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Sistema della pompa a vuoto con palloncini e gli emisferi di Magdeburgo
Chi ha scoperto la pompa a vuoto? Perchè sono detti emisferi di Magdeburgo?
Furono studiati da Von Guericke. Studiò dal 1617 al 1619 presso l'Università di Lipsia, dal 1621 al 1623 presso l'Università di Jena e dal 1623 al 1624 a Leida. I suoi studi spaziarono dal diritto all'ingegneria civile. In seguito compì un viaggio d'istruzione in Francia ed in Inghilterra, tornando a Magdeburgo solo nel novembre del 1625. Nel 1646 divenne uno dei quattro borgomastri della città di Magdeburgo. I suoi interessi scientifici procedettero di pari passo con la sua carriera politica e con la sua vita privata. A partire dal 1645 circa iniziò gli studi di pneumatica, per i quali sarebbe diventato famoso. Già nel 1656 cominciò una vivace corrispondenza con il professore di filosofia e matematica a Würzburg, Kaspar Schott, che, nel 1657, pubblicò nella sua Mechanica hydraulico-pneumatica i primi risultati delle ricerche di von Guericke. Nel 1663 terminò il manoscritto del suo libro più importante, Experimenta nova, ut vocantur, Magdeburgica, de vacuo spatio, che comunque fu dato alle stampe solo nel 1672 ad Amsterdam. Nel 1676 rinunciò alla sua posizione di borgomastro per ragioni di salute; nel 1681 dovette trasferirsi presso suo figlio ad Amburgo, dove morì il 1686.
La pompa a vuoto e altri risultati scientifici
Le ricerche scientifiche di Otto von Guericke, che lo resero famoso già in vita e per le quali ancora oggi è ricordato, riguardano lo studio delle proprietà dell'aria e del vuoto. Otto von Guericke è tra coloro che demolirono la teoria dell'horror vacui, secondo la quale la natura aborrisce il vuoto. Si inserisce, con i propri esperimenti, all'interno di una problematica filosofica e scientifica che risale all'antichità. Non limitandosi a produrre il vuoto, ne investigò le proprietà, dimostrando che la luce si propaga attraverso uno spazio vuoto, a differenza del suono. Si dedicò anche alle applicazioni pratiche delle proprie scoperte, costruendo ed utilizzando un barometro per prevedere il tempo atmosferico: rientra quindi nel novero dei pionieri della meteorologia. Von Guericke inoltre costruì nel 1672 la prima macchina in grado di separare la carica elettrica, in altre parole il primo generatore elettrostatico, basato sulla separazione di carica ottenuta per sfregamento di una sfera di zolfo. Grazie ad essa osservò per primo la luminescenza indotta dall'elettricità statica e la mutua repulsione delle cariche dello stesso segno (fino ad allora l'unica osservazione comunemente nota riguardava l'attrazione delle cariche di segno opposto). Si occupò anche di astronomia, dove fu tra i primi che ritennero possibile la predizione del ritorno delle comete.
Descrizione pompa a vuoto
Una pompa per vuoto è un dispositivo meccanico utilizzato per creare e mantenere il vuoto (cioè una condizione di pressione minore della pressione atmosferica); per adempiere tale scopo, la pompa a vuoto asporta il gas contenuto nella camera da vuoto alla quale è collegata la pompa attraverso delle condutture. Quindi funziona come un compressore, in quanto porta un fluido in fase gassosa da una pressione più bassa a una più alta, la differenza tra i dispositivi sta nel fatto che un compressore lavora a pressione di aspirazione costante, mentre la pompa a vuoto lavora a pressione di aspirazione variabile (decrescente) e a pressione di mandata costante. Le pompe da vuoto possono essere catalogate in tre categorie principali: -pompe a spostamento di parete: usano un meccanismo per espandere ciclicamente una cavità, permettono al gas di affluire dalla camera da vuoto. Una volta aspirato la cavità viene sigillata, il gas compresso ed espulso verso l'atmosfera. Esempio di tali pompe sono le pompe rotative e le roots. -pompe a trasferimento di quantità di moto (o pompe molecolari): usano getti di fluidi densi ad alta velocità o lame rotanti a elevata velocità in maniera tale da imprimere un grande impulso alle molecole di gas. Esempi di tali dispositivi sono le pompe a diffusione e le pompe turbomolecolari. -pompe a intrappolamento: catturano i gas residui in un solido o su una superficie assorbente. Esempio sono le pompe criogeniche, a “getter” e le pompe ioniche. Le pompe a spostamento di parete sono le pompe più adatte al basso vuoto, mentre le pompe a trasferimento di quantità di moto sono le più utilizzate in serie con pompe a spostamento di parete (spesso a due stadi) per raggiungere l'alto vuoto. In questa configurazione la pompa a spostamento di parete ha due scopi: in primo luogo permette di raggiungere nel recipiente da vuotare