ายซับสเตรตได้มากขึ้น ซึ่งจะแกว่งไปมาในแนวตั้งฉากกับเลเยอร์ 2D การควบคู่ของอิเลคตรอนตัวนำยิ่งยวดและการสั่นของโครงข่ายเป็นส่วนประกอบหลักสำหรับคุณสมบัติที่สำคัญของวัสดุหลายชนิด

"เราเพิ่งเริ่มเข้าใจกระบวนการเหล่านี้" นักวิทยาศาสตร์กล่าว “ตัวอย่างเช่น เราไม่ทราบแน่ชัดว่าอิทธิพลของแสงสุญญากาศจะส่งผลต่อการสั่นสะเทือนของพื้นผิวมากเพียงใด เรากำลังพูดถึงอนุภาคกึ่งของแสงและโฟนอน ซึ่งเรียกว่าโพลาริทอนโฟนอน” ในฉนวนสามมิติ โฟนอนโพลาริทอนถูกวัดโดยเลเซอร์เมื่อหลายสิบปีก่อน อย่างไรก็ตาม นี่เป็นขอบเขตทางวิทยาศาสตร์ใหม่ที่เรากำลังพูดถึงวัสดุควอนตัมสองมิติใหม่ที่ซับซ้อน “แน่นอน เราหวังว่างานของเราจะสนับสนุนให้เพื่อนทดลองทดสอบการคาดการณ์ของเรา”

แองเจิล รูบิโอ ผู้อำนวยการด้านทฤษฎีของ MPSD รู้สึกยินดีกับความสามารถใหม่เหล่านี้: “ทฤษฎีและการจำลองเชิงตัวเลขในแผนกของเราเป็นองค์ประกอบสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีที่มีศักยภาพรุ่นใหม่ทั้งหมด ที่สำคัญกว่านั้น จะสนับสนุนให้นักวิจัยทบทวนปัญหาเก่าที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับโครงสร้างของสสาร”

รูบิโอมองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับบทบาทของการวิจัยขั้นพื้นฐานในด้านนี้ "ร่วมกับความก้าวหน้าในการทดลอง เช่น ในการผลิตที่มีการควบคุมและการวัดโครงสร้างอะตอมที่แม่นยำและคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของพวกมัน เรากำลังรอคอยการค้นพบที่ยิ่งใหญ่" ในความเห็นของเขา นักวิทยาศาสตร์กำลังจะเข้าสู่ยุคใหม่ของการออกแบบอะตอมของฟังก์ชันการทำงานของสารประกอบเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในวัสดุสองมิติและโมเลกุลที่ซับซ้อน

M.A. Sentef และคณะ ควอนตัม-อิเล็กโทรไดนามิกโพลาริโทนิกคัปปลิ้งอิเล็กตรอน-โฟนอนและอิทธิพลที่มีต่อตัวนำยิ่งยวด, Science Advances (2018)

เมื่อปลายเดือนพฤษภาคมปีที่แล้ว หนังสือพิมพ์ยอดนิยมหลายฉบับเต็มไปด้วยพาดหัวข่าวว่า "นักวิทยาศาสตร์ได้พลังงานจากสุญญากาศ!" เจ้าของปั๊มสุญญากาศถูมืออย่างมีความสุข และในความฝันก็เห็นว่าตนเองเป็นผู้มีอำนาจใหม่ อย่างไรก็ตาม พลังงานฟรีจากสุญญากาศยังไม่ปรากฏในตลาด

ในปี 1948 นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวดัตช์ Hendrik Casimir และ Dirk Polder เพื่อค้นหาคำอธิบายเกี่ยวกับคุณสมบัติของฟิล์มคอลลอยด์ ได้พิจารณาปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลที่แยกขั้วซึ่งกันและกันด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฎว่าแรงดึงดูดของโมเลกุลโพลาไรซ์กับแผ่นโลหะนั้นแปรผกผันกับกำลังสี่ของระยะห่างระหว่างพวกมัน

