진공: 두 판 사이의 차이
내용 삭제됨 내용 추가됨
편집 요약 없음 |
잔글 봇: 틀 이름 및 스타일 정리 |
||
6번째 줄:
=== 고대 그리스 ===
그리스 철학자들은 [[원자설]]을 바탕으로 빈 공간과 진공의 존재성에 대해 많은 토론을 했다. 특히 [[플라톤]]은 진공이라는 개념을 상당히 추상적인 개념으로 보고 많은 사람들에게 알렸지만, 진공의 추상적인 개념은 실질적이지 못하다는 이유 때문에 한계를 맞게된다. 이것은 의미나 느낌으로 이해할 수가 없었고, 물리적 [[부피]]이외에는 그에 대해 더 이상의 설명을 할 수 없었다. [[아리스토텔레스]]는 [[밀도]]가 높은 주의의 물질의 연속체들이 신속하게 초기의 희박함을 채울 것이기 때문에 자연적으로 진공이 생길 수 없다고 믿었다. 그의 저서 ''[[Physics (Aristotle)|Physics]]'' 중 4번째 책을 보면 아리스토텔레스는 진공에 대해 여러 가지를 주장을 했다는 것을 알 수 있다. 그는 저항이 없는 [[매질]]을 통과하는 움직임은 움직임이 중간에 멈춰야 할 이유가 없기 때문에 끊임없이 계속 되어야 한다고 말했다. [[루크레티우스]]는 기원전 1세기에 진공의 존재성에 대해 논했고, [[헤론]]은 1세기에 직접 진공을 만들려고 노력했지만 실패했다.<ref name="genz">{{
=== 10세기 ===
중세의 중앙아시아에서, 이슬람 물리학자 [[알 파라비]](Al-Farab)(Alpharabius, 872-950)는 진공에 관한 작은 실험을 했다. 그는 물 위에서 뜬 [[플런저]]를 관찰했는데 결론적으로, 공기의 부피는 가능한 공간을 모두 채울 수 있게 확장할 수 있다고 주장했다.<ref>{{
=== 13세기 14세기 ===
[[베이컨]], 블라시우스, 월터 벌리 등의 유럽 의 13, 14세기 학자들은 진공과 관련된 이슈들에 상당한 관심을 가졌다. 예를 들어, [[스토아 학파]]를 보면, 14세기의 학자들은 아리스토텔레스 진공은 연속적이어서 생길 수가 없다는 관점을 벗어났다는 것을 알 수 있다. 이러한 진공에 대한 생각들은 후에 17세기에 진공에 대한 자연적 관심과 이론적 관심들을 분리시키는데 도움을 주었다.<ref name="Barrow2002">{{
=== 17세기 ===
* '''[[토리첼리]]'''<ref> [http://www.mcallister.com/vacuum.html] .</ref>
최초로 실험실에서 진공상태를 유지할 수 있게 해 주는 장비는 토리첼리의 수은 기압계였다. 중세에는 두 판 사이를 빨리 떨어뜨리면, 순간적으로 진공이 만들어 진다고 생각했다. 이에 대한 토론이 많았는데, 두 판 사이가 진공이 된다고 주장하는 사람이 있는 반면, 공기가 충분히 빠르게 빈 공간을 채워서 진공이 안 생긴다고 주장하는 사람도 있었다.
참고로, 1643년 이탈리아의 물리학자 토리첼리는 [[수은]] 기둥을 이용해 다음과 같은 실험을 고안하였다.
# 긴 유리관에 수은을 가득 채운다.
# 그 유리관을 수은이 담긴 그릇 안에 뒤집어 세운다.
32번째 줄:
# 그 반구들의 끝부분에 각각 말을 여러마리씩 묶어놓고 말을 서로 반대방향으로 채찍질하여 반구를 떼어내게 시켰다.
# 결과는 말을 8마리씩이나 써야 반구가 떨어졌다.
이 실험은 게리케가 기압에 의한 힘이 얼마나 큰지를 많은 사람들 앞에서 증명해준 실험이었다.
* '''[[블레즈 파스칼]]'''
[[블레즈 파스칼]]은 [[파스칼 법칙]]으로 유명한데 그는 파스칼 법칙을 해석하면서 진공에 의해 작용되는 압력은 0이라고 주장하였다.
* '''[[크리스티안 하위헌스]]'''
하위헌스는 [[파동]] 이론으로 많이 알려져 있지만, 그는 진공 연구에 있어서도 많은 진전을 일궈내었다. 그는 최초로 현실적인 보급가능한 진공펌프를 개발하는데 성공한다.
