真空物理学基础

真空介电常数和真空磁导率
真空介电常数和真空磁导率是物理学中两个重要的常数，它们分
别描述了真空中电场和磁场传播的性质。

真空介电常数，一般用符号ε0表示，是真空中电场强度和电荷
密度之间的比值，即ε0 = Q / (4πε0r²)，其中Q为电荷量，r为
电荷所在点到测定点的距离。

它的数值为8.85×10^-12 F/m，其中F
表示法拉第。

这个数值在电场中很重要，因为它描述了电荷间的相互
作用，以及电场力的大小。

真空磁导率，一般用符号μ0表示，是真空中磁场强度和磁荷密
度之间的比值，即μ0 = I / (2πr)，其中I为电流强度，r为电流
所在点到测定点的距离。

它的数值为4π×10^-7 H/m，其中H表示亨利。

这个数值在磁场中很重要，因为它描述了磁荷间的相互作用，以
及磁场力的大小。

这两个常数的数值看上去很小，但它们对于电磁学和电动力学领
域的研究却具有重要的意义。

通过这些常数，我们能够更好地理解电
磁场的行为，并且可以预测电荷和电流在空间中的运动和作用。

此外，真空介电常数和真空磁导率也常常被用来描述物质中电磁场的行为，
因为它们是许多物理常数的基础。

总而言之，真空介电常数和真空磁导率是物理学中两个非常重要
的常数，它们描述了真空中电场和磁场的传播性质，对电磁学和电动
力学等领域的研究具有重要的意义。

真空技术在物理实验中的应用与使用介绍真空技术是物理实验中不可或缺的重要组成部分。

它的主要作用是在实验中创造一个低压环境，通过减少气体分子的数量，降低分子之间碰撞的概率，以及消除气体分子对实验结果的干扰。

本文将为您介绍真空技术在物理实验中的应用和使用。

真空技术的基本原理真空技术的基本原理是通过减少气体分子的数量，创造一个低压环境，从而实现实验结果的准确控制。

真空技术主要依赖于密封容器和抽气装置来消除气体分子的干扰。

一、应用1：电子显微镜电子显微镜是一种利用电子束来观察物质结构和性质的仪器。

在电子显微镜中，真空技术的应用十分关键。

首先，电子显微镜需要在真空环境中工作，因为在高压下，气体分子会对电子束产生散射，影响成像质量。

其次，真空环境有助于保护电子束产生装置，避免氧化和污染。

因此，在电子显微镜中，真空技术的正确应用是保证分辨率和图像质量的基础。

二、应用2：粒子加速器粒子加速器是一种用于加速带电粒子的装置，其主要应用于物理实验、粒子物理学和核科学研究领域。

在粒子加速器中，真空技术在两个方面起着重要作用。

首先，真空环境可以减少带电粒子与气体分子的碰撞，从而提高加速效率和束流品质。

其次，真空环境可以防止带电粒子与气体分子发生反应，避免装置污染和性能下降。

因此，真空技术是粒子加速器运行过程中的基本要求。

三、应用3：核磁共振核磁共振是一种用于研究原子核结构和分子性质的重要方法。

在核磁共振实验中，真空技术被广泛应用于样品制备和测量装置。

首先，在核磁共振实验中，样品需要被置于真空容器中，以避免氧化和与空气中其他成分的反应。

其次，在测量装置中，减少气体分子的干扰是保证实验结果准确性的基础。

因此，真空技术在核磁共振实验中的应用十分重要。

结论真空技术在物理实验中的应用与使用被广泛认可和采用。

在电子显微镜、粒子加速器和核磁共振等领域，真空技术的正确应用是保证实验结果准确性和可重复性的关键。

因此，在进行物理实验时，我们应该了解并掌握适当的真空技术，以确保实验的成功和产出具有科学价值的结果。

真空物理知识为了阐述真空技术中经常遇到的一些物理知识，特别是那些在真空行业中会经常遇到的一些基本物理定律和相关的理论问题，如理想气体定律、气体与蒸气的性质，气体内部各种动力过程的规律以及气体与固体间相互作用的规律等一系列问题，对真空物理中的一些问题进行一些介绍是十分必要的。

