Fysik för låga temperaturer

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 21 augusti 2017; verifiering kräver 21 redigeringar .

Lågtemperaturfysik  är en gren av fysiken som studerar de fysikaliska egenskaperna hos system vid låga temperaturer. Detta avsnitt behandlar särskilt fenomen som supraledning och superfluiditet . Lågtemperaturfysik studerar de fysikaliska processer som sker vid mycket låga temperaturer, ner till absoluta noll , handlar om studier av materials egenskaper vid dessa låga och ultralåga temperaturer, och är därmed förknippad med många områden inom vetenskap och teknik. [ett]

Metoder för att erhålla låga temperaturer

Avdunstning av vätskor

Flytande gaser används vanligtvis för att erhålla och bibehålla låga temperaturer . I ett Dewar-kärl , som innehåller flytande gas som avdunstar under atmosfärstryck, upprätthålls den konstanta temperaturen för den normala kokningen av köldmediet väl. De vanligaste köldmedierna är flytande kväve och flytande helium . Det tidigare använda flytande vätet och syret används nu ganska sällan på grund av den ökade explosiviteten hos ångorna. Kväve och helium är praktiskt taget inerta, och den enda faran är en kraftig expansion under övergången från flytande till gasformigt tillstånd.

Genom att minska trycket över den fria ytan på en vätska är det möjligt att erhålla en temperatur under den normala kokpunkten för denna vätska. Till exempel, genom att pumpa ut kväveånga, kan temperaturer upp till trippelpunktstemperaturen på 63 K uppnås; genom att pumpa ut väteånga (över den fasta fasen) kan temperaturer på 10 K uppnås; genom att pumpa ut heliumånga, temperaturer 0,7 K kan uppnås (under mycket goda experimentella förhållanden).

Strypning

När den strömmar genom en förträngning i rörledningens passagekanal - en gasspjäll eller genom en porös skiljevägg, uppstår en minskning av trycket hos en gas eller ånga tillsammans med en minskning av dess temperatur. Strypeffekten används främst för djupkylning och kondensering av gaser.

Förändringen i temperatur för en liten tryckförändring som ett resultat av Joule-Thomson-processen bestäms av derivatan , kallad Joule-Thomson-koefficienten.

Utbyggnad med externt arbete

Du kan kyla gasen med hjälp av en expander - en anordning för ytterligare kylning av gas genom att släppa den under tryck i en cylinder med en kolv som rör sig med kraft. Gasen fungerar och svalnar. Det används i produktionscykeln för flytande helium.

Om du använder en turbin istället för en kolv får du en turboexpander, vars funktionsprincip är liknande.

Adiabatisk avmagnetisering

Metoden är baserad på effekten av värmeavgivning från paramagnetiska salter under deras magnetisering och efterföljande värmeabsorption under deras avmagnetisering. Detta gör det möjligt att erhålla temperaturer ner till 0,001 K. För att få mycket låga temperaturer är salter med låg koncentration av paramagnetiska joner, det vill säga salter där närliggande paramagnetiska joner separeras från varandra av icke-magnetiska atomer, bäst lämpade. .

Peltier-effekt

Peltier-effekten används i termoelektriska kylanordningar. Det är baserat på att sänka temperaturen på halvledarens korsningar när en elektrisk likström passerar genom dem. Mängden värme som frigörs och dess tecken beror på typen av kontaktämnen, strömstyrka och strömpassagetid, det vill säga mängden värme som frigörs är proportionell mot mängden laddning som passerar genom kontakten.

Upplösningskryostat

Kylningsprocessen använder en blandning av två heliumisotoper : 3 He och 4 He . När den kyls under 700 mK upplever blandningen spontan fasseparation , vilket bildar 3 He-rika och 4 He-rika faser. 3 He/ 4 He-blandningen kondenseras i en kondensor som är ansluten via en choke till det 3 He-rika området i blandningskammaren. De 3 He- atomerna som passerar genom fasgränsen tar energi från systemet. Kontinuerliga utspädningskylskåp används ofta i fysikexperiment med låg temperatur.

Mätning av låga temperaturer

Den primära termometriska enheten för att mäta termodynamisk temperatur upp till 1 K är en gastermometer . Motståndstermometrar används ( platina  - för precisionsmätningar, koppar , kol ).

Termoelement , halvledardioder kan användas som sekundära termometrar  - men de kräver kalibrering. En analog till termometri i termer av mättat ångtryck i området för ultralåga temperaturer är mätningen av temperatur i intervallet 30–100 mK med användning av det osmotiska trycket ³He i en blandning ³He- 4 He.

Historia om lågtemperaturfysik

Huvudstadierna i utvecklingen av lågtemperaturfysik var förknippade med flytande av gaser, vilket gjorde det möjligt att utföra mätningar vid en temperatur lika med kokpunkten.

Specialitet VAK

"Låga temperaturers fysik" (specialkod 01.04.09) är ett område inom grundläggande vetenskap som studerar fysikaliska fenomen och materiatillstånd som är karakteristiska för temperaturer nära den absoluta nollpunkten . Inkluderar teoretiska och experimentella studier av materiens struktur och egenskaper i kvantgrundtillståndet och den fysiska naturen och egenskaperna hos olika elementära excitationer , såväl som kvantkooperativa fenomen som superfluiditet , supraledning , Bose-kondensation , magnetisk, laddning och andra typer av beställning. [3] Passet för specialiteten från Higher Attestation Commission "Physics of Low Temperatures" ger följande studieområden:

  1. Kvantvätskor och kristaller .
  2. Supraledande system inklusive högtemperatursupraledare .
  3. Kvantgaser, Bose-Einstein kondensat.
  4. Starkt korrelerade elektroniska och fononsystem.
  5. Lågtemperaturmagnetism: magnetiska strukturer, fasövergångar, magnetisk resonans.
  6. Lågdimensionella kvantsystem och system med störningar.
  7. mesoskopiska system.
  8. Studie av mekaniska, elektriska, magnetiska, optiska, termiska och andra fysikaliska egenskaper hos materia vid låga temperaturer.
  9. Utveckling av metoder för att erhålla och mäta låga och ultralåga temperaturer.

Vetenskapliga tidskrifter

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Fysik för låga temperaturer. Kort historisk översikt.  (inte tillgänglig länk)
  2. ↑ Vetenskap och teknologi: Fysik/ÖVERFLÖDHET . Tillträdesdatum: 30 maj 2010. Arkiverad från originalet den 17 december 2009.
  3. ↑ Pass för specialiteten VAK . Hämtad 30 maj 2010. Arkiverad från originalet 18 september 2010.
  4. ↑ Låg temperaturfysikjournal . Hämtad 30 maj 2010. Arkiverad från originalet 1 juni 2010.