* '''다른 과학자들'''
[[로버트 보일]]은 이 디자인을 발전시켜 연구했다. 그 뒤 1850년까지 부분 진공에 대한 연구가 진전이 없다가 그 이후 [[도플러]]가 도플러 펌프를 발명하고, [[하인리히 게이슬러]]가 수은 펌프를 1855년에 발명했다. 이는 10 Pa에 해당하는 부분 진공을 가졌다. 그 후에 그전까지는 대기상에서 진행되었던 전기실험들을 진공 상태에서 행할 수 있게 되었고, 이는 이후에 오는 과학 혁명에 큰 기여를 했다.
48번째 줄:
=== 20세기 ===
* '''[[폴 디랙]]<ref> [http://navercast.naver.com/contents.nhn?contents_id=1901] </ref>'''
1930년, [[폴 디랙]]은 우주공간에는 무한히 많이 존재하는 전자들이 무한히 많은 음의 에너지의 상태들 중에서 일부 상태들에만 채워져 있는 것이 아닌 각각 상태들마다 한개씩 또한 하나도 남김없이 채우고 있다고 생각했다. 바닷물이 바다를 채우고 있듯이 전자들이 온 우주의 음의 에너지 상태에 채워져 있기에 이것을 ‘디랙의 바다’라고 부른다. 이 이론은 디랙 방정식에 대한 추측들 즉,
# 모든 전자들은 같은 에너지 상태에 여러개가 존재할 수 없다는 [[파울리 배타 원리]]를 따른다.
# 높은 에너지 상태에 존재하는 전자는 낮은 에너지 상태가 비어있을 경우 두 에너지의 차이에 해당하는 에너지를 방출하고 낮은 에너지 상태로 간다.
63번째 줄:
실험적으로 아무런 [[아원자 입자|입자]]도 존재하지 않는 [[공간]]을 만들 수는 없기 때문에, [[대기압]]보다 낮은 [[압력]]을 가지는 [[계 (물리학)|계]]는 전부 진공이라고 부른다.
=== 고전적인 [[전자기파]]의 관점에서의 진공 ===
고전적인 전자기파의 관점에서, 진공은 전자기파의 효과가 일어나는 표준이 되는 매질이라고 생각한다. 몇몇의 과학자들은 이 표준을 고전 진공이라고도 한다.
고전 전자기파이론에서는 진공 혹은 자유 공간은 다음의 성질을 갖는다
-전자기파가 SI 단위계에서 빛의 속력 299,792,458 m/s로 움직인다.<ref name=NISTc>
{{
-파동의 중첩원리가 성립한다.<ref>
{{서적 인용
|author = Chattopadhyay, D. and Rakshit, P.C.
|title = Elements of Physics: vol. 1
94번째 줄:
-임피던스값은 다음과 같이 된다.
''Z''<sub>0</sub> ≈ 376.73 Ω<ref name=NISTz>
{{
</ref>
100번째 줄:
===[[음극선]] 실험과 진공<ref> [http://navercast.naver.com/contents.nhn?contents_id=174] </ref> ===
음극선관을 처음으로 연구하기 시작한 사람은 [[패러데이]] 이다. 19세기말에 높은 [[전압]]을 유리관의 각 끝에 있는 금속판에 걸게 되면 유리관 안에 [[방전]]현상이 일어나고 번쩍거리는 현상을 발견하였다. 이 사실은 당시에 엄청난 과학적 관심을 불러일으켰었다. 양극판 사이에 흐르는 방전효과라고 과학자들은 보고 그 현상을 '음극선'이라고 명명하였다. 이러한 음극선은 유리관안에 공기가 많이 들어있으면 방해를 받아 잘 흐르지 못했다. 그리하여 과학자들이 유리관 안의 공기를 진공펌프를 이용하여 빼내었고 그것이 음극선관의 시초이다. 진공기술이 좋지 않았던 초기의 음극선관은 성능이 좋지 않았다. 독일의 유리 기구 제작자이며 엔지니어였던 [[가이슬러]]가 비로소 진공 기술을 높인 음극선관을 만들어 음극선관을 만들었고 이를 가이슬러관이라고 부르게 되었다. 가이슬러관이 발명되어서 비로소 음극선의 흐름이 제대로 관찰될 수 있었다. 이후에 영국의 [[크룩스]]가 가이슬러관의 진공도보다 더 높은 진공도를 갖는 음극선관을 개발하였는데 이를 크룩스관이라고 부른다.
과학자들은 이후에 이러한 음극선관을 이용하여 음극선이 과연 전하의 흐름인가에 대한 해답을 제시할 수 있는 여러 가지 실험을 하였다. 먼저 [[헤르츠]]가 1880년대 실험을 해보았고 음극선이 [[전하]]의 흐름이 아니라고 결론지었다. 그 이유는 음극선에 [[전기장]]을 걸어주었을 때 음극선이 편향되지 않았었기 때문이었다. 하지만 이 결론 역시 음극선관의 진공도가 좋지 않았기 때문이었다. 그 이후에 [[톰슨]]은 입자의 빔이 맞다는 사실을 실험으로 보여주게 된다.
