Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Vakuum – technologie moderní doby

číslo 2/2003

Hlavní články

Vakuum – technologie moderní doby
Technologie ano, zdroj energie však nikoliv!

doc. Ing. Martin Libra, CSc.,
Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta

Úvod redakce

V poslední době se ve světovém tisku objevily informace o tzv. vynálezu získávání volné energie z vakua. Tyto úvahy chiméricky zapadají do kontextu hledání nových, resp. jiných zdrojů energie, a to na pozadí statistik o úžících se zásobách fosilních paliv na Zemi a taktéž s nezasvěcenými rozpaky nad přijímáním energie z jaderných elektráren.

Obr. 1.

„Neomezené množství volné energie„, a navíc z vakua, je však neodborně a klamavě pojatá „naděje lidstva„ na vyřešení problému výroby a zásobování energií. Vakuum je jedna z technologií moderní doby, avšak není a nemůže být zdrojem energie. Proč?! „Vakuum„ je abstraktní pojem pro „absolutní prázdno„ – prostředí, ve kterém nejsou mechanické částice ani plyny, ani páry. Takový stav je však idealizace. Ideální „prázdno„ není v pozemských podmínkách vůbec dosažitelné, ovšem ani ve vesmíru neexistuje žádná oblast absolutně bez látkových částic. Nejméně existuje i ve vesmíru gravitační a elektromagnetické pole (teoreticky podle A. Einsteina jednotné unitární pole (viz slovníček 1)), tedy i zde je vakuum fyzikálním prostředím. Jako takové ovšem vakuum jak v praxi, tak i podle kvantové teorie nemůže být nikdy absolutní, zcela prázdné.

Vakuum je stav systému s nejmenší možnou energií, tzn. že nic nemůže mít menší energii než vakuum, a proto ani není možné z vakua žádnou energii odčerpat.

„Kvantové vakuum" (kvantovou mechanikou teoreticky uvažované fyzikální prostředí, nutně však obsahující částice) též nikdy není prázdné, protože by to odporovalo „vztahu neurčitosti„ mezi energií a časem.

Heisenbergův princip neurčitosti (zjednodušeně) – nelze současně určit polohu částice v čase a zároveň její energii. Určení polohy částice a hybnosti částice se navzájem vylučuje. Měříme-li polohu částice, změníme zároveň její energii.

V „kvantovém vakuu„ tedy neustále samovolně vznikají a zanikají částice, nelze však v jednom okamžiku změřit, a už vůbec ne odebrat(!), jejich energii. Zákon zachování energie, ač se to na první pohled nezdá, i v tomto případě platí a lze jej dokázat jako důsledek symetrie přírodních zákonů.

„Průmyslové vakuum„ (v průmyslové či výzkumné praxi využívané) je takové „prázdno„, které vždy obsahuje určité množství částic plynů a par, a to v takovém stavu, že tlak těchto plynů (nebo jejich směsí) je menší než okamžitý atmosférický tlak při normální teplotě.

Průmyslově je vakuum jako technologické prostředí využíváno již desítky let ve fyzice (hmotová spektrometrie iontů), medicíně, elektrotechnice (polovodičová technika), chemickém a automobilovém průmyslu, jaderné energetice (testování tlakových nádob reaktorů a potrubí) atd.

Co do „kvality„ se vakuum využívané v současnosti dělí podle tlaku do čtyř skupin:

Obr. 2.
  1. hrubé: 105 až 102 Pa
  2. jemné: 102 až 10–1 Pa
  3. vysoké: 10–1 až 1 · 10–6 Pa
  4. ultravakuum: nižší než 1 · 10–6 Pa

Vakuum jako fyzikální prostředí má elektrickou permitivitu a magnetickou permeabilitu µ.

