Фізика низьких температур — розділ фізики, що займається вивченням фізичних властивостей систем, які знаходяться при низьких температурах. Зокрема, цей розділ розглядає такі явища, як надпровідність і надплинність. Фізика низьких температур вивчає фізичні процеси, що протікають за дуже низьких температур, аж до абсолютного нуля, займається вивченням властивостей матеріалів за цих низьких і наднизьких температур, і таким чином пов'язана з багатьма галузями науки і техніки.
Методи отримання низьких температур
Випаровування рідин
Для отримання і підтримки низьких температур зазвичай використовують зріджені гази. У посудині Дьюара, яка містить зріджений газ, що випаровується за атмосферного тиску, досить добре підтримується постійна температура нормального кипіння холодоагенту. Найчастіше використовувані холодоагенти — рідкий азот і рідкий гелій. Раніше використовувалися зріджені водень і кисень, які зараз використовуються досить рідко через підвищену вибухонебезпечність випарів. Разом з тим азот і гелій практично інертні і небезпеку становить тільки різке розширення при переході з рідкого в газоподібний стан.
Знижуючи тиск над вільною поверхнею рідини можна отримати температуру, нижчу від нормальної точки кипіння цієї рідини. Наприклад, відкачуванням пари азоту можна отримати температуру до температури потрійної точки 63 K, відкачуванням пари водню (над твердою фазою) можна отримати температуру 10 K, відкачуванням пари гелію можна отримати (при дуже хороших умовах проведення експерименту) температуру близько 0,7 K.
Дроселювання
Під час протікання через звуження прохідного каналу трубопроводу — дросель, або через пористу перегородку відбувається зниження тиску газу або пари разом зі зниженням його температури. Ефект дроселювання використовується головним чином для глибокого охолодження і зрідження газів.
Зміна температури за малої зміни тиску внаслідок ефекту Джоуля-Томсона визначається похідною , званою коефіцієнтом Джоуля-Томсона.
Розширення з виконанням зовнішньої роботи
Можна охолоджувати газ, використовуючи детандер — пристрій для додаткового охолодження газу шляхом його випуску під тиском у циліндр з поршнем, який переміщається із зусиллям. При цьому газ здійснює роботу і охолоджується. Використовується в циклі отримання рідкого гелію.
Якщо замість поршня використовувати турбіну — вийде турбодетандер, принцип дії якого аналогічний.
Адіабатне розмагнічування
Метод заснований на ефекті виділення теплоти з парамагнітних солей під час їх намагнічування і подальшого поглинання теплоти під час їх розмагнічування. Це дозволяє отримувати температури аж до 0,001 K. Для отримання дуже низьких температур найбільше підходять солі з малою концентрацією парамагнітних іонів, тобто солі, в яких сусідні парамагнітні іони відокремлені один від одного немагнітними атомами.
Ефект Пельтьє
Ефект Пельтьє використовують у термоелектричних охолоджувальних пристроях. Він заснований на зниженні температури спаїв напівпровідників під час проходження через них постійного електричного струму. Кількість виділеної теплоти та її знак залежать від виду речовин, що контактують, сили струму і часу проходження струму, тобто кількість теплоти, що виділяється, пропорційна заряду, що пройшов через контакт.
Кріостат розчинення
У процесі охолодження використовується суміш двох ізотопів гелію: 3He і 4He. Під час охолодження нижче 700 мК, суміш зазнає мимовільного [en], утворюючи фази багату на 3He і багату на 4He. Суміш 3He/4He зріджується в конденсаторі, приєднаному через дросель до частини змішувальної камери, багатої на 3He. Атоми 3He, проходячи через межу розділення фаз, відбирають енергію у системи. Кріостати розчинення з безперервним циклом зазвичай використовуються в низькотемпературних фізичних експериментах.
Вимірювання низьких температур
Первинним термометричним приладом для вимірювання термодинамічної температури аж до 1 К служить газовий термометр. Використовуються термометри опору (платиновий — для прецизійних вимірювань, мідний, вугільний).
Як вторинні термометри можуть використовуватися термопари, напівпровідникові діоди — однак вони вимагають градуювання. Аналогом термометрії за тиском насиченої пари в області наднизьких температур є вимірювання температури в діапазоні 30-100 мК за осмотичним тиском ³He в суміші ³He — 4He.
