Вакуум: страх пустоты, дружба с электронами и межгалактическое пространство

Мы привыкли, что все окружающее нас — материально и ощутимо. Но что, если отсутствие вещества не только можно измерить, но и использовать для работы огромного количества приборов? Разбираемся в истории развития вакуумной электроники и объясняем, почему даже космос нельзя считать идеальным вакуумом.

Что такое вакуум и пустой ли он?
О существовании вакуума спорили со времен Древней Греции. Такие философы как Левкипп, Демокрит, Эпикур, Лукреций и их последователи обсуждали его в контексте атомизма — теории, согласно которой все материальные вещи состоят из пустоты и атомов. Аристотель же придерживался мнения, что «природа не терпит пустоты». Даже ноль долгое время не принимался в математике как число, а считался условным символом. 

Термин vacuus переводится с латыни как «пустота», но дословно толковать понятие не стоит. Технически вакуум  —  сильно разряженный газ. То есть количество молекул газа в закрытом герметичном сосуде намного меньше, чем в воздухе, а значение атмосферного давления ниже стандартного (1 атм).

Итальянский математик и физик Эванджелиста Торричелли в XVII веке доказал существование вакуума с помощью опыта с ртутью. Однако, помня о спорах вокруг самой идеи «пустого пространства», скрыл открытие от общественности. Ученый рассказал о результатах эксперимента только в письмах другу математику Микеланджело Риччи.

В октябре 1644 года французский математик Марин Мерсенн посетил Торричелли, который повторил для него эксперимент и дал ему копии писем к Риччи. Мерсенн передал их Блезу Паскалю и впервые публично рассказал о работе итальянского физика. Это открытие стало точкой отсчета для изучения вакуума и создания электровакуумных приборов.

Опыт Торричелли

Запаянную с одной стороны стеклянную трубку ученый наполнил ртутью, закрыл пальцем горлышко и, перевернув, опустил в чашу, наполненную тем же металлом. После того, как трубку открыли, часть ртути из нее вылилась, а в верхней части сосуда образовалось безвоздушное пространство — «Торричеллиева пустота». Высота столба ртути оказалась равна 760 миллиметрам от уровня жидкости в чаше. Так Торричелли открыл атмосферное давление и вакуум.

Как и где используют вакуум?
Первый прибор на основе вакуума — электронную лампу, или диод — изобрел английский ученый Джон Фле­мин­г в 1904 году. Она представляла собой стеклянный баллон, внутри которого находились два электрода. Катод был покрыт веществом, которое при накаливании испускало электроны. При подаче на анод положительного напряжения они притягивались к нему — так появлялся ток. Диоды использовали в XX веке в качестве усилителей, генераторов и детекторов.

В вакуумных электронных приборах заряженные частицы беспрепятственно двигаются между анодом и катодом с высокими скоростями. Это позволяет  генерировать или усиливать радиочастотные сигналы высокой мощности — электромагнитные волны с длиной волны от 1 мм (меньше рисового зерна) до 10 000 км (больше радиуса Земли).

В 1907 году американский инженер Ли де Форест изобрел трех­элек­трод­ную лам­пу, или трио­д. В ней между анодом и катодом расположена сетка, которая регулирует ток в лампе. На сетку подается напряжение, которое создает электрическое поле. Регулируя его напряжение, можно контролировать количество пролетающих электронов. Это изобретение при­ве­ло к бур­но­му раз­ви­тию ра­дио­свя­зи и ра­дио­ве­ща­ния в 1910–1920-х годах.

В 1930-х годах были созданы электронно-лучевые приборы. Их работа основана на потоке электронов, сфокусированных в луч. Этот узкий пучок электронов, контролируемый по интенсивности и положению, взаимодействует с неподвижной мишенью — экраном прибора. Такие устройства используют для преобразования электрического сигнала в оптический. Например, для создания телевизионного изображения.

В 1879 году английский физик Уильям Крукс для исследования катодных лучей сконструировал прообраз электронно-лучевого прибора. С его помощью Вильгельм Рентген открыл X-лучи — излучение, способное проникать сквозь многие материалы без отражения. 

Подробнее о развитии рентгенодиагностики читайте в статье рубрики.

В 1930–40-х годах был разработан класс приборов, основанных на взаимодействии элек­тро­нов с элек­тро­маг­нит­ны­ми микроволновыми по­ля­ми, — СВЧ-электроника. Сегодня эти приборы используются в системах усиления и генерации мощных радиочастотных сигналов (300 МГц – 300 ГГц).

Несмотря на развитие полупроводниковой электроники, при­бо­ры на основе вакуума остаются не­за­ме­ни­мыми для ра­дио­ве­ща­ния, те­ле­ви­де­ния, ус­ко­рительной тех­ни­ки, кос­мической связи и в других областях. В основном это связано с ма­лыми те­п­ло­выми по­те­рями и, как след­ст­вие, вы­со­ким КПД при­бо­ров (до 90 % и бо­лее).

Самый простой прибор с вакуумом — ртутный градусник. При увеличении температуры металл расширяется, а для точности работы из трубки термометра откачивают воздух.

Где в природе можно найти вакуум?
Человек научился создавать вакуум в лабораторных условиях и применять его во благо людей. Однако это физическое явление намного масштабнее. Так как определение вакуума базируется на атмосферном давлении, космическое пространство также можно считать пустым.

Особенность космического вакуума — чрезвычайная разнородность структуры. Вселенная представляет собой бескрайнее, бездонное вместилище неравномерно распределенной твердой, жидкой, газообразной и плазменной материи. Но даже космос нельзя назвать идеальным вакуумом: в одном кубическом сантиметре межпланетного и межзвездного пространства находится от 11 целых до 1 миллионной молекулы.

текст: Олеся ЛЕДОВИЧ
иллюстрации: Википедия, Control Engineering Russia, Encyclopedia Britannica