Fakultät für Physik

Physikalisches Praktikum P2 für Studierende der Physik

Versuch P2-41, 42, 44 (Stand: April 2024)

Raum F1-19

Vakuum

Motivation

Die Abwesenheit von Materie im leeren Raum bezeichnen wir als Vakuum. Die Vorstellung von Raum ohne Materie wurde sowohl von Platon, als auch von Aristoteles, der eine "Abneigung der Natur gegen das Leere" postulierte, die später als horror vacui bekannt wurde, abgelehnt. Auch Descarte, der Namensgeber unseres kartesischen Koordinatensystems, war davon überzeugt, dass es "keinen materiefreien Raum geben könne". Die Überzeugungen solcher Autoritäten der frühen Wissenschaft wurden nur mühsam durch Experimente im Laufe der Renaissance widerlegt. Das erste von Menschen geschaffene Vakuum ist 1644 von Evangelista Torricelli überliefert. Populär wurden die 1657 publikumswirksam von Otto von Guericke in Szene gesetzten Experimente mit den evakuierten Magdeburger Halbkugeln. Noch bis zum Scheitern des berühmt gewordenen Michelson-Morley Experiments war man von der Existenz eines allumfassenden Äthers überzeugt, der den somit "nicht-leeren" Raum ausfüllen und in dem sich das Licht ausbreiten sollte. Der Ausgang des Rutherford-Experiments deutete schließlich darauf hin, dass sich zwischen dem Atomkern, auf den sich die gesamte Masse des Atoms konzentriert und seiner Hülle im wesentlichen nichts befand. Heute würden wir selbst einen von aller Materie befreiten Raum nicht als "leer" bezeichnen, weil er sowohl elektromagnetische Strahlung, Gravitationswellen, als auch allgemeine Quantenfluktuation beinhalten kann, die z.B. durch den Casimir-Effekt wirklich nachweisbar und messbar sind. Im bekannten Universum gibt es kein vollständiges Vakuum. Insofern mögen die Autoritäten der Antike und beginnenden Renaissance schließlich recht behalten haben.

Heutzutage ist das Vakuum vor allem von technischer Bedeutung. Es schafft wichtige Voraussetzungen in Industrie und Technik, zur Konservierung von Lebensmitteln und in der Forschung. Man unterscheidet zwischen Grob-, Fein-, Hoch- und Ultrahochvakuum. Im interplanetaren Raum herrscht ein Vakuum mit Drücken von \lt 10^{-18}\,\mathrm{mbar} vor. In der Strahlröhre des LHC am CERN in Genf oder im Vakuumtank des KATRIN Experiments herrschen Vakua mit Drücken von \lt 10^{-10}\,\mathrm{mbar} vor.

Lehrziele

Wir listen im Folgenden die wichtigsten Lehrziele auf, die wir Ihnen mit dem Versuch Vakuum vermitteln möchten:

• Sie erhalten Einblick in die Methoden zur Erzeugung von Vakua. Sie lernen mit einer Vakuumapparatur umzugehen, können selbst Hand an die Pumpen anlegen und einfache Experimente im Vakuum durchzuführen.
• Sie erzeugen mit zwei wichtigen Pumpentypen ein Hochvakuum.
• Sie lernen grundlegende Begriffe der Vakuumtechnik, wie Saugvermögen, Saugleistung kennen und bestimmen den Leitwert eines Rohrs.
• Sie beobachten Gasentladungen und die Durchschlagfestigkeit zweier Kondensatorkugeln bei variierendem Luftdruck und verknüpfen Ihre Erkenntnisse zum Vakuum mit dem wichtigen Begriff der mittleren dreien Weglänge.
• Als einfache technische Anwendung dampfen Sie bei variierendem Druck Indium auf eine Plexiglasplatte auf.

Versuchsaufbau

Einen typischer Aufbau der Apparatur für diesen Versuch ist in Abbildung 1 gezeigt:

Abbildung 1: (Ein typischer Aufbau des Versuchs Vakuum)

Eine Schaltskizze der für den Versuch relevanten Elemente mit Legende der verwendeten Symbole ist in Abbildung 2 gezeigt:

Abbildung 2: (Schaltskizze der im P2 verwendeten Vakuumapparatur)

Das Herzstück der Apparatur ist der zu evakuierende Behälter, der Rezipient (RZ). Er besteht aus einer Glasglocke (mit 220\ \mathrm{mm} Durchmesser und 250\ \mathrm{mm} Höhe) auf einem Metallteller mit Gummidichtung. In RZ befinden sich zwei elektrisch aufladbare Kugelelektroden (KE) und ein durch Wechselstrom direkt elektrisch beheizbares Verdampferschiffchen (VS) für die Experimente aus Aufgabe 3. Über Schläuche und Rohre sind eine Turbomolekular- (TMP) und eine Drehschieberpumpe (DSP) mit RZ befunden. Sie verwenden die DSP u.a. dazu für den Einsatz der TMP ein Vorkakuum zu erzeugen. Ein Metallwellschlauch (L) lässt sich, durch ein dünnes Rohr ersetzen, für das Sie den Leitwert bestimmen werden. An verschiedenen Stellen befinden sich Ventile (V1 bis V3), Belüftungsventile (B1 und B2) und Vakuummeter (T1 bis T3 und IM) mit geeigneten Messbereichen zur Bestimmung und Kontrolle des Drucks in der Apparatur. Der erreichbare minimale Druck in RZ wird durch Lecks und Gasabgabe von den Wänden des Behälters und vom Saugvermögen der Pumpe(n) begrenzt.

Wichtige Hinweise

• Obwohl in diesem Versuch eine splittergeschützte Glasglocke verwendet wird, kann die evakuierte Glasglocke implodieren. Zum Schutz Ihrer Augen müssen Sie daher beim Arbeiten an der evakuierten Apparatur eine Schutzbrille tragen.
• Die hier aufgebaute Apparatur ist sehr empfindlich. Bei fehlerhafter Handhabung können teure Schäden entstehen. Die einzelnen Versuchsteile dürfen daher nur nach Rücksprache mit dem/der Tutor:in gestartet werden.
• Beim Arbeiten an RZ, decken Sie die Pumpenöffnung mit der bereitliegenden Plastikkappe ab, um Verunreinigungen der Apparatur zu vermeiden. Vor dem Verbinden von Bauteilen mit Hilfe von Dichtungsringen sollten Sie die Ringe und Dichtflächen sorgfältig reinigen.
• Die TMP darf nur bei einem Vorvakuumdruck von weniger als \lesssim0.1\ \mathrm{mbar} eingeschaltet werden. Die Apparatur darf erst dann belüftet werden, wenn der Rotor nach dem Abschalten völlig zum Stillstand gekommen ist. Dies dauert einige Minuten. Ein Lufteinbruch solange der Rotor sich noch bewegt kann die Pumpe zerstören.

Navigation

• Hinweise-Vakuum.md: Grundlagen der Strömungslehre und der Vakuumtechnik.
• Hinweise-Versuchsdurchfuehrung.md: Wichtige Hinweise und Tipps zur Versuchsdurchführung.
• Datenblatt.md: Wichtige technische Details zu den Versuchsaufbauten.