разное

Ультранизкие температуры

Область температур О К < Т < 4,2 К (ниже нормальной температуры кипения жидкого гелия) относится к так называемым улыпранизким температурам или криофизике. Эта область характерна тем, что все вещества при температурах ниже температуры тройной точки водорода (13,95К) могут находиться только в твердом состоянии. Лишь одно вещество в природе - гелий, остается жидким при давлении собственных насыщенных паров вплоть до температуры абсолютного нуля. По этой причине область ультранизких температур иногда называют «областью жидкого гелия». Любые методы получения ультранизких температур обязательно включают в себя получение и использование жидкого гелия непосредственно, либо в качестве охлаждающего вещества.

Большое значение имеет особое поведение и изменение свойств многих веществ при ультранизких температурах. Именно на этом основаны специальные методы получения ультранизких
температур, которые применяются исключительно в области криофизики и не могут применяться ни в какой другой.

Существуют два изотопа гелия: гелий-4 (Не4) и гелий-3 (Не3). Наиболее распространенным в природе является тяжелый изотоп Не4 с четырьмя нуклонами (2/?+2п). Легкий изотоп - Не3 с тремя нуклонами (2р+1п) встречается крайне редко: содержание Не3 в природном гелии составляет менее 107, потому его получают искусственно в ядерных реакциях (в частности, при бомбардировке литиевых мишеней частицами высоких энергий).

В настоящее время получение ультранизких температур 0К<Т<4,2К возможно следующими методами:

• кипением жидкого Не4 и жидкого Не3 при пониженном давлении

(0,3 К <Т <4,2 К);

• растворением Не3 в Не4

<70 2 К <Т <0,3 К); » адиабатным сжатием Не3 по кривой плавления

(103 К <Т <102 К);

• адиабатным размагничиванием электронных и ядерных спинов

(10'6 К <Т < 10 3 К).

В этих методах проявляется ряд свойств веществ при ультранизких температурах, из которых особый интерес представ­ляют два сверхявления: сверхтекучесть и сверхпроводимость.

Сверхтекучесть. Жидкий гелий был впервые получен в 1908 году Х. Камерлинг-Оннесом. Он пытался достичь тройной точки, по­нижая температуру жидкого гелия путем откачивания его насы­щенных паров над поверхностью кипящей жидкости. Первый пора­зительный факт состоял в том, что при достижении температуры -2,18К кипение гелия внезапно прекращалось. Это свидетельство­вало о резком (в миллионы раз) увеличении теплопроводности жидкого гелия в окрестности T-2J8K. При этой же температуре плотность жидкого гелия достигала максимума. Все это описывало переход жидкого гелия при Т=2,18К в некоторое новое состояние. О наличии фазового перехода свидетельствовало также аномальное поведение теплоемкости, экспериментально установленное Кеезо- мом и Клаузиусом в 1932 году. Они определили, что кривая удель­ной теплоемкости жидкого гелия при Т=2,18К, имеет резкий макси­мум, напоминающий по своей форме греческую букву «л». По этой причине температура фазового перехода, равная Т=2,18К, получила название Д-точки.

Сверхпроводимость. Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году также Х. Камерлинг-Оннесом при изучении электросопротивления ртути, погруженной в жидкий гелий. Экспе­риментально было определено, что при Т=4,15К сопротивление ртути резко падает до бесконечно малой величины. Попытки опре­делить сопротивление по затуханию тока, наведенного в замкнутом кольце из ртути, показали, что время релаксации составляет не менее 2000 часов. Фактически, даже за период более года не удается заметить ослабления «незатухающих» токов. Практически полное отсутствие электрического сопротивления называется сверхпрово­димостью.

Электрический ток в металле - это направленное движение свободных электронов под действием внешнего электрического поля, а сопротивление - это рассеяние электронов на колебаниях решетки (либо на ее дефектах), вызванное взаимодействием «электрон-решетка». Электроны обладают полуцелым спином ± 7/2, подчиняются статистике Ферми-Дирака и образуют в металле «электронную ферми-жидкость». Благодаря малой массе электрона температура вырождения электронной ферми-жидкости Te~l(fK, поэтому квантовые эффекты существенны для электронов в металле даже при комнатной температуре.

В 1956 году Л. Купером (США) была указана физическая причина описанного. На основе этого в 1957 году Л. Купером совместно с Дж. Бардиным и Дж. Шриффером была создана теория сверхпроводимости. Было показано, что при наличии сколь угодно слабого притяжения между электронами в нормальном металле при температуре ТЫ)К возникают связанные попарно состояния электронов с противоположно направленными спинами. Такие две связанные между собой ферми-частицы, каждая из которых обладает спином ± 7/2, образуют новую, но уже не ферми-, а бозе - частицу с целочисленным спином. Притяжение возникает благодаря взаимодействию электронов с кристаллической решеткой положи­тельно заряженных ионов металла. Качественно это можно описать следующим образом. Каждый электрон, двигаясь в поле решетки, притягивает к себе положительные ионы, создавая вокруг себя избыточную плотность положительного заряда, т. е. движущийся электрон деформирует и поляризует решетку. При дальнейшем движении электрона область поляризации следует за ним с неко­торым отставанием в силу инерции более тяжелых по массе ионов. В результате в новом месте, куда приходит электрон, поляризация еще не успевает образоваться, а в месте, откуда он ушел, она еще не успевает исчезнуть. Эта область поляризации, где электрона, ее породившего, уже нет (следовательно, нет и кулоновского оттал­кивания), может служить источником притяжения для других электронов. Электроны притягиваются друг к другу через такие области поляризации попарно, в силу квантовости их спина (по полю и против поля и других электронов, кроме этих двух в таком же состоянии быть не может). Такое попарное притяжение электронов у некоторых металлов (сверхпроводников) оказывается более сильным, чем кулоновское отталкивание, что приводит к образованию квантовомеханических частиц нового типа, так называемых, «куперовских пар» с нулевым спином, т. е. бозе-частиц. Однако фазовый переход ферми-жидкости в бозе-жидкостъ из куперовских пар еще не означает перехода в сверхтекучее состоя­ние. Для этого необходимо образование «конденсата», что и проис­ходит в сверхпроводящих металлах при температурах ниже темпе­ратуры перехода Т<Тв.

