진공을 이용하는 이유에 대해서

진공을  이용하는 이유에 대해서

진공 사용하는 이유는?개인적으로 크게 5가지정도로 분류하고 이를 이야기하고져함니다.

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1.차압의 이용

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저진공 영역에서 진공을 사용하는 목적은 압력 차이를 이용하는 것이겠지요.

수용액 등을 여과할 경우에 용액을 받는 쪽의 용기를 부압으로 하는 흡인여과를 알고 있다면 '차압의 이용'은 알기 쉬울 것입니다.

차압의 위력을 보여준 유명한 마그데부르크의 반구도 여기에 해당합니다.

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빨판은 가장 가까운 예입니다.

흡반을 유리등의 평탄한 면으로 밀어 넣으면, 흡반과 평면 사이의 공기는 쫓겨나.다음으로 흡반을 당기면 (거창하게 말하면) 보일의 법칙에 따라 이 공간의 압력은 떨어져 평면으로 흡착하게 됩니다.

이 경우 (이것도 과장되지만) 흡반과 평면이 진공용기를 구성해 흡반 자신이 진공펌프로도 작용하게 됩니다.

만약 공간의 압력이 대기압보다 충분히 낮으면 냉장고나 차의 앞유리에 붙어 있는 흡반이라도 단순 계산하면 수kg중의 무게를 견딜 수 있게 됩니다.

그러나 실제로 측정한 것은 아니기 때문에 구체적인 값을 알고 계신 분은 알려 주세요.

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대기압은 절대압력으로 1atm정도이기 때문에 차압의 최대치도 1atm입니다.

즉, 아무리 저압측(진공측)의 압력을 열심히 내려도 별 의미가 없습니다.

예를 들어 저압측이 0.1atm과 0.01atm인 경우를 생각해 보면, 차압은 모두 거의 1atm이며, 이용할 수 있는 힘은 거의 같습니다.

압력을 한 자리 낮추기 위해서는 비용도 시간도 들기 때문에 차압을 이용하는 경우에는 대기압의 몇 분의 1까지 낮추면 충분합니다.

혹은 더 작은 차압이라도 상관없는 경우도 종종 있습니다.

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2.건조.

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비커 안에 있는 수용액의 수분을 제거하고 싶은 경우에는 가열하도록 합니다.

온도가 높을수록 물의 증기압도 높아져 빨리 증발하기 때문입니다.

그러나 열에 의해 분해되는 성분이 녹아 있는 경우에는 진공 중에 건조하는 것이 효과적입니다.

이는 일단 증발한 수분자가 신속하게 제거되고 다시 응축될 확률이 현저히 줄어들기 때문입니다.

계산상으로는 매우 짧은 시간에 건조하게 됩니다.

생물 시료에서는 동결해 두었다가 진공 중에 건조하는 진공 동결 건조를 사용하기도 합니다.

증기압이 낮기 때문에 증발 속도는 느려지지만 공기에 노출되어 있는 동안 산화하거나 상온에 방치하면 분해되어 버리는 시료에 특히 효과적입니다.

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3.방전 플라즈마

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형광등과 핵융합로(주1)를 병기하고 있는 것은 상당히 난폭하지만 플라즈마 이용이라는 점에서는 동일합니다.

단 형광등(수 100Pa)과 핵융합로(mPa 정도)에서는 압력범위는 전혀 다르다.

진공으로 하는 이유는 두 가지가 있는데 하나는 목적으로 하는 기체 이외를 제거하는 것, 다른 하나는 이온 등의 평균 자유행정을 길게 하여 방전을 효율적으로 지속시키는 것입니다.

전자의 목적을 위한 진공은 여기에 나타낸 범위와는 다르므로 주의해 주십시오.또한 방전 현상은 대기압(벼락)이나 그 이상의 압력(고압수은등)에서도 발생하기 때문에 나타낸 압력 범위는 단순한 기준입니다.

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4.증착

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텅스텐 보트와 알루미늄 혈 안에서 금속 등을 가열하여 그 증기를 기판에 붙이는 이른바 진공 증착입니다.

공기 분자가 남아 있으면 텅스텐과 시요금속이 산화하므로 높은 진공이 필요합니다.

또한 시료속이 증착할 때 주위의 기체분자를 흡수하면 증착막의 성분이나 성질이 변하기 때문에 주위의 압력은 증기압에 비해 충분히 낮아야 한다는 것도 고진공으로 만드는 이유입니다.

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5.하전 입자 비임

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전자 빔과 이온 빔을 통틀어 하전 입자 빔이라고 하는 것입니다.

빔의 진로에 기체 분자가 존재하면 빔이 산란되거나 하전 변환 반응을 일으키기 때문에 고진공이 필요합니다.

조금 딱딱한 단어를 사용하면, 진공 사용 이유는 잔류하고 있는 기체 분자와의 상호 작용 확률을 줄이기 위해서, 라는 것입니다.

덧붙여 짧은 거리를 통과하면 된다면, 더 높은 압력이라도 상관없고, 스토리지 링과 같이 전자를 언제까지나 링 속을 계속 돌게 하기 위해서는, 더 낮은 압력-초고진공-이 필요하게 됩니다.

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6.표면 물리

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진공으로 하는 목적은 주위의 기체 분자가 시료 표면에 충돌하는 빈도를 극단적으로 줄이기 위해서입니다.

0.1mPa의 고진공 중조차도 몇 초 동안 고체의 표면에 충돌하는 분자의 수는 고체 표면에 노출된 원자의 수와 거의 비슷해집니다.

만약 충돌한 분자가 모두 부착되어 버리면 원래의 고체를 구성하는 원자는 숨어버려 표면의 성질이 변할 수 있다.

그래서 통상은 0.1μPa이하의 초고진공중에 시료를 넣고 어떤 방법(스패터세척이나 벽개 등)으로 시료표면을 청정하게 해두고 나서 그 성질을 조사한다.

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(주1) 토카막으로 대표되는 자기장 폐쇄형 핵융합로이다.단,

핵융합로 자체는 실현되지 않았기 때문에 핵융합실험장치나 플라스마 실험장치가 이에 상당한다.

 

스마트계측기 (smartinst.co.kr)

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