2.1 理想气体定律及其状态方程本节所介绍的定律及相关公式是针对平衡状态下，符合理想气体的有关假设条件的前提下而得出的。

由于在真空技术中研究的气体大多数处于常温和低压状态下，因此在工程计算中应用这些定律基本上是符合实际的。

现就有关问题分述如下：2.1.1 气体定律气体的压力p(Pa)、体积V （m 3）、温度T （K ）和质量m （kg ）等状态参量间的关系，服从下述气体实验定律：2.1.1.1 波义耳—马略特定律：一定质量的气体，当温度维持不变时，气体的压力和体积的乘积为常数。

即：pV=常数 2-12.1.1.2 盖·吕萨克定律：一定质量的气体，当压力维持不变时，气体的体积与其绝对温度成正比，即：2.1.1.3 查理定律：一定质量的气体，当体积维持不变时，气体的压力与其绝对温度成正比，即：上述三个公式习惯上称为气体三定律。

具体应用方式常为针对由一个恒值过程连结的两个气体状态，已知3个参数而求第4个参数。

例如：初始压力和体积为P 1、V 1的气体，经等温膨胀后体积变为V 2，则由波义耳—马略特定律，即可求出膨胀后的气体压力为P 2=P 1V 1/V 2。

这正是各种容积式真空泵最基本的抽气原理。

2.1.1.4 道尔顿定律：相互不起化学作用的混合气体的总压力等于各种气体分压力之和，即：P=P 1+P 2+……P n 2-4 这里所说的混合气体中某一组分气体的分压力，是指这种气体单独存在时所能产生的压力。

道尔顿定律表明了各组分气体压力的相互独立和可线性叠加的性质。

2.1.1.5 阿佛加德罗定律：等体积的任何种类气体，在同温度同压力下均有相同的分子数，或者说，在同温度同压力下，相同分子数目的不同种类气体占据相同的体积，人们把1mol 任何气体的分子数目N A 叫做阿佛加德罗数，N A =6.022×1023mol -1。

第七单元 真空技术7-0 真空技术基础知识“真空”是指气体分子密度低于一个大气压的分子密度稀薄气体状态。

真空的发现始于1643，那年托利拆利（E.Torricelli ）做了有名的大气压力实验，将一端密封的长管注满水银倒放在盛有水银的槽里时，发现了水银柱顶端产生了真空，确认了真空的存在。

此后，人们不断致力于提高真空度，随着科学技术的发展，现在已经能够获得低于10-10Pa 的极高真空。

在真空状态下，由于气体稀薄，分子之间或分子与其它质点之间的碰撞次数减小，分子在一定时间内碰撞于表面上的次数亦相对减小，这导致其有一系列新的物化特性，诸如热传导与对流减小，氧化作用小，气体污染小，气化点降低，高真空的绝缘性能好等等，这些特征使得真空特别是高真空技术已发展成为先进技术之一，目前，在高能粒子加速器、大规模集成电路、表面科学、薄膜技术、材料工艺和空间技术等科学研究的领域中占有重要地位，被广泛应用于工业生产，尤其是在电子工业的生产中起着关键的作用。

一、真空物理基础 1． 真空的表征表征真空状态下气体稀薄程度的物理量称为真空度。

单位体积内的分子数越少，气体压强越低，真空度越高，习惯上采用气体压强高低来表征真空度。

在SI 单位制中，压强单位为 牛顿/米2（N/m 2）：1牛顿/米2=1帕斯卡（Pascal ）， （7-0-1）帕斯卡简称为帕（Pa ），由于历史原因，物理实验中常用单位还有托（Torr ）。

1标准大气压（atm ）=1.0135×105(Pa)，1托=1/760标准大气压 （7-0-2） 1托=133.3帕斯卡习惯采用的毫米汞柱（mmHg ）压强单位与托近似相等（1mmHg=1.00000014）托。

各种单位之间的换算关系见附表7-1 2． 真空的划分真空度的划分（不同程度的低气压空间的划分）与真空技术的发展历史密不可分。

通常可分为：低真空（Pa 10~1013-）、高真空（Pa 10~1061--）、超高真空（Pa 10~10-10-6）和极高真空（低于Pa 1010-）。

超⾼真空物理与技术基础3第三章真空状态下的⽓体流动（初稿）3.1⽓体流动过程的基本物理量在实际真空技术应⽤过程中，我们所⾯临的第⼀个问题就是把⽓体从真空室排去，所以对⽓体在系统中的流动性要有所了解。