Permitivita e (materiálová, dříve dielektrická konstanta) charakterizuje elektrické vlastnosti dielektrika, „schopnost„ materiálu polarizovat se v elektrickém poli (např. vzduch má permitivitu 1,006 =1, speciální keramické hmoty 102 ÷ 104 atd.).

e0 – permitivita vakua: 8,854 · 10–12 F/m

Permeabilita µ charakterizuje magnetické vlastnosti prostředí, poměr mezi magnetickou indukcí a intenzitou magnetického pole.

µ0 = 1/e0 c2 kde c je rychlost světla ve vakuu: (2,997 924 580 ± 0,000 000 012) · 108 m·s–1

µ0 – permeabilita vakua: 4 10–7 H/m

Jestliže se čas od času objevují náznaky vynálezů zdroje energie z vakua, pomíjejí jejich objevitelé zákon zachování energie a „princip neurčitosti„ si modifikují na přesvědčení, že vakuum je stále plné samovolně vznikajících částic, a tedy plné energie.

Zjednodušeně totiž tyto hypotézy staví na „poznatku„, že každá částice s elektrickým nábojem (protony – náboj kladné polarity, elektrony – náboj záporné polarity, náboj elektronu –e = –1,602 · 10–19 C) sama o sobě vyzařuje energii. Pak stačí oddělit kladné náboje od záporných a takto vzniklý dipól bude sám zdrojem volně plynoucí energie.

Omyl!! Elektrický náboj v klidu nevyzařuje žádnou energii, je pouze zdrojem elektrostatického pole. Převážná část elektrotechnických zařízení využívá účinky nábojů pohybujících se za jednotku času, čili elektrického proudu. Elektrický proud může mít různé formy, budí ve svém okolí elektrické i magnetické pole (fyzikálně jednotné elektromagnetické pole) a užití elektrické energie je dáno jeho elektromagnetickými a elektrodynamickými účinky. Technickými prostředky docilujeme výroby, ale i spotřeby elektrické energie, ovšem kryté jinou formou energie (mechanickou, tepelnou).

Vakuum je i v kvantové mechanice definováno jako stav systému s nejmenší možnou energií, tzn. že systém nemůže klesnout na nižší energetickou hladinu, a není ani možné z vakua nějakou energii uvolnit. Pojem „volné energie„ sice skutečně i v technice existuje, je tomu tak ale v oboru termodynamiky, kde v tepelných strojích lze využít pouze určitou (volnou) část energie, ostatní energie je v termodynamickém systému pevně vázána.

Koneckonců zeptejme se „objevitelů“ s tro­chou ironie, proč ekonomicky i technicky náročně vytvářet vakuum jako zdroj energie, když by podle výše uvedeného principu „dipólu„ stačilo „cucat„ energii z každého kamenu?

O účelném průmyslovém využití vakua hovoří následující článek.

Redakce ELEKTRO

Vakuum – technologie 21. století

Devatenácté století bylo jistě právem nazýváno stoletím páry, protože vynález parního pohonu způsobil převrat v tehdejší úrovni techniky a v rozvoji průmyslu i dopravy. V následujícím 20. století se vývoj natolik urychlil, že bez nadsázky lze tento věk nazývat vědecko-technickou revolucí. Převratných objevů bylo tolik, že bychom těžko hledali ten jediný a nejvýznamnější, který by toto století charakterizoval. Nejprve bylo 20. století nazýváno stoletím elektřiny, později stoletím jaderné energie, stoletím kosmonautiky a nakonec stoletím elektroniky. Jistě by se našla i jiná, stejně výstižná označení. Dovolme si trochu romantiky a zamysleme se, jaké bude asi označení pro 21. století?

Obr. 3.

Dnes, když elektronika a zvláště mikroelektronika ovládla svět, patří polovodičový průmysl k nejdůležitějším odvětvím. Ale právě většina polovodičových technologií je nedílně spojena progresívním fyzikálním prostředím - s vakuem. Jmenujme např. tenkovrstvové technologie vakuového napařování, klasického i magnetronového naprašování, plazmochemické metody depozice tenkých vrstev, nástřik vrstev metodou spreje či metody dopování polovodičů iontovou implantací.