แต่นี่ไม่ใช่จุดสิ้นสุดของเรื่อง Casimir พูดคุยถึงการค้นพบของเขากับ Niels Bohr ซึ่งตั้งข้อสังเกตว่าสิ่งดึงดูดใจสามารถอธิบายได้ด้วยวิธีที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง จากนั้นได้รับการพิสูจน์แล้วว่าอนุภาคเสมือนของสูญญากาศทางกายภาพส่งผลต่อระดับพลังงานของอิเล็กตรอนภายในอะตอม (Lamb shift) จากข้อมูลของ Bohr เอฟเฟกต์ที่คำนวณโดย Casimir อาจมีลักษณะเหมือนกันทุกประการ เมียร์มีการคำนวณที่สอดคล้องกันและได้รับสูตรเดียวกัน

เอฟเฟกต์คาซิเมียร์

ในปีเดียวกันนั้น Casimir ได้เสนอตัวอย่างที่เรียบง่ายและแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงพลังของสุญญากาศ ลองนึกภาพแผ่นนำไฟฟ้าแบบแบนสองแผ่นวางขนานกัน ความหนาแน่นของโฟตอนเสมือนระหว่างกันจะน้อยกว่าภายนอก เนื่องจากมีเพียงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่เรโซแนนซ์ที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดเท่านั้นที่จะสามารถตื่นเต้นได้ที่นั่น เป็นผลให้ในช่องว่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกความดันของก๊าซโฟตอนจะน้อยกว่าแรงดันจากภายนอกเพราะจะถูกดึงดูดซึ่งกันและกันและอีกครั้งด้วยแรงที่แปรผกผันกับกำลังสี่ของ ความกว้างของช่อง (เมื่อเพลตเข้าใกล้กัน ชุดของความถี่ที่อนุญาตของคลื่นนิ่งจะลดลง เพื่อให้ความหนาแน่นแตกต่างระหว่างโฟตอน "ภายใน" และ "ภายนอก" เพิ่มขึ้น) ในความเป็นจริง แรงดึงดูดดังกล่าวจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนในระยะห่างหลายไมโครเมตร ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์คาซิเมียร์

จากมุมมองที่ทันสมัย
มันคือความผันผวนของสุญญากาศที่ก่อให้เกิดแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล ดังนั้นพวกมันจึงปรากฏตัวเมื่อรูปร่างต่าง ๆ (ไม่จำเป็นต้องแบน) ที่ทำจากโลหะหรือไดอิเล็กทริกเข้าใกล้กัน คนแรกที่ค้นพบเมื่อครึ่งศตวรรษก่อนเป็นสมาชิกของแผนกทฤษฎีของสถาบันปัญหาทางกายภาพ Evgeny Lifshits, Igor Dzyaloshinskii และ Lev Pitaevskii พวกเขายังแสดงให้เห็นว่าภายใต้เงื่อนไขบางประการ แรงดึงดูดของ Kazimir จะถูกแทนที่ด้วยความรังเกียจ การยืนยันการทดลองที่เชื่อถือได้ของการมีอยู่ของสถานที่ดังกล่าวได้รับในปี 1997 โดย Steve Lamoreau, Umar Mohidin และ Anushri Roy แรงผลักของ Kazimierz ถูกวัดครั้งแรกในปี 2009 โดยกลุ่มที่นำโดย Jeremy Munday

ย้ายกระจก

ในปี 1970 เจอรัลด์ มัวร์ นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอเมริกัน แบรนไดส์ ตีพิมพ์บทความที่เขาพิจารณาในทางทฤษฎีเกี่ยวกับพฤติกรรมของสุญญากาศในโพรงที่ล้อมรอบด้วยกระจกเงาระนาบคู่ขนานหรือบรรจบกันสองบาน เขาแสดงให้เห็นว่ากระจกดังกล่าวสามารถขยายความผันผวนของสุญญากาศ... และทำให้เกิดโฟตอนจริง อย่างไรก็ตาม ตามการคำนวณของมัวร์ ในการสร้างโฟตอนในปริมาณที่ประเมินค่าได้ กระจกต้องมีความเร็วเชิงสัมพันธ์ ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 ปัญหาความผันผวนของสุญญากาศ "สะสม" ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนสนใจ การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีแสดงให้เห็นว่าสุญญากาศสามารถผลิตโฟตอนได้จริง ไม่เพียงแต่ใกล้กับวัตถุที่มีความเร็วต่ำกว่าแสง แต่ยังใกล้กับวัสดุที่เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าหรือแม่เหล็กของพวกมันอย่างรวดเร็ว การเปลี่ยนแปลงของความผันผวนของสุญญากาศเสมือนเป็นควอนตาจริงนี้เรียกว่าเอฟเฟกต์คาซิเมียร์แบบไดนามิกหรือไม่อยู่กับที่