Адиабатное размагничивание. Метод адиабатного размагни­чивания был предложен П. Дебаем в 1926 году и независимо от него В. Джиоком в 1927 году. Метод основан на магнитных свойствах парамагнитных веществ и их поведении во внешнем магнитном поле при ультранизких температурах.

Магнитные свойства вещества обусловлены наличием у электронов собственного механического момента количества движе­ния - спина и связанного с ним магнитного момента. В силу этого электрон представляет своего рода маленький магнит - магнитный диполь. Спин квантован и имеет численное значение ±1/2 квантовых единиц. Это значит, что спин может принимать только два взаимно противоположных направления относительно любой оси. Отсюда следует, что во внешнем магнитном поле электрон, как магнитный диполь, может быть ориентирован только двумя способами: либо по полю, либо против поля (рис.4.11).

Если вещество состоит из атомов, на внешней оболочке которых находится четное число электронов и спины их попарно

Взаимно противоположны, то эта система есть система спаренных спинов. Такие системы имеют нулевой результирующий магнитный момент, они магнитно нейтральны, а вещества, из них состоящие, называются диамагнетиками. Например, газы, такие как неон, аргон, криптон и ксенон, имеют по 8 попарно спаренных электронов на внешней оболочке и, как следствие этого, нулевой магнитный момент (они диамагнитны).

Если вещество состоит из атомов, на внешней оболочке которых находится нечетное число электронов, то они образуют систему неспаренных электронных спинов. Такие системы имеют отличный от нуля результирующий магнитный момент, они слабо магнитны, а вещества, из них состоящие, имеют неуравновешенный магнитный момент и называются парамагнитными. Поскольку совокупность таких неспаренных электронных спинов сильно взаимодействует между собой и слабо взаимодействует с другими электронами (спаренными) и ядрами атомов, то такая совокупность может рассматриваться как изолированная термодинамическая система. Таким образом, спиновая система - это совокупность сильно взаимодействующих неспаренных электронных спинов и связанных с ними магнитных моментов. Однако парамагнитные вещества в отсутствие внешнего магнитного поля не магнитны из-за того, что тепловое движение разупорядочивает систему магнитных диполей во все стороны равномерно и магнитной поляризации не возникает. При наложении внешнего магнитного поля Н>О все спины парамагнитного вещества выстраиваются вдоль поля, преимущественно по полю, и возникает магнитный момент Л/,

(4.18)

Направленный по полю Н

М = хн,
где Н - напряженность внешнего поля; М - намагничение; х - маг~ нитная восприимчивость вещества.

Энергия, затрачиваемая на намагничивание парамагнетика, переходит в тепло, следовательно вещество при намагничивании нагревается. Чтобы этого не происходило, необходимо отводить тепло в процессе намагничивания, т. е. проводить процесс намагни­чивания изотермически. При отключении поля часть спинов поме­няет ориентацию и повернется относительно своего предыдущего положения. На это также необходима энергия. Если процесс размагничивания осуществлять адиабатно, т. е. без теплового кон­такта с окружающими телами, то энергию можно взять только из собственной внутренней энергии кристаллической решетки вещест­ва. Следовательно, вещество будет охлаждаться. Так качественно выглядит процесс намагничивания и размагничивания парамаг­нитных веществ.

Работа намагничения

Sw = HdM. (4.19)

Поскольку в рассматриваемом случае работа совершается внешним магнитным полем Я над веществом по его намагничению, то для адиабатного процесса HdM < 0.

Таким образом при намагничении dM >0 и du>0 , что соответствует нагреву, а при размагничивании dM <0 и du<0 - охлаждению.

DH.

Изменение температуры парамагнетика при адиабатном размагничивании во внешнем магнитном поле Я может быть определено в общем виде, через полный дифференциал

DT =

Т.

разное

Дизайнерские радиаторы из чугуна от radimaxua.com

Интернет-магазин radimaxua.com предлагает широкий ассортимент дизайнерских радиаторов из чугуна, выпускаемых под брендом RETROstyle. Изготовлением декоративных радиаторов занимаются европейские заводы.

Солнечные коллекторы для отопления

Домашние отопительные системы обычно работают за счет энергии электричества, природного газа или масел, за которые необходимо платить. К тому эти способы отопления вредят окружающей среде. Альтернативой им является солнечная батарея или коллектор.

Как раскрутить свой Instagram с помощью сервиса Like Social ?

Популярность социальных сетей сделала возможной организацию бизнеса в Интернете. Чтобы убедиться в том, что интернет-дело может быть прибыльным, достаточно обратить внимание на количество пользователей популярной сети «Инстаграм», которое на сегодняшний …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.