앞서 말했듯이 톰슨과 헤르츠의 실험의 차이는 바로 진공 기술의 차이였다. 사실 음극선 유리관 안에 기체가 많을수록 전기장에 효과가 줄어들었고 공기의 방해 때문에 전하의 편향효과를 관찰할 수 없었다. 하지만 톰슨은 관속에 남아있는 기체를 가능한 많이 제거하고자 장치의 열을 오랜시간동안 가하고 진공펌프를 오랫동안 가동시키는등 헤르츠가 하지 않은 방법으로 더 나은 진공을 만들어내었다. 실제로 톰슨은 헤르츠의 실험이 잘못되었음을 자신실험기구에서 헤르츠의 실험을 재연했을 때 편향효과가 일어나지 않음으로써 확인하였다.
106번째 줄:
=== 진공의 질 ===
진공의 질은 그 계 안에 남아 있는 물질들의 양에 의해 결정된다. 그래서 높은 질의 진공계 안에는 아주 적은 양의 물질들만이 남아 있다. 진공은 주로 그 진공의 절대 압력으로 측정되지만 진공을 확실하게 특정 짓기 위해서는 온도나 화학적 구성 같은 다른 요소들도 측정되어야 한다. 가장 중요한 요소들 중 하나는 남아 있는 기체 분자들이 서로 부딪히기 전에 평균적으로 이동한 거리, 즉 평균 자유 경로(mean free path(MFP))이다. 기체의 밀도가 낮아질수록 평균 자유 경로의 값은 증가하며 평균 자유 경로의 값이 방, 펌프, 우주선 또는 진공이 있는 그 공간보다 길면 유체역학의 연속체 가정(continuum assumptions of fluid mechanics)이 성립하지 않는다. 이 진공의 상태를 고진공이라고 부르며, 이 공간을 흐르는 유체에 대한 연구를 기체 입자 역학(paticle gas dynamics)이라 한다.대기압에서의 공기의 평균 자유 경로는 70nm로 매우 짧으나 상온, 100mPa에서의 공기의 평균 자유 경로는 100mm 정도로 길다. 크룩스 방사계는 그 것들의 날개들의 길이가 평균 자유 경로보다 작을 때에 작동한다.
진공의 질은 진공을 만드는 기술이나 진공을 측정하는 기술에 의해 더 세분화된다. 이 범위는 전 세계적으로 정해진 것은 아니지만 보통의 분포는 다음을 따른다.<ref>{{
{| class="wikitable" style="text-align:left"
139번째 줄:
진공은 압력의 단위로 측정되며, 보통 지구의 대기압에 대해 상대적으로 측정된다. 그러나 상대적으로 측정될 수 있는 진공의 양은 각 지역의 조건에 따라 다르다. 지구의 대기압보다 압력이 훨씬 높은 목성의 표면에서는 더 높은 진공 상대 측정이 가능할 것이다. 대기가 거의 없는 달의 표면에서는 그 지역의 환경에 대해 상대적으로 측정할 수 있는 진공을 만드는 것이 아주 힘들 것이다. 비슷하게, 지구의 깊은 바다에서는 보통보다 훨씬 높은 진공 측정이 가능하다.
* '''정역학 진공계'''
'''정역학 진공계'''는 다른 압력에 노출되어 있는 액체의 기둥으로 구성되어 있다. 그 기둥은 각각의 끝 부분의 압력 차에 의해 그 무게가 평형을 이룰 때까지 높이가 유동적으로 움직인다. 가장 간단한 예는 한 쪽이 닫혀 있는 자 모양 튜브인데 그 한 쪽 부분은 우리가 관심 있는 대상과 이어져 있다. 어떤 유체든지 사용될 수 있으나, 높은 밀도와 낮은 증기압을 가진 수은이 선호된다. 간단한 정역학 진공계는 1 torr부터 대기압 이상까지의 압력을 측정할 수 있다. 정역학 진공계의 변형 중 중요한 맥라우드 진공계는 부피를 이미 알고 있는 진공을 격리하고 액체 기둥의 높이 변화를 늘릴 수 있게 압축한다. 맥라우드 진공계는 10−6 torr (0.1 mPa)만큼 높은 진공을 측정할 수 있으며, 이 것은 현재 기술로 직접적으로 측정할 수 있는 가장 낮은 압력이다. 다른 진공계들은 더 낮은 압력도 측정할 수 있지만, 다른 압력에 의해 조절되는 성질들에 의해 간접적으로 측정할 수 있을 뿐이다. 이런 간접적인 측정은 직접적인 측정을 통해 영점조절이 돼야 하며 보통 맥라우드 진공계가 거기에 사용된다.<ref name=measure>{{
* '''기계 진공계*'''
146번째 줄:
열전도 진공계는 압력의 감소에 따라 기체가 열을 더 잘 전달한다는 사실에 기반한다. 이런 종류의 측정기에서는 와이어 필라멘트가 그에 흐르는 전류에 의해 가열된다. 열전대 또는 저항측온기(RTD)는 그 필라멘트의 온도를 측정하는데 사용될 수 있다. 이 온도는 필라멘트가 근처의 기체들에 열을 빼앗기는 속도에 관계되어 있기에, 결국 열전도도에 관련이 있다. 일반적인 변종(variant)은 피라니 진공계로 하나의 플라티늄 필라멘트를 가열된 원소, RTD 이 두 가지로 사용한다. 이 측정기들은 10 torr to 10−3 torr까지의 압력 하에 정확하나, 이 측정기들은 측정되는 기체의 구성성분에 의해 영향을 받는다.