Історія фізики низьких температур
Основні етапи розвитку фізики низьких температур були пов'язані зі скрапленням газів, які дозволяли проводити вимірювання за температури, рівної температурі кипіння.
- 1852 року Джеймс Джоуль і Вільям Томсон виявили ефект Джоуля — Томсона.
- 1883 року Сигізмунд Врублевський і Кароль Ольшевський вперше отримали рідкий кисень і рідкий азот у вимірних кількостях.
- 1898 року Джеймсом Дьюаром отримано близько 20 см3 рідкого водню.
- 1908 року Хейке Камерлінг-Оннес зумів отримати 60 см3 рідкого гелію. Низьких температур, необхідних для конденсації гелію, було досягнуто за адіабатичного дроселювання водню.
- 1913 року за одержання рідкого гелію Хейке Камерлінг-Оннес був відзначений Нобелівською премією з фізики.
- 1925 року Альберт Ейнштейн теоретично передбачив існування конденсату Бозе — Ейнштейна як наслідок із законів квантової механіки на основі робіт Шатьєндраната Бозе.
- 1926 року [ru] зміг отримати 1 см3 твердого гелію, використовуючи не тільки низьку температуру, але й підвищений тиск.
- 1930 року Віллем Гендрик Кеезом виявляє наявність фазового переходу в рідкому гелії за температури 2,17 К і тиску насиченої пари 0,005 МПа. Називає фазу, стійку вище від 2,17 K гелієм-I, і фазу, стійку нижче від 2,17 K гелієм-II. Також спостерігає пов'язані з цим аномалії в теплопровідності (навіть називає гелій-II «надтеплопровідним»), теплоємності, плинності гелію.
- 1938 року П. Л. Капиця відкрив надплинність гелію-II.
- 1941 року квантово-механічне пояснення явища надплинності було дано Л. Д. Ландау.
- 1948 року вперше вдалося зрідити і гелій-3.[]
- 1962 року Л. Ландау отримав Нобелівську премію з фізики.
- 1972 року в рідкому 3He було також виявлено фазовий перехід у надплинний стан. Пізніше було експериментально показано, що нижче 2,6 мК і за тиску 34 атм 3He дійсно стає надплинним.
- 1978 року за відкриття явища надплинності Нобелівську премію з фізики отримали Петро Капиця, Арно Аллан Пензіас і Роберт Вудро Вільсон.
- 1995 року Еріком Корнеллом і Карлом Віманом вперше було отримано конденсат Бозе — Ейнштейна. Вчені використовували газ з атомів рубідію, охолоджений до 170 нК.
- 1996 року за відкриття надплинності гелію-3 Дугласу Ошерову, Роберту Річардсону і Девіду Лі було присуджено Нобелівську премію з фізики.
- 2001 року за отримання конденсату Бозе — Ейнштейна Еріку Корнеллу, Карлу Віману спільно з Вольфгангом Кеттерле було присуджено Нобелівську премію з фізики.
- 2003 року Нобелівською премією з фізики відзначено Олексія Абрикосова, Віталія Гінзбурга і Ентоні Легетта, зокрема й за створення теорії надплинності рідкого гелію-3.
- 2004 року було оголошено про відкриття надплинності твердого гелію. Цю заяву було зроблено на підставі ефекту несподіваного зменшення моменту інерції крутильного маятника з твердим гелієм. Проте в наступні роки результати незалежних експериментів, не могли підтвердити цього відкриття. Ситуація з надплинністю твердого гелію залишалася неясною до 2012 року, коли було показано, що інтерпретація виявленого ефекту як переходу твердого гелію в надплинний стан була помилковою.
Спеціальність ВАК
«Фізика низьких температур» (шифр спеціальності 01.04.09) — галузь фундаментальної науки, що вивчає фізичні явища і стани речовини, характерні для температур, близьких до абсолютного нуля. Включає теоретичні та експериментальні дослідження структури і властивостей речовини в та фізичної природи й характеристик різних елементарних збуджень, а також квантових кооперативних явищ, таких як надплиність, надпровідність, бозе-конденсація, магнітне, зарядове і інші типи впорядкування. Паспорт спеціальності ВАК «Фізика низьких температур» передбачає такі галузі дослідження:
- Кінетичні та рівноважні властивості металів і сплавів при низьких температурах.
