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氣壓錶

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氣壓錶或稱氣壓計英語Barometer)是用來測量氣壓的儀器,在氣象學中被廣泛使用。氣壓錶有多種造型和原理。因此它是壓力表的一類。氣壓記是由氣壓錶發展出來的儀器,氣壓記可以用圖表或電子方式記錄一個地區的氣壓的時間性變化。眾多測量氣壓方法配合天氣圖用於幫助查找地面低壓槽、高壓系統和額葉界限(frontal boundaries)。

詞源[編輯]

歐洲大多數語言中氣壓錶一詞被稱為Barometer,這個名字是愛爾蘭學者羅伯特·波義耳引入的,它來自希臘語的báros(重)和métron(度量衡),意思是測量空氣的重量的儀器。

歷史[編輯]

從伽利略開始[編輯]

伽利略·伽利萊1636年的肖像

約1635年佛羅倫斯的工程師和鑽井人被授命建造宮廷花園裡巨大的灌溉裝置。他們吃驚地發現無論如何他們的抽水機無法將水提升約10米的高度。伽利略被授命來研究這個問題。伽利略在他的《關於兩門新學科的談話及數學證明》(Discorsi e dimostrazioni matematiche)中描寫了這個問題,但他逝世於1642年,未能來得及提供這個問題的解決辦法。

早在伽利略1614年的筆記中就已經看得出,他當時研究過空氣的重量,並確定其值為水的重量的660分之一,但他並未從中得出其它結論。當時的教條與今天的見識正好相反,當時無法設想到不是抽水機將水抽向上,而是氣壓將水擠向上來。當時的人認為抽水機可以抽水是因為大自然「憎惡真空」(拉丁語:horror vacui)。

托里拆利發明水銀氣壓錶[編輯]

伊萬奇里斯特·托里拆利繼伽利略成為托斯卡納伯爵的宮廷物理學家,他繼續伽利略的研究,並做試驗來證明水是由於空氣壓力上升的。為了不必使用10高的柱,他使用比水的比重高13.6倍的(俗稱水銀)。他將汞灌入一個很長的玻璃管,用手指堵住一端,將玻璃管倒過來插入一個灌滿汞的盆。他發現玻璃管里的水銀不完全流出,而留下來的水銀柱的高度總是一樣的,不管他將玻璃管插入水銀盆里多深這個高度始終約為76厘米

帶盆的氣壓錶
簡單的虹吸管式的氣壓錶

他由此得出結論說空氣向盆的表面施加壓力來抵消水銀柱的重力。而且這個壓力是使得抽水機可以將水抽高約10米,但無法繼續抽高的原因。他還發現水銀柱的高度變化,而且在壞天氣到來之前它會降低。這樣一來托里拆利於1643年發明了氣壓錶。

由於開口的盆非常不易於運輸氣壓錶,因此有人設計了各種不同的氣壓錶,比如有人將水銀封入一個連在玻璃管上的通氣的、裝有少量水銀的皮袋裡。

羅伯特·波義耳爵士將氣壓錶的玻璃管向上彎,製成了今天依然被使用的虹吸管式的氣壓錶。

法國物理學家勒奈·笛卡爾改善了托里拆利的裝置,他在玻璃管邊上添加了一個紙的標記表。笛卡爾也是第一位提出高處的氣壓比低處的氣壓低的人。

布萊士·帕斯卡和氣壓[編輯]

氣壓使得水銀柱達到約76厘米的高度,但它不足以使得水銀柱以上的空間也被水銀佔據。1640年左右在科學界關於空氣是否有重量的問題是討論最多的問題。

布萊士·帕斯卡重複了托里拆利的試驗,他與笛卡爾一樣相信假如空氣有重量的話水銀柱在高處上升的高度會比較低。在巴黎的一個52米高的塔的頂上他證實了這個猜測,不過當時的試驗還相當不精確。在他的一個住在多姆山省的親家的幫助下他於1648年9月19日重複了這個試驗,在不同的高處他確定水銀柱隨著高度的確不斷下降。

後來在國際單位制中壓力的單位以他命名為帕斯卡,一帕斯卡相當於一牛頓平方米

馬格德堡半球[編輯]