Ačkoliv na hotovém přístroji spotřební či průmyslové elektroniky vakuum na první pohled není vidět, k výrobě přístroje bylo nezbytné. Bez dalšího bouřlivého rozvoje a miniaturizace elektroniky, a zvláště výpočetní techniky, si dnešní ani budoucí svět vůbec nedovedeme představit. Rovněž vysoce náročná špičková zařízení, jakými jsou velké urychlovače částic a tokamaky (viz slovníček 2) pro výzkum jaderných reakcí, vysokoteplotního plazmatu a řízené termonukleární syntézy, se neobejdou bez ultravysokovakuových čerpacích systémů. O mnoha dalších oborech, jako je např. světelná technika apod., ani nemluvíme.

Přestože vakuum vyplňuje skoro celý vesmír, v našem světě v zemské biosféře se samovolně nevyskytuje a vytvořit ho můžeme jen ve složitých zařízeních špičkové technické úrovně.

Stejně jako mnoho jiných oborů i vakuová technika prošla dlouhým vývojem. Prvními průkopníky, kteří se zabývali vakuem na vědecké bázi, byli v sedmnáctém století G. Galilei (1564 - 1642) a dále i I. Newton (1643 - 1727), když řešili problém, proč sacím čerpadlem není možné vyčerpat vodu výše než do necelých deseti metrů. E. Torricelli (slovníček 3) jejich závěry po vykonání svého známého pokusu (Torricelliho trubice – slovníček 4)) zobecnil a ukázal, jak lze jednoduše vytvořit vakuum, či z dnešního hlediska lépe řečeno snížený tlak. V době, kdy O. Guerricke (slovníček 5) předváděl „magdeburské polokoule„ (slovníček 6, 1672, podle některých pramenů 1650 – pozn. red.), bylo vakuum ještě spíše pouhou kuriozitou bez využití v praxi (lidé žasli při pohledu na několik párů koní, které jen stěží od sebe odtrhly polokoule, z nichž byl vyčerpán vzduch – obr. 4). O jedno z prvních praktických využití vakua se zasloužil Thomas Alva Edison (1847–1931, slovníček 7), když roku 1879 zkonstruoval žárovku s uhlíkovým vláknem umístěným ve vakuové baňce.

Od té doby metody získávání vakua i jeho měření prodělaly dlouhý vývoj. Rozvinuly se i fyzikální teorie netěsností, natékání plynů, chování plynů na rozhraní vakua a stěny a teorie sorpce (zachycování kapalné nebo plynné složky směsi na povrchu tuhé fáze) a desorpce (opak absorpce) stěn. Rozvoj některých oborů měl i zpětné vazby na jiné obory. Například technologie získávání vysokého vakua po zkonstruování difuzních olejových vývěv a později i turbomolekulárních vývěv umožnily rozvoj hmotové spektrometrie iontů. Ta potom zpětně umožnila rozvoj technologie hledání netěsností založené na hmotové spektrometrii iontů helia, což se významně promítlo do práce konstruktérů i uživatelů nejen vakuové techniky. Hledání netěsností již v průběhu výrobního procesu podstatně zvyšuje spolehlivost výrobků a bez těchto kroků se již neobejde např. výroba mrazicích systémů ledniček, brzdových a klimatizačních systémů automobilů apod. ani náročné testování např. tlakových nádob jaderných reaktorů či parovodních okruhů elektráren.

Obr. 4.

