Vakuum
In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit dem Vakuum. Du erfährst unter anderem was es ist und wo es genutzt wird.
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Inhaltsübersicht
Vakuum einfach erklärt
Die Bezeichnung Vakuum hat verschiedene Definitionen. In der theoretischen Physik wird damit meist ein Raum ohne Materie bezeichnet. Im Ingenieurwesen oder der angewandten Physik wird damit stattdessen ein Raum bezeichnet, in dem der Druck deutlich geringer als der atmosphärische Druck ist.
Eine „natürliche Quelle“ eines Vakuums ist der Weltall. Dieser fällt in die zweite Definition. Auch wenn du im Weltall den Eindruck erhältst, dass keine Materie vorhanden ist, so befinden sich in jedem Kubikmeter ein paar Wasserstoffatome.
Im täglichen Alltag kannst du auf Vakua in Form von Staubsaugern oder Vakuumverpackungen treffen. In der Forschung hingegen sind Vakua für Elektronenmikroskope, Teilchenbeschleuniger oder empfindliche Detektoren von entscheidender Bedeutung.
Was ist ein Vakuum
In diesem Abschnitt schauen wir uns an, was du unter Vakuum verstehen kannst, welche Eigenschaften diesem zugeordnet werden können und wie es erzeugt werden kann.
Vakuum Definition
Wir betrachten zwei verschiedene Definition des Vakuums: Einem „idealen“ oder „perfekten“ und einem „realen“ oder „technischen“.
Ein Vakuum ist ein Raum ohne Materie.
Was genau bedeutet „ohne Materie“? Darunter zählen nicht nur Atome oder Moleküle, sondern auch jegliche Form elektromagnetischer Strahlung (wie etwa das der Sonne oder die Wärmestrahlung eines Körpers mit einer Temperatur größer als Null Kelvin) oder Teilchenstrahlung (wie etwa Neutrinos). Diese Art des Vakuums hat vor allem in der theoretischen Physik seine Anwendung als ein theoretisches Modell.
Jeder Raum, in dem der Druck deutlich geringer als der atmosphärische Druck ist.
Für „deutlich gering“ gibt es keine festgelegte Grenze. Stattdessen gibt es unterschiedliche Bezeichnungen, je nachdem wie das Verhältnis zwischen dem Druck in diesem Vakuum und dem atmosphärischen Druck ist. Je kleiner dieses Verhältnis ist, umso näher kommt das technische Vakuum dem idealen Vakuum. Weiter unten geben wir dir dazu eine übersichtliche Tabelle.
Dielektrizitätskonstante, Permeabilität und Lichtgeschwindigkeit
In der Elektrodynamik (ein Teilbereich der theoretische Physik) ist das perfekte Vakuum ein häufig verwendetes Modell eines Raums, in dem elektromagnetische Effekte (wie elektrische und magnetische Felder oder die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ) behandelt werden.
Hierfür entscheidende Eigenschaften des idealen Vakuums sind
(1) Die Dielektrizitätskonstante (auch Permittivität genannt) des Vakuums, abgekürzt mit , besitzt den Wert
;
(2) Die Permeabilität (auch magnetische Feldkonstante genannt) des Vakuums, abgekürzt mit , besitzt den Wert
;
(3) Licht ist eine elektromagnetische Welle und kann sich daher auch im Vakuum ausbreiten. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt dabei
.
Vakuumpumpe und Vakuum erzeugen
Die Definition des Vakuums als ein Raum ohne Materie gibt dir bereits einen Hinweis, wie es erzeugt werden kann: Die Materie in einem Raum muss entfernt werden.
Dazu werden verschiedenen Formen von Vakuumpumpen verwendet. Unabhängig von der Bauform und Funktionsweise haben sie als Ziel, so viel Materie wie möglich aus einem Raum abzupumpen. In Kombination dazu werden auch hohe Temperaturen in einem Bereich von etwa 130°C bis 200°C verwendet.
Die Dauer der Erzeugung eines Vakuums hängt von seiner Qualität ab, also wie es an ein ideales Vakuum herankommt. Der Prozess kann von wenigen Minuten zu Stunden bis hin zu mehreren Tagen oder Wochen dauern.
Hochvakuum und Ultrahochvakuum
Für die Erzeugung eines Hochvakuums wird eine Kombination aus mechanischen Vakuumpumpen und direkte Heizung in einem Temperaturbereich von 130°C bis 200°C verwendet.
Mit nicht-mechanischen Pumpen, sogenannten Ionengetterpumpen und Titansublimationspumpen, kann der Druck weiter reduziert werden, um ein Ultrahochvakuum zu erreichen.
Durch Kühlfallen kann der Druck auf dem Druckbereich des extrem hohen Vakuums verringert werden.
Vakuum Druckbereiche
In einem idealen Vakuum herrscht ein Druck von 0 Pascal. Bei technischen Vakua ist der herrschende Druck nicht eindeutig definiert. Stattdessen findest du für verschiedene Druckbereiche unterschiedliche Bezeichnungen. Diese Druckbereiche sind in der folgenden Tabelle mit Beispielen aufgelistet:
Qualität des Vakuums | Druckbereich (in Pascal (Pa)) | Beispiel |
Normaldruck/Atmosphärischer Druck | Umgebende Luft | |
Grobvakuum | bis | alte Glühlampen |
Feinvakuum | bis | moderne Präzisionspendeluhren |
Hochvakuum (HV) | bis | Teilchenbeschleuniger, Elektronenmikroskop |
Ultrahochvakuum (UHV) | bis | Gravitationswellendetektor, Teilchenbeschleuniger |
extrem hohes Vakuum (XHV) | Weltraum, kryogene Vakuumkammern | |
Weltraum | bis | — |
ideales Vakuum | 0 | — |
Vakuum Anwendung
Vakua finden in unterschiedlichen Bereichen ihre Anwendung.
- Im täglichen Alltag in Form von Staubsaugern oder Vakuumverpackungen;
- In der Industrie finden Vakua beispielsweise in der Entgasung, Gefriertrocknung oder Wärmebehandlung von Metallen ihre Anwendung;
- In der Forschung werden Vakua in Elektronenmikroskope, Teilchenbeschleuniger oder Detektoren verwendet.
Je nach Anwendungsgebiet unterscheidet sich die geforderte Qualität des Vakuums. Für Vakuumverpackungen reicht zum Beispiel ein Grobvakuum, während für Teilchenbeschleuniger Hoch- oder Ultrachochvakua benötigt werden.