- Низькотемпературні фазові переходи, зокрема надпровідність і надплинність.
- Низькотемпературні квантові ефекти в напівпровідниках і діелектриках.
- Низькотемпературний магнетизм.
- Властивості квантових газів і квантових рідин.
- Властивості квантових кристалів і кріокристалів.
- Властивості невпорядкованих систем при низьких температурах.
- Фізичні засади, методи одержання та вимірювання низьких і наднизьких температур.
Наукові журнали
Посилання
- 300 Below — Founder of Commercial Cryogenic Industry (Since 1966)
- An Introduction to Cryogenics
Примітки
- Физика низких температур. Краткий исторический очерк.[недоступне посилання з Июнь 2019]
- Наука и техника: Физика/СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ
- Паспорт специальности ВАК
- . Архів оригіналу за 1 червня 2010. Процитовано 2 лютого 2020.
Див. також
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Fizika nizkih temperatur rozdil fiziki sho zajmayetsya vivchennyam fizichnih vlastivostej sistem yaki znahodyatsya pri nizkih temperaturah Zokrema cej rozdil rozglyadaye taki yavisha yak nadprovidnist i nadplinnist Fizika nizkih temperatur vivchaye fizichni procesi sho protikayut za duzhe nizkih temperatur azh do absolyutnogo nulya zajmayetsya vivchennyam vlastivostej materialiv za cih nizkih i nadnizkih temperatur i takim chinom pov yazana z bagatma galuzyami nauki i tehniki Metodi otrimannya nizkih temperaturViparovuvannya ridin Dlya otrimannya i pidtrimki nizkih temperatur zazvichaj vikoristovuyut zridzheni gazi U posudini Dyuara yaka mistit zridzhenij gaz sho viparovuyetsya za atmosfernogo tisku dosit dobre pidtrimuyetsya postijna temperatura normalnogo kipinnya holodoagentu Najchastishe vikoristovuvani holodoagenti ridkij azot i ridkij gelij Ranishe vikoristovuvalisya zridzheni voden i kisen yaki zaraz vikoristovuyutsya dosit ridko cherez pidvishenu vibuhonebezpechnist vipariv Razom z tim azot i gelij praktichno inertni i nebezpeku stanovit tilki rizke rozshirennya pri perehodi z ridkogo v gazopodibnij stan Znizhuyuchi tisk nad vilnoyu poverhneyu ridini mozhna otrimati temperaturu nizhchu vid normalnoyi tochki kipinnya ciyeyi ridini Napriklad vidkachuvannyam pari azotu mozhna otrimati temperaturu do temperaturi potrijnoyi tochki 63 K vidkachuvannyam pari vodnyu nad tverdoyu fazoyu mozhna otrimati temperaturu 10 K vidkachuvannyam pari geliyu mozhna otrimati pri duzhe horoshih umovah provedennya eksperimentu temperaturu blizko 0 7 K Droselyuvannya Pid chas protikannya cherez zvuzhennya prohidnogo kanalu truboprovodu drosel abo cherez poristu peregorodku vidbuvayetsya znizhennya tisku gazu abo pari razom zi znizhennyam jogo temperaturi Efekt droselyuvannya vikoristovuyetsya golovnim chinom dlya glibokogo oholodzhennya i zridzhennya gaziv Zmina temperaturi za maloyi zmini tisku vnaslidok efektu Dzhoulya Tomsona viznachayetsya pohidnoyu m J T T P H displaystyle mu JT left frac partial T partial P right H zvanoyu koeficiyentom Dzhoulya Tomsona Rozshirennya z vikonannyam zovnishnoyi roboti Mozhna oholodzhuvati gaz vikoristovuyuchi detander pristrij dlya dodatkovogo oholodzhennya gazu shlyahom jogo vipusku pid tiskom u cilindr z porshnem yakij peremishayetsya iz zusillyam Pri comu gaz zdijsnyuye robotu i oholodzhuyetsya Vikoristovuyetsya v cikli otrimannya ridkogo geliyu Yaksho zamist porshnya