Измерение низких давлений

Существует много способов измерения низких давлений. Рассмотрим один из них. Рассмотрение показательно как пример применения основного уравнения МКТ.

Этот способ измерения низкого давления состоит в следующем. Легкий висмутовый шарик помещают над катушкой, создающей сильное магнитное поле. Висмут является диамагнетиком и выталкивается из области сильного магнитного поля, поэтому шарик парит над катушкой. Все это устройство находится в объеме, где надо измерить давление. Первоначально шарик закручивают с угловой скоростью w. Со временем угловая скорость шарика уменьшается.

Причина замедления вращения состоит в том, что вращающийся шарик передает импульс каждой сталкивающейся с ним молекуле газа. Переданный импульс направлен по касательной к поверхности шарика. Таким образом, движение тормозится действием силой трения, замедляющей вращение. Сила трения зависит от угловой скорости вращения. Коэффициент силы трения b=b(P) тем больше, чем больше давления газа. Момент силы трения равен где w – угловая скорость вращения шарика. Решением уравнения движения

является закон изменения угловой скорости:
,
где w(0) – начальная угловая скорость вращения. Измерения угловой скорости в разные моменты времени позволяют определить а вместе с ним и давление P.

Еще один способ измерения низких давлений основан на том, что разогретое тело отдает окружающему его разреженному газу энергию. Скорость передачи энергии пропорциональна числу сталкивающихся с поверхностью тела молекул, а, значит, концентрации и давлению газа. Такой манометр (пирометр) обычно представляет собой нечто напоминающее проекционную лампу накаливания без баллона, которая помещается в откачанный объем. Через нее пропускается ток, так что спиралька раскаляется и излучает свет. Скорость отдачи энергии излучаемым светом определяется температурой поверхности. Но при наличии газа к скорости уноса энергии излучением добавляется скорость уноса ударяющимися о поверхность молекулами. При заданной подводимой мощности температура излучающей поверхности, а вместе с ней и яркость свечения, оказываются ниже яркости свечения в вакууме. По разнице свечения в откачанной емкости и в хорошем вакууме можно определить давление газа.