1663年奧托·馮·蓋利克使用馬格德堡半球證明氣壓的存在。他使用兩個半球,將半球內抽空後馬無法將半球分開。今天的低壓艙就是按這個原理工作的。

後來的發展[編輯]

含有副尺的水銀氣壓計。

直到19世紀中儀錶工、眼睛匠和鐘錶匠才開始工業化生產氣壓錶,一開始主要作為科學儀器,後來也作為家用。 1675年在一次夜間運輸水銀氣壓錶的過程中有人偶然發現氣壓錶受碰撞顛簸時其玻璃管會發出藍色的光。波義耳的一個學生研究過這個現象但未能提出令人滿足的解釋。但與此同時人們開始研究真空放電的現象。今天我們知道這個光是水銀原子與玻璃摩擦導致的。

種類[編輯]

液體氣壓錶[編輯]

液體氣壓錶有一個含有液體的垂直的管,管的上端密封,下端浸入一個含有同樣液體的容器。液體受其重量影響流入容器,在管的上端造成一個低壓區。氣壓防止液體下流,使得它在管內保持一定的高度。

水銀氣壓錶[編輯]

19世紀的水銀氣壓錶

最常見的液體氣壓錶使用水銀,因此被稱為水銀氣壓錶。在標準狀況下其水銀柱高760毫米。由於水銀和玻璃管受溫度影響而變化,因此其讀出的值要轉化計算: p = p_a \cdot (1 - 0,000182 \cdot T)

  • p - 實際氣壓
  • p_a - 指示氣壓
  • T - 溫度(°C
  • 水銀的熱膨脹係數為0.000182
  • 更精確的測量還要顧及緯度和高度

使用水銀的原因是因為它的比重比較高,因此使用的管子不必非常長。假如使用水的話其管子要達10米長。此外水銀蒸發很小,即使在管子上部的真空裡水銀的蒸發依然非常小。

第一架水銀氣壓錶是1643年伊萬奇里斯特·托里拆利發明的。他也認識到氣壓的變化。氣壓的單位是以他命名的。1托=1毫米汞柱,相當於與133.32帕斯卡。

歌德氣壓錶[編輯]

歌德氣壓錶也是一種液體氣壓錶,它往往被用來作為裝飾品。它由一個密封的、外形優美的主容器組成,在主容器的下方有一個小的,向上開口的管子連出來。低壓時管里的液體會升高,高壓時管里的液體會下降。歌德曾經有過這樣一個氣壓錶,但他並不是其發明人。這種氣壓錶是什麼時候、誰發明的今天無以考證。

盒式氣壓錶[編輯]

盒式氣壓錶
船用的盒式氣壓錶

盒式氣壓錶由一個由薄金屬片組成的盒子組成,其發明人是路辛·維蒂(Lucien Vidie)。好的盒式氣壓錶由到八層這樣的盒子組成來提高其靈敏度。高壓時盒子受擠壓,低壓時盒子向外膨脹,這個體積變化可以由機械部分傳遞到指針上。

盒式氣壓錶的一個毛病是其受溫度的影響。為了防止盒內的空氣受高溫影響膨脹盒內被抽真空,但盒子本身也受溫度影響熱脹冷縮,因此盒子要由特別的合金組成,不同的組成部分受溫度影響時互相之間抵消其變形來降低溫度的影響。雖然如此盒式氣壓錶受溫度影響造成測量誤差。

風鏡氣壓錶[編輯]

風鏡氣壓錶是羅伯特·菲茨羅伊發明的。它含有樟腦乙醇中的溶液。隨氣壓和氣溫的不同它可以結晶。高壓下晶體溶解,低壓下結晶,溶液渾濁。

用途[編輯]

氣壓錶最主要是用在氣象學中,它是每個氣象站必備的儀器。由於氣壓隨高度降低,它也可以用作飛機里的高度計。測量人為的高壓或低壓的儀器不被稱為氣壓錶,而被稱為壓力表。使用氣壓變化來測量高度變化的儀器被稱為升降速率表

在中緯度地區氣壓錶往往被簡化用來作為「天氣表」,高壓被視為是好天氣的預兆,低壓被視為壞天氣的預兆。但這個用法是相當不精確的,有時壞天氣到來前也會氣壓升高,因此這個用法是非常粗略的。

參見[編輯]