il basso vuoto, condizione necessaria per innescare la pompa a trasferimento di quantità di moto (che non può funzionare a partire dalla pressione atmosferica). In secondo luogo la pompa spostamento di parete posta sull'uscita della pompa a trasferimento di quantità di moto asporta le molecole di gas che si accumulano sulla sua uscita. Le pompe a intrappolamento si utilizzano per raggiungere ultra-alto vuoto, ma esse richiedono rigenerazioni periodiche delle superfici che intrappolano le molecole di gas. A causa di tale limitazione sul tempo operativo di funzionamento non sono utilizzate che per ultra alto vuoto. Caratteristiche delle pompe per vuoto sono: -la velocità di pompaggio: misura della quantità di gas che la pompa riesce ad aspirare dall'ingresso nell'unità di tempo, ha le dimensioni del volume diviso il tempo. Le pompe a trasferimento di quantità di moto e a intrappolamento hanno una velocità di aspirazione che dipende dal gas da aspirare e quindi la velocità media dipende dalla composizione del gas residuo nella camera da vuoto. - intervallo di pressione di funzionamento: per un certo intervallo di pressioni all'ingresso la pompa ha una velocità di aspirazione costante e massima. - la portata: velocità per area della sezione. Se la temperatura è costante valendo nel vuoto l'equazione di stato dei gas perfetti questa grandezza rappresenta la quantità di materia portata via dalla pompa (il volume) nell'unità di tempo. Se quindi vi è un ingresso di materia o per degassamento delle pareti o per perdite nel sistema da vuoto la situazione di equilibrio dinamico prevede che la portata eguagli l'ingresso di materia. Per un ampio valore di pressioni la velocità di pompaggio di una pompa è costante, ma al diminuire delle pressione nella camera da vuoto, si ha che il suo contenuto di materia diminuisce, questo comporta che la portata diminuisce molto rapidamente. Contemporaneamente la sublimazione dei materiali, il degassamento delle pareti e gli eventuali buchi continuano a produrre materia che deve essere asportata dalla pompa da vuoto, tali concause determinano il vuoto limite nella camera da vuoto. Vi sono altre caratteristiche che differenziano i vari tipi di pompe da vuoto quali i materiali che li compongono, la velocità di aspirazione, i residui di olio, l'affidabilità, la tolleranza alla polvere, le vibrazioni, l'intervallo di pressioni in cui operano.
Esperimento di Magdeburgo
L'8 maggio 1654, nella città tedesca di Magdeburgo, l'imperatore Ferdinando III e il suo entourage dimostrarono uno spettacolare esperimento ideato e realizzato dal sindaco della città, lo scienziato tedesco von Glick. Diverse incisioni dell'epoca riflettono questo evento. Si tratta del emisferi di Magdeburgo. L'esperimento consisteva nel tentare di separare due emisferi metallici di circa 50 centimetri di diametro, uniti per semplice contatto, per formare una sfera sigillata e, incidentalmente, pompare aria fuori dalla sfera con una pompa a vuoto di sua invenzione. Per facilitare la sigillatura dell'emisfero o degli emisferi metallici, tra le superfici di contatto viene posizionato un anello di cuoio. Ogni emisfero ha diversi anelli attraverso i quali è possibile far passare una corda o una catena in modo che possa essere tirata sui lati opposti. Nel tentativo di separarli, legava un emisfero a un gruppo di cavalli e l'altro a un numero uguale di cavalli, ma in direzioni opposte. Dopo numerosi tentativi e con sorpresa dei partecipanti, è stato impossibile separare le due metà della sfera. Gli spettatori sono rimasti stupiti nel vedere i diversi gruppi di uomini tirare di lato con tutte le loro forze e non riuscire a separare gli emisferi. Inoltre non potevano essere inizialmente separati da 16 cavalli, divisi in due gruppi di 8 cavalli ciascuno. Dopo un duro lavoro, hanno raggiunto il loro obiettivo e hanno suscitato molto scalpore. Gli emisferi che componevano le sfere, che richiedevano molto sforzo per aprirsi, potevano essere separati senza sforzo semplicemente consentendo all'aria di rientrare all'interno delle sfere.
Cosa accade se mettiamo un palloncino chiuso all’interno della campana a vuoto e togliamo l’aria?
Se togliamo l’aria, ovvero facciamo il vuoto, i palloncini si gonfiano lentamente. Quando facciamo rientrare l’aria, i palloncini tornano rapidamente nella situazione di partenza. Facendo il vuoto, la pressione dell’aria diminuisce all’interno della campana. In questo modo le molecole dell’aria all’interno del palloncino non sono più bloccate dalla pressione esterna e possono muoversi per occupare tutto lo spazio e fanno quindi aumentare di volume il palloncino
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