Současné vysoké požadavky na čistotu a kvalitu vakua vyžadují nové směry ve vývoji vakuové techniky. Současným trendem jsou suché bezolejové čerpací systémy, neboť čistota vakua je limitujícím prvkem mnoha špičkových technologií. Například je-li dnes stupeň integrace na polovodičových čipech tak vysoký, že dopované oblasti mají rozměry jen několika elementárních buněk krystalu, nečistoty v podobě molekul olejových par snižují výtěžnost výroby, v krajním případě mohou výrobu i znemožnit. Takovými moderními suchými vývěvami jsou např. membránové nebo Rootsovy vývěvy, jakožto primární stupeň, a turbomolekulární nebo sorpční vývěvy, jakožto sekundární stupeň. Na obr. 1 je vakuová technika ALCATEL CIT, na obr. 2 jsou suché čerpací systémy v polovodičové výrobě a na obr. 3 je laboratorní zařízení na depozici tenkých vrstev metodou vakuového napařování.

Budeme tedy 21. století nazývat věkem elektroniky, či vakua? Časem se asi nabídnou i další možnosti, jako např. věk alternativních zdrojů energie nebo věk termonukleární syntézy jader. Jistě přijdou i další objevy, které budou symbolické pro svou dobu. Každou dobu charakterizuje více specifik, záleží na úhlu pohledu, který zvolíme.

Slovníček pojmů – vakuum

1/Albert Einstein (*14. března 1879 - † 18. dubna 1955), německý fyzik a matematik. Nobelovu cenu získal v roce 1921, nikoliv však za teorii relativity, ale za práce pro rozvoj teoretické fyziky, zejména za objev zákona fotoelektrického efektu. Deset let A. Einstein hledal řešení pro nejasnosti kolem základů teorie elektromagnetického pole a objevil je ve speciální teorii relativity, jejímž nejdůležitějším závěrem je vztah mezi energií a hmotností, známý jako E = mc2.
Světový význam získal Einstein pracemi v kvantové teorii světla, objasněním fotoelektrického efektu, teorií Brownova pohybu a speciální teorií relativity (toto převratné dílo vytvořil ve svých 26 letech).
Všeobecnou teorii relativity, ve které objasnil souvislost mezi gravitací a geometrickými vlastnostmi prostoru a času, potvrdila astronomická měření, a Einsteinovi se tak zřejmě podařilo pochopit vesmír jako celek. Svým výzkumem naznačil snahu dospět k poznání jednotného, unitárního pole, sjednocujícího vlastnosti elektromagnetického i gravitačního pole, totožného v celém vesmíru. Tento úkol však již nedokončil.

2/tokamak - náročné technické zařízení ke studiu řízené termojaderné reakce, obvykle ve tvaru toroidního prstence, s náplní plazmatu reagujících nuklidů. Plazma se ohřívá indukovaným elektrickým proudem a prostorově se stabilizuje v magnetickém poli. Experimentálně bylo dosaženo teplot plazmatu až desítek mil. K.

3/Evangelista Torricelli (*15. 10. 1608, † 25. 10. 1647), italský fyzik a matematik. Působil na Akademii ve Florencii. Žák G. Galileiho. Položil základy hydrodynamiky, mj. odvodil vztah pro rychlost vytékající kapaliny otvorem nádoby. V roce 1643 vynalezl rtuťový barometr, dokázal existenci atmosférického tlaku (Torricelliho trubice). Zabýval se studiem pohybu tělesa, geometrickými křivkami (dílo Opera geometrica - Geometrická práce).
Původně po Torricellim pojmenovanou jednotku tlaku – Torr – dnes již není dovoleno používat. 1 Torr = 133,322 Pa.