* '''이온 게이지'''
이온 게이지는 초고진공에 사용된다. 이 측정기들은 열음극과 냉음극 이 두 가지 종류로 나뉘어 진다. 열음극 형태의 경우에는 전기에 의해 가열된 필라멘트가 전자 빔을 생성한다. 그 전자들은 측정기를 통과해 지나가며 근처의 기체 분자들을 이온화한다. 그 결과로 나온 이온들은 음극에 모인다. 그에 의한 전류는 이온의 개수에 비례하며, 결국 측정기 안의 압력에 비례하게 된다. 열음극 측정기는 초고진공에 사용된다.. 10−3 torr 부터 10−10 torr의 범위까지 정확하다. 냉음극 측정기의 원리도 전자들이 고압의 방전에 의해 생성된다는 것 외에 똑같다. 냉음극 측정기는 10−2 torr 부터 10−9 torr의 범위에서 정확하다. 이온화 진공 게이지의 영점 조절은 만들어진 구조, 측정되는 기체의 구성성분, 부식과 표층 퇴적물에 아주 민감하다. 이온화 진공 게이지의 영점조절은 대기압 또는 저진공의 환경에 의해 무효화될 수 있다. 고진공에서의 기체의 구성성분은 보통 예측불가능하며 그래서 질량 분석계와 이온화 진공 게이지를 같이 써야 정확한 측정이 가능하다.<ref>{{
== 우주 공간 ==
166번째 줄:
방금까지 설명한 것들은 그저 진공펌프의 기본적인 원리들과 진공펌프의 일부분을 소개한 것에 지나지 않는다. 그 외에도 다양한 용적펌프를 포함한 다른 펌프들이 개발되어왔다. 실제로 운동량 전달 펌프는 용적 펌프보다 훨씬 좋은 효율을 가지게 된다.
어떠한 펌프로 만들 수 있는 최소의 압력은 그 펌프 자체의 성능뿐만 아니라 사용되는 펌프의 개수에도 의존된다. 많은 펌프들은 직렬로 연결되어 더 좋은 진공을 만들어낼 수 있다. 용기의 기하적 구조, 유입구멍의 크기와 모양, 재질 등 모든 것들이 펌프의 성능을 좌지우지한다. 이러한 것들을 통틀어 진공 기술이라고 부른다. 그리고 그저 낮은 압력을 만들어내는 것만이 진공펌프의 성능은 아니다. 낮은 압력을 만들어내는데 걸리는 시간 그리고 공기가 새는 것을 방지하는 능력 등 여러 요인이 좋은 펌프를 결정한다.
초고진공계에서는 공기가 새는 세밀한 경로나, 아웃게싱이 일어나는 원인 물질등 많은 것이 고려 되어야 한다. 백금족 원소 팔라듐과 알루미늄의 흡습성, 스테인리스 철과 [[티타늄]]의 흡착성은 분명히 초고진공계를 구성하는데에 고려가 되어야 한다. 뿐만 아니라, 기계를 구성하는데 필수적인 윤활유들도 아웃게싱을 일으킬 수 있으므로 분명히 고려되어야 한다. 큰 영향력을 행사하지는 않지만, 진공계의 용기의 벽의 투과성과 이음부분의 플랜지의 이음방향 역시 고려는 되어야 한다.
최근에 만들어진 가장 좋은 진공계가 10<sup>-13</sup> [[토르 (단위)|토르]] 를 형성한다고 한다.<ref>{{
=== 진공 생성의 한계 -아웃게싱 ===
| |||