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Vakuumtechnik
Vakuumtechnik
Auf der Erde kann man ein Vakuum herstellen, indem man einen abgeschlossene Hohlraum vom darin enthaltenen Gas mittles geeigneter Vakuumpumpen befreit.
Das einfachste Gerät zum Herstellen eines (minderwertigen) Grobvakuums ist die Wasserstrahlpumpe.
Spezialpumpen oder Kühlfallen reduzieren die Gasmenge weiter.
Es ist allerdings nicht möglich, ein perfektes Vakuum herzustellen.
Man unterscheidet in der Technik unterschiedliche Qualitäten der erzielten Vakua nach der Menge der verbleibenden Materie (gemessen durch den Druck in Pa = Pascal oder mbar = millibar):
Technische Vakua finden Anwendung in der Forschung, in der Elektronenmikroskopie und in der Fertigung von Mikroelektronik. Auch im Innenraum von Bildröhren von Fernsehern oder Monitoren herrscht Hochvakuum vor, um die Streuung der Elektronenstrahlen gering zu halten.
Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Verpackung von Lebensmitteln mittels Vakuum. Diese werden dann von gasdichten Kunststoffhüllen umschlossen und sind durch die Abwesenheit des 'alternden' Luftsauerstoffs länger haltbar. Neben Erdnüssen werden auch Fleisch und Fleischwaren sowie Käse 'vakuumiert'.
Vakuum im Weltraum
Das im Weltraum im interstellaren Raum oder im intergalaktischen Raum auftretende Vakuum ist im Allgemeinen dünner als jedes auf der Erde herstellbare Vakuum.
Allerdings ist auch der Weltraum nicht völlig leer (durchschnittlich ein Teilchen pro cm³).
Geschichte des Vakuums
Die Idee des Vakuums stammt wahrscheinlich von Leukipp oder seinem Schüler Demokrit. Diese nahmen an, dass die Materie aus unteilbaren Atomen aufgebaut ist, die sich im leeren Raum, also im Vakuum, bewegen. Diese Annahme wurde aber vor allem von Aristoteles und seiner Akademie abgelehnt, da sich Aristoteles eine Bewegung ohne treibendes Medium nicht denken konnte. Auch die Platonische Schule lehnte es ab, an das nicht-Seiende zu glauben. Im Mittelalter galt Aristoteles als Autorität, weshalb die Idee vom Vakuum sich erst mit den ersten Demonstrationen durchsetzen konnte,
Das erste Vakuum wurde von Evangelista Torricelli mit der Hilfe einer Quecksilbersäule in einem gebogenen Glasrohr hergestellt.
Populär wurde das Vakuum durch Otto von Guericke.
Er spannte Pferde an zwei Metallhalbkugeln, aus denen er vorher die Luft herausgesaugt hatte. Der beobachtete Effekt ist allerdings weniger eine Eigenschaft des Vakuums, als vielmehr des Drucks der umgebenden Luft (siehe Magdeburger Halbkugeln).
Die Streuversuche von Ernest Rutherford (1911) zeigten, dass Alpha-Teilchen eine Goldfolie ohne Widerstand durchqueren können. Dies zeigte, dass die Masse von Atomen im Kern zentriert ist. Darauf aufbauend entwarf Niels Bohr ein Modell, nach dem die Elektronen den Atomkern umkreisen, wie die Planeten die Sonne. Im Inneren der Atome schien also ein Vakuum zu herrschen. Obwohl man diese Sichtweise noch gelegentlich in der Literatur antrifft, gilt das innere der Atome heute als von den Aufenthaltsbereichen der Elektronen (Orbitale) ausgefüllt.
Das Vakuum in der modernen Physik
In der Quantenfeldtheorie erscheint das Vakuum als ein dynamisches Medium mit vielfältigen Eigenschaften (siehe Vakuumfluktuationen). Auch die in der heutigen Kosmologie wieder notwendige kosmologische Konstante soll ihren Ursprung in den Vakuumfluktuationen haben.
Eigenschaften und Anwendungen des Vakuums
Licht, Teilchen, Festkörper, statische elektrische, magnetische und Gravitationsfelder breiten sich im Vakuum aus; dagegen benötigen Schallschwingungen ein materielles Medium und können sich daher im Vakuum nicht ausbreiten.
Das Vakuum ist kein Lebensraum, da Lebewesen auf Materie zu ihrem Stoffwechsel angewiesen sind.
Allerdings können viele Lebewesen (Bakterien, Pflanzen) einen gewissen Zeitraum im Vakuum überleben.
Auch Tiere explodieren oder verkochen nicht, wenn sie dem Vakuum kurzzeitig ausgesetzt sind. Allerdings tritt in kurzer Zeit der Tod durch Ersticken ein.
Die Materielosigkeit des Vakuums bedingt, dass es Wärme und Strom schlecht leitet. Die Verhinderung von Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmeleitung (Phononenschwingungen) findet Anwendung in der Thermoskanne (Dewar-Gefäß). Die hohe elektrische Durchschlagfestigkeit im Hochvakuum wird in Vakuumkondensatoren der Hochleistungselektronik und dem Hochspannungsteil von evakuierten Röntgenröhren genutzt. Es gibt jedoch einen Druckbereich in dem Luft sogar schneller durchschlägt als bei Normaldruck und der in bestimmten Bereichen schon als Vakuum bezeichnet wird (10e-2 - 10e-3mbar).
Das Gefriertrocknen etwa von Kaffee, Tee, Gemüse oder Blut ist kein Effekt des Vakuums, sondern durch die Siedepunktverminderung von Wasser bei tiefem Druck bedingt.