กระจกเสมือน โฟตอนจริง

เอฟเฟกต์ Casimir ตามปกติคือการดึงดูดของแผ่นคู่ขนานสองแผ่นเนื่องจากการ "เลือก" ของคลื่นนิ่งเรโซแนนซ์ระหว่างพวกมัน เอฟเฟกต์ไดนามิกบ่งบอกถึง "การทำให้เป็นเสมือน" ของโฟตอนระหว่างการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว (สัมพัทธภาพ) ของกระจก เป็นที่ชัดเจนว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะทำซ้ำรูปแบบดังกล่าวด้วยวิธีทางกลล้วนๆ ดังนั้นกลุ่มจากมหาวิทยาลัย Chalmers ในโกเธนเบิร์กจึงใช้กระจก "เสมือน" - ด้วยความช่วยเหลือของการสั่นของสนามแม่เหล็กพวกเขาจึงเปลี่ยนความยาวของท่อนำคลื่นซึ่งก็คือ คล้ายกับการเคลื่อนที่ของขอบเขตด้วยความเร็วสัมพัทธภาพ

จนกระทั่งเมื่อไม่นานนี้ การศึกษาเหล่านี้จำกัดอยู่ที่ทฤษฎีบริสุทธิ์ แน่นอนว่าการทำสำเนาแบบแผนของมัวร์โดยตรงนั้นอยู่เหนือพลังของเทคโนโลยีสมัยใหม่ ซึ่งไม่สามารถเร่งกระจกที่ทำจากวัสดุใดๆ ให้เร็วขึ้นได้ มีการกล่าวถึงอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงสำหรับการสังเกตเอฟเฟกต์ Casimir แบบไดนามิกซ้ำแล้วซ้ำเล่าในเอกสารทางวิทยาศาสตร์ เช่น เครื่องสั่นแบบเพียโซอิเล็กทริก และเครื่องสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ที่ทำงานในสาขานี้เชื่อว่าการทดลองเหล่านี้มีความเป็นไปได้ค่อนข้างมาก

การตรวจสอบในทางปฏิบัติ

คริสโตเฟอร์ วิลสันและเพื่อนร่วมงานของเขาที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers ในเมืองโกเธนเบิร์กของสวีเดน พร้อมด้วยเพื่อนร่วมงานจากออสเตรเลียและญี่ปุ่นเป็นคนแรกที่ประสบความสำเร็จ การ "สร้างใหม่" ของโฟตอนเสมือนเกิดขึ้นใกล้กับท่อนำคลื่นอลูมิเนียมที่เชื่อมต่อกับอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ควอนตัมตัวนำยิ่งยวด (ทางแยกอุโมงค์โจเซฟสันสองจุดเชื่อมต่อแบบขนานในวงจรปิด) ผู้ทดลองเปลี่ยนการเหนี่ยวนำของวงจรนี้โดยส่งฟลักซ์แม่เหล็กผ่านมัน โดยสั่นที่ความถี่ประมาณ 11 GHz ความผันผวนของการเหนี่ยวนำส่งผลต่อความยาวไฟฟ้าของท่อนำคลื่น ซึ่งแกว่งด้วยความเร็วเชิงสัมพันธ์อย่างสมบูรณ์ (ประมาณหนึ่งในสี่ของความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในท่อนำคลื่น ซึ่งประมาณเท่ากับ 40% ของความเร็วแสงในสุญญากาศ) . ท่อนำคลื่นตามที่คาดไว้ปล่อยโฟตอนที่สกัดจากความผันผวนของสุญญากาศ สเปกตรัมของรังสีนี้สอดคล้องกับการคาดการณ์ทางทฤษฎี

อย่างไรก็ตาม เป็นไปไม่ได้ที่จะใช้การติดตั้งนี้เพื่อรับพลังงานจากสุญญากาศ: พลังงานของรังสีที่ได้นั้นอ่อนกว่าพลังงานที่ต้องสูบเข้าไปในอุปกรณ์อย่างมากมาย เช่นเดียวกับอุปกรณ์อื่นๆ ที่สามารถใช้สังเกตเอฟเฟกต์ Casimir แบบไดนามิกได้ โดยทั่วไปแล้ว สูญญากาศไม่ใช่ชั้นที่มีน้ำมันเลย