⽽真空系统的许多排⽓泵，不同⼝径的连接管道，以及各种形状的真空室都会影响到系统的排⽓速率。

因此研究分析⽓体通过⼩孔和管道的流动，是我们设计真空系统的主要课题之⼀，同时也是⼀些真空实验的理论根据。

本章我们将介绍⽓体流动的特性，以及如何计算⽓体流动速度和流导。

⾸先我们了解⼀些⽓体流动过程的基本物理量。

3.1.1 体积流率当管道⾥的⽓体两端存在压⼒差时，便会出现⽓体⾃动从压⼒⾼的⼀端向压⼒低的⼀端扩散,便形成了⽓体流动。

为了计算了解管道中流过的⽓体的多少，通常使⽤⽓体的质量流率Sm （公⽄/秒）和摩尔流率Sr （摩尔/秒），即单位时间内通过管道某⼀给定截⾯的⽓体质量和⽓体摩尔数。

实际⼯作中由于这两种流率不便测量⽽采⽤体积流率。

体积流率是指在给定温度、压⼒下，单位时间内流过管道或设备的任⼀截⾯上的⽓体体积。

体积流量通常⽤符号Sv 表⽰，单位为：⽶3/秒。

在⽓体压⼒为P 的截⾯上，Sv 与Sm 和Sr 的关系为：v m S TR M P S = 和 v r S T R P S ??=式中：M——⽓体摩尔质量kg/mol；R——普适⽓体常数，R＝8.31J/mol ·K T——温度℃；P——压强Pa；3.1.2⽓体流量什么是⽓体流量？在单位时间内通过给定截⾯的⽓体数量，称之为⽓体流量，⽤Q 表⽰。

由于⽓体是可以压缩的流体，所以流过的⽓体不仅和流过的体积有关，⽽且和其压强即⽓体密度n=N/V 有关,⽓体流量也可以认为是单位时间内，⽓体分⼦N 以流率s 通过给定管道横截⾯A 的分⼦数量。

这种关系定义在真空科学与技术领域也可以⽤泵的抽速表⽰：n S n v A N ?=??= v A S ?≡ (m 3/s)根据流量定义，泵对真空系统的抽⽓速率也可以⽤真空泵的抽速来衡量。

真空技术基础知识前言1. 真空“真空”来源于拉丁语“Vacuum ”，原意为“虚无”，但绝对真空不可达到，也不存在。

只能无限的逼近。

即使达到10-14—10-16托的极高真空，单位体积内还有330—33个分子。

在真空技术中，“真空”泛指低于该地区大气压的状态，也就是同正常的大气比，是较为稀薄的气体状态。

真空是相对概念，在“真空”下，由于气体稀薄，即单位体积内的分子数目较少，故分子之间或分子与其它质点（如电子、离子）之间的碰撞就不那么频繁，分子在一定时间内碰撞表面（例如器壁）的次数亦相对减少。

这就是“真空”最主要的特点。

利用这种特点可以研究常压不能研究的物质性质。

如热电子发射、基本粒子作用等。

2. 真空的测量单位一、用压强做测量单位真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度，作为这种量度，最直接的物理量应该是单位体积中的分子数。

但是由于分子数很难直接测量，因而历来真空度的高低通常都用气体的压强来表示。

气体的压强越低，就表示真空度越高，反之亦然。

根据气体对表面的碰撞而定义的气体的压强是表面单位面积上碰撞气体分子动量的垂直分量的时间变化率。

因此，气体作用在真空容器表面上的压强定义为单位面积上的作用力。

压强的单位有相关单位制和非相关单位制。

相关单位制的各种压强单位均根据压强的定义确定。

非相关单位制的压强单位是用液注的高度来量度。

下面介绍几种常用的压强单位。

【标准大气压】（atm ）1标准大气压=101325帕【托】（Torr ）1托=1/760标准大气压【微巴】（μba ）1μba=1达因/厘米2【帕斯卡】（Pa ）国际单位制1帕斯卡=1牛顿/m2【工程大气压】（at ）1工程大气压=1公斤力/厘米2二、用真空度百分数来测量%100760760%⨯-=P δ 式中P 的单位为托，δ为真空度百分数。

此式适用于压强高于一托时。

3. 真空区域划分有了度量真空的单位，就可以对真空度的高低程度作出定量表述。

此外，为实用上便利起见，人们还根据气体空间的物理特性、常用真空泵和真空规的有效使用范围以及真空技术应用特点这三方面的差异，定性地粗划为几个区段。