vikoristovuvati turbinu vijde turbodetander princip diyi yakogo analogichnij Adiabatne rozmagnichuvannya Metod zasnovanij na efekti vidilennya teploti z paramagnitnih solej pid chas yih namagnichuvannya i podalshogo poglinannya teploti pid chas yih rozmagnichuvannya Ce dozvolyaye otrimuvati temperaturi azh do 0 001 K Dlya otrimannya duzhe nizkih temperatur najbilshe pidhodyat soli z maloyu koncentraciyeyu paramagnitnih ioniv tobto soli v yakih susidni paramagnitni ioni vidokremleni odin vid odnogo nemagnitnimi atomami Efekt Peltye Efekt Peltye vikoristovuyut u termoelektrichnih oholodzhuvalnih pristroyah Vin zasnovanij na znizhenni temperaturi spayiv napivprovidnikiv pid chas prohodzhennya cherez nih postijnogo elektrichnogo strumu Kilkist vidilenoyi teploti ta yiyi znak zalezhat vid vidu rechovin sho kontaktuyut sili strumu i chasu prohodzhennya strumu tobto kilkist teploti sho vidilyayetsya proporcijna zaryadu sho projshov cherez kontakt Kriostat rozchinennya Refrizherator rozchinennya U procesi oholodzhennya vikoristovuyetsya sumish dvoh izotopiv geliyu 3He i 4He Pid chas oholodzhennya nizhche 700 mK sumish zaznaye mimovilnogo en utvoryuyuchi fazi bagatu na 3He i bagatu na 4He Sumish 3He 4He zridzhuyetsya v kondensatori priyednanomu cherez drosel do chastini zmishuvalnoyi kameri bagatoyi na 3He Atomi 3He prohodyachi cherez mezhu rozdilennya faz vidbirayut energiyu u sistemi Kriostati rozchinennya z bezperervnim ciklom zazvichaj vikoristovuyutsya v nizkotemperaturnih fizichnih eksperimentah Vimiryuvannya nizkih temperaturPervinnim termometrichnim priladom dlya vimiryuvannya termodinamichnoyi temperaturi azh do 1 K sluzhit gazovij termometr Vikoristovuyutsya termometri oporu platinovij dlya precizijnih vimiryuvan midnij vugilnij Yak vtorinni termometri mozhut vikoristovuvatisya termopari napivprovidnikovi diodi odnak voni vimagayut graduyuvannya Analogom termometriyi za tiskom nasichenoyi pari v oblasti nadnizkih temperatur ye vimiryuvannya temperaturi v diapazoni 30 100 mK za osmotichnim tiskom He v sumishi He 4He Istoriya fiziki nizkih temperaturOsnovni etapi rozvitku fiziki nizkih temperatur buli pov yazani zi skraplennyam gaziv yaki dozvolyali provoditi vimiryuvannya za temperaturi rivnoyi temperaturi kipinnya 1852 roku Dzhejms Dzhoul i Vilyam Tomson viyavili efekt Dzhoulya Tomsona 1883 roku Sigizmund Vrublevskij i Karol Olshevskij vpershe otrimali ridkij kisen i ridkij azot u vimirnih kilkostyah 1898 roku Dzhejmsom Dyuarom otrimano blizko 20 sm3 ridkogo vodnyu 1908 roku Hejke Kamerling Onnes zumiv otrimati 60 sm3 ridkogo geliyu Nizkih temperatur neobhidnih dlya kondensaciyi geliyu bulo dosyagnuto za adiabatichnogo droselyuvannya vodnyu 1913 roku za oderzhannya ridkogo geliyu Hejke Kamerling Onnes buv vidznachenij Nobelivskoyu premiyeyu z fiziki 1925 roku Albert Ejnshtejn teoretichno peredbachiv isnuvannya kondensatu Boze Ejnshtejna yak naslidok iz zakoniv kvantovoyi mehaniki na osnovi robit Shatyendranata Boze 1926 roku ru zmig otrimati 1 sm3 tverdogo geliyu vikoristovuyuchi ne tilki nizku temperaturu ale j pidvishenij tisk 1930 roku Villem Gendrik Keezom viyavlyaye nayavnist fazovogo perehodu v ridkomu geliyi za temperaturi 2 17 K i tisku nasichenoyi pari 0 005 MPa Nazivaye fazu stijku vishe vid 2 17 K geliyem I i fazu stijku nizhche vid 2 17 K geliyem II Takozh sposterigaye