4/Torricelliho trubice - asi 1m dlouhou trubici Torricelli na jednom konci zatavil a celou ji naplnil rtutí. Druhý konec utěsnil palcem, obrátil ji dnem vzhůru a uzavřený konec vložil do misky se rtutí. Když palec uvolnil, hladina rtuti v trubičce sice poklesla, ale stále byla výše než hladina v misce. V horní části trubičky se vytvořilo asi 250mm dlouhé vakuum. Bylo to první známé uměle vytvořené vakuum. Torricelli usoudil, že rtuť v trubičce je držena hmotností vzduchu, která se projevuje tlakem na rtuť v misce. Tím dokázal existenci atmosférického tlaku a hmotnostní povahu vzduchu.
Francouzský matematik Blaise Pascal zopakoval Torricelliho pokus s tím rozdílem, že místo rtuti použil červené víno (!). Protože víno je 15× lehčí než rtuť, byl také sloupec vína 15× vyšší než rtuťový. Aby ověřil Torricelliho domněnku, vystoupil Blaise Pascal společně se svým bratrem s podobným zařízením na nedaleký vrchol Puy de Dome (1054m) a zjistil, že čím stoupá výše, tím více klesá hladina rtuti (celkem o 76mm). Pochopil, že je to způsobeno tím, jak klesá tlak vzduchu s přibývající nadmořskou výškou. Tak byl vynalezen přístroj k měření tlaku vzduchu. Jméno barometr mu dal anglický fyzik a chemik Robert Boyle. Slovo barometr pochází z řeckých slov baros (hmotnost) a metron (měřit).

5/Otto von Guerricke (* 20. 11. 1602, † 11. 5. 1686), německý fyzik a přírodovědec, jeden ze zakladatelů aeromechaniky; pomocí tzv. magdeburských polokoulí prokázal existenci atmosférického tlaku. V roce 1650 vynalezl a při praktických pokusech uplatnil vzduchovou pumpu – vývěvu.

6/magdeburské koule (obr. 4) – Guerricke vzájemně spojil dvě kovové polokoule koženým těsněním a pumpou z nich vyčerpal vzduch. Atmosférický tlak okolního vzduchu spojil polokoule takovou silou, že ani 16 koní zapřažených ve čtyřech párech ke každé polokouli v opačných směrech nedokázalo polokoule od sebe oddělit. To se podařilo až poté, co Guerricke do koule napustil vzduch.

7/Thomas Alva Edison (*1. 2. 1847, † 18. 10. 1931), americký vynálezce a průkopník co nejširšího užití elektrické energie. Podobně jako u mnoha jiných vynálezů, i u elektrické žárovky je dnes zcela jisté, že elektřinou napájené žárovky existovaly už před Edisonem. Např. německý hodinář H. Goebel sestrojil žárovku s uhlíkovým vláknem ve vzduchoprázdné skleněné baňce a používal ji k reklamě na střeše svého domku v New Yorku. To však nijak nesnižuje Edisonovo úsilí o „vynalezení“ žárovky. Ta byla výsledkem jeho stovek, tisíců pokusů (a omylů, neboť T. Edison údajně nesnášel matematiku a vědecké postupy odvozování) s nejrůznějšími materiály.
Po 6 000 pokusech se jako nejvhodnější materiál pro vlákno žárovky ukázal zuhelnatělý bambus. Edison také dospěl k názoru, že prostředí, ve kterém může zářit vlákno jej nesmí okysličovat. To znamenalo skleněnou baňku vyčerpat, to znamenalo vakuum!
První Edisonova žárovka se krátce rozzářila na jaře 1879. Skutečně dlouhodobě svítící žárovku (45 hodin) Edison rozsvítil 21. října 1879. Později životnost žárovky zvýšil až na 300 hodin. V roce 1881 se už parník (!) Columbia rozzářil světlem 350 žárovek.
Zásluha T. A. Edisona zásluha spočívá „pouze„ v tom, že z žárovky udělal nejrozšířenější praktické osvětlovací zařízení. T. A. Edison byl nejen vynikající vynálezce, ale snad ještě lepší podnikatel.
V roce 1883 objevil T. Edison tzv. Edisonův jev, kdy se ve vakuu šíří elektrický proud mezi dvěma dráty, které se vzájemně nedotýkají. Tento objev později vedl k vytvoření elektronky. Některé prameny připisují objev Williamu J. Hammerovi, který u Edisona pracoval.