Занимательная радиотехника

Раздел: Техника

На вопрос «что такое вакуум?» обычно отвечают: «пространство с разреженным воздухом» или «пространство внутри сосуда, из которого выкачан воздух».

Можно ли удовлетвориться подобными ответами? Всякую ли степень разрежения можно назвать вакуумом и находится ли степень вакуума в какой-либо связи с атмосферным давлением?

Действительно, предположим, что в баллоне воздух разрежен в 10 000 раз по сравнению с его плотностью при нормальном атмосферном давлении, т. е. давление внутри баллона равно 0,076 мм ртутного столба. Будет ли в баллоне вакуум? И можем ли мы продолжать считать, что в баллоне вакуум, если этот баллон поднят на высоту 100 км над поверхностью земли, где давление воздуха составляет всего 0,007 мм ртутного столба? Ведь в этом случае плотность воздуха внутри баллона станет в 10 раз большей, чем снаружи. Если баллон непрочен, то его разорвет, как бомбу. Где же теперь будет вакуум — внутри баллона или снаружи?

Современная физика связывает понятие вакуума не с величиной давления вне или внутри сосуда, а с длиной свободного пробега молекул газа внутри него. Молекулы газов находятся в беспрерывном хаотическом тепловом движении, достигающем больших скоростей: при комнатной температуре скорость теплового движения молекул воздуха составляет около 450 м в секунду, т. е. приближается к скорости пули. Двигаясь во всех направлениях, молекулы постоянно сталкиваются друг с другом. Чем плотнее воздух, тем больше молекул заключается в единице объема и тем чаще молекулы будут сталкиваться.

Если воздух разредить, то молекулы будут сталкиваться менее часто. В среднем им придется пролетать больший путь между двумя столкновениями. Путь, который молекуле приходится пролетать между двумя столкновениями, и называется длиной свободного пробега.

Вакуумом с физической точки зрения считается такое разрежение, при котором длина свободного пробега больше размеров сосуда. В этом случае столкновения молекул будут редки, большая часть молекул в своем движении от одной стенки сосуда до другой не встретится с другими молекулами.

При разрежении в миллион раз (при давлении порядка 0,001 мм) средняя длина свободного пробега молекулы воздуха- равна 10 см. Так как размеры баллона обычных приемно-усилительиых ламп меньше 10 см, то с точки зрения физики пространство внутри этих ламп уже при подобном разрежении можно считать вакуумом.

Но для хорошей работы вакуумной лампы лампы такая степень вакуума недостаточна. Электроны, в огромном количестве летящие от катода лампы к ее аноду, будут все же встречать на своем пути довольно много молекул воздуха, столкновения электронов с ними зультате этих столкновений молекулы воздуха ионизируются, анодный ток резко возрастает, положительные ионы оседают на отрицательно заряженной сетке, изменяют ее заряд, а следовательно, и характер работы лампы. В приемниках и усилителях это, в частности, приводит к сильным искажениям. Поэтому в радиолампах добиваются значительно большего разрежения, доходящего обычно до 10~7 мм (0,0000001 мм), т. е. давление понижается примерно в десять миллиардов раз по сравнению с нормальным атмосферным давлением. При таком разрежении длина свободного пробега молекул измеряется километрами, и на пути от катода к аноду примерно лишь один электрон из миллиона может встретиться с молекулой воздуха. Столь редкие столкновения не могут вредно отразиться на работе лампы.

При таком огромном разрежении, какое достигается в радиолампе, в ней остается примерно одна десятимиллиардная часть того количества воздуха, которое было до откачки. Уменьшение в десять миллиардов раз — колоссальное уменьшение. Если бы расстояние от Земли до Солнца уменьшилось в 10 миллиардов раз, то Землю и Солнце разделяли бы всего 15 м — ширина среднего размера улицы. Земля, уменьшенная в такое число раз, превратилась бы в крупинку диаметром около 1 мм.

И все-таки при подобном разрежении в баллоне электронной лампы обычных размеров, например, 6КЗ, остается еще 40 • 1012 (сорок триллионов) молекул.

Это число огромно. Самые мелкие маковые зернышки имеют -в диаметре около 0,5 мм. Разместив их правильными рядами, мы сможем уложить в одном кубическом миллиметре восемь зернышек. Какой же объем займут сорок триллионов таких зернышек?

Несложный подсчет покажет, что для хранения подобного количества маковых зернышек потребуется помещение емкостью пять тысяч кубических метров, т. е. куб со стороной около 17 м.

Но молекулы настолько малы, что для размещения их в количестве даже десятков триллионов нужен совсем микроскопический объем. Диаметр молекулы газа в среднем равен 1«10~6 мм — одной миллионной миллиметра. Если те сорок триллионов молекул, которые остались в баллоне лампы, уложить плотно одну к другой, то они займут объем всего лишь 4 • 10~5 мм. Этот объем в 250 миллионов раз меньше объема баллона лампы. При равномерном размещении внутри баллона лампы всех оставшихся в ней после откачки молекул в каждом кубическом миллиметре окажется около 80 000 молекул.

 Это число тоже очень велико, но чтобы составить правильное представление о том, на каком расстоянии молекулы будут находиться друг от друга, надо перевести все

величины в привычные нам масштабы.

При равномерном распределении 80 000 молекул в одном кубическом миллиметре они будут находиться друг от друга на расстоянии примерно 0,02 мм. Это расстояние в 20 000 раз больше диаметра молекулы. Перейдем к астрономическим масштабам. Земля удалена от Луны на расстояние, примерно в 25 раз превышающее диаметр Земли. Округляя, можно считать, что Земля находится от Луны в 1 ООО раз ближе, чем молекула от молекулы в баллоне лампы. Чтобы еще лучше представить это себе вернемся к маковым зернышкам. Два мельчайших маковых зернышка, разнесенные на расстояние, в 20 ООО раз превышающее их диаметр, будут отстоять друг от друга на 10 м. В переводе на привычные нам масштабы жилплощади это составляет два маковых зернышка в комнате площадью в 50 м2.

Итак, два маковых зернышка в огромной комнате — вот плотность размещения молекул газа в электронной вакуумной лампе после откачки. Естественно, что электроны, летящие от катода к аноду, почти не встречают на своем пути молекул воздуха; такие встречи возможны лишь в виде крайне редких исключений.