pov yazani z cim anomaliyi v teploprovidnosti navit nazivaye gelij II nadteploprovidnim teployemnosti plinnosti geliyu 1938 roku P L Kapicya vidkriv nadplinnist geliyu II 1941 roku kvantovo mehanichne poyasnennya yavisha nadplinnosti bulo dano L D Landau 1948 roku vpershe vdalosya zriditi i gelij 3 komu 1962 roku L Landau otrimav Nobelivsku premiyu z fiziki 1972 roku v ridkomu 3He bulo takozh viyavleno fazovij perehid u nadplinnij stan Piznishe bulo eksperimentalno pokazano sho nizhche 2 6 mK i za tisku 34 atm 3He dijsno staye nadplinnim 1978 roku za vidkrittya yavisha nadplinnosti Nobelivsku premiyu z fiziki otrimali Petro Kapicya Arno Allan Penzias i Robert Vudro Vilson 1995 roku Erikom Kornellom i Karlom Vimanom vpershe bulo otrimano kondensat Boze Ejnshtejna Vcheni vikoristovuvali gaz z atomiv rubidiyu oholodzhenij do 170 nK 1996 roku za vidkrittya nadplinnosti geliyu 3 Duglasu Osherovu Robertu Richardsonu i Devidu Li bulo prisudzheno Nobelivsku premiyu z fiziki 2001 roku za otrimannya kondensatu Boze Ejnshtejna Eriku Kornellu Karlu Vimanu spilno z Volfgangom Ketterle bulo prisudzheno Nobelivsku premiyu z fiziki 2003 roku Nobelivskoyu premiyeyu z fiziki vidznacheno Oleksiya Abrikosova Vitaliya Ginzburga i Entoni Legetta zokrema j za stvorennya teoriyi nadplinnosti ridkogo geliyu 3 2004 roku bulo ogolosheno pro vidkrittya nadplinnosti tverdogo geliyu Cyu zayavu bulo zrobleno na pidstavi efektu nespodivanogo zmenshennya momentu inerciyi krutilnogo mayatnika z tverdim geliyem Prote v nastupni roki rezultati nezalezhnih eksperimentiv ne mogli pidtverditi cogo vidkrittya Situaciya z nadplinnistyu tverdogo geliyu zalishalasya neyasnoyu do 2012 roku koli bulo pokazano sho interpretaciya viyavlenogo efektu yak perehodu tverdogo geliyu v nadplinnij stan bula pomilkovoyu Specialnist VAK Fizika nizkih temperatur shifr specialnosti 01 04 09 galuz fundamentalnoyi nauki sho vivchaye fizichni yavisha i stani rechovini harakterni dlya temperatur blizkih do absolyutnogo nulya Vklyuchaye teoretichni ta eksperimentalni doslidzhennya strukturi i vlastivostej rechovini v ta fizichnoyi prirodi j harakteristik riznih elementarnih zbudzhen a takozh kvantovih kooperativnih yavish takih yak nadplinist nadprovidnist boze kondensaciya magnitne zaryadove i inshi tipi vporyadkuvannya Pasport specialnosti VAK Fizika nizkih temperatur peredbachaye taki galuzi doslidzhennya Kinetichni ta rivnovazhni vlastivosti metaliv i splaviv pri nizkih temperaturah Nizkotemperaturni fazovi perehodi zokrema nadprovidnist i nadplinnist Nizkotemperaturni kvantovi efekti v napivprovidnikah i dielektrikah Nizkotemperaturnij magnetizm Vlastivosti kvantovih gaziv i kvantovih ridin Vlastivosti kvantovih kristaliv i kriokristaliv Vlastivosti nevporyadkovanih sistem pri nizkih temperaturah Fizichni zasadi metodi oderzhannya ta vimiryuvannya nizkih i nadnizkih temperatur Naukovi zhurnali Fizika nizkih temperatur Fiziko tehnichnogo institutu nizkih temperatur im B I Vyerkina NAN UkrayiniPosilannya300 Below Founder of Commercial Cryogenic Industry Since 1966 An Introduction to CryogenicsPrimitkiFizika nizkih temperatur Kratkij istoricheskij ocherk nedostupne posilannya z Iyun 2019 Nauka i tehnika Fizika SVERHTEKUChEST Pasport specialnosti VAK Arhiv originalu za 1 chervnya 2010 Procitovano 2 lyutogo 2020 Div takozhKriotehnika