Н.А. Андреева
ФИЗИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Учебное пособие
Воронеж 2008
ГОУ ВПО
«Воронежский государственный технический университет»
Н.А. Андреева
ФИЗИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве
учебного пособия
Воронеж 2008
УДК 536.48
Н.А. Андреева Физика низких температур: учеб. пособие / Н.А. Андреева. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008. 128 с.
В учебном пособии представлены основные свойства твердых тел при низких и сверхнизких температурах: тепловые, электрические, механические и магнитные. Кратко приводятся сведения о кристаллической структуре твердых тел, ее дефектах. Описываются твердые тела с позиций квантово - механических представлений.
Приводятся сведения о физических основах охлаждения, о свойствах криогенных жидкостей, в том числе и квантовых, даются представления о сверхтекучести гелия. Кратко представлены процессы и схемы ожижения водорода, гелия-4 и гелия-3, а также описываются методы получения сверхнизких температур.
Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 140400 "Техническая физика", дисциплине "Физика низких температур", предназначено для студентов и всех тех, кто хотел бы ознакомиться с низкими температурами.
Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word и содержится в файле ФНТ.doc
Табл. 4 Ил. 81 Библиогр.: 17 назв.
Рецензенты: кафедра математики и естественно-научных
дисциплин" Воронежского филиала Российского
государственного торгово-экономического
университета " (зав. кафедрой д-р техн. наук,
проф. Д.Б. Десятов);
канд. физ.-мат. наук. доц. В.А.Юрьев
© Андреева Н. А., 2008
© ГОУВПО «Воронежский государственный
технический университет», 2008
Введение
Прошло более пяти лет со дня выхода в свет первого издания этого учебного пособия. За эти годы произошли значительные изменения в учебном процессе подготовки специалистов в области физики и техники низких температур. Появились такие учебные дисциплины как "Физика низких температур", "Низкотемпературные устройства", для которой написана книга "Техническое использование низких температур"; "Техника низкотемпературного эксперимента" и соответствующая книга "Техника эксперимента в физике низких температур" и некоторые другие. В каждой из них определены объемы и рамки информации, но их объединяет одно - диапазон рабочих температур, в котором изучаются физические явления, наблюдаемые в конструкционных материалах в основном классических сверхпроводников. Впервые рассмотрены тонкие физические процессы, протекающие в них, без знания которых практически невозможно создание сверхвысокоточных сверхпроводящих приборов, например, гравиразведки и навигации.
Наряду с ними существует учебный курс "Криофизика", который был введен в учебные программы головной организации (Московский энергетический институт) МЭИ специальности "Техника и физика низких температур" еще в 1991г. В нем расширен раздел о физических свойствах твердых тел, об области низких температур и изменен раздел "Получение низких и сверхнизких температур. Криогенные жидкости". В связи с интересом, проявляемым в настоящее время к водородной энергетике, авторы представили информацию о водороде, его свойствах и методе ожижения. Кроме того, изменили компановку параграфов способствующих улучшению восприятия материала, ввели дополнения и внесли соответствующие исправления в текст, что способствовало улучшению книги.
Как и в предыдущем издании структура книги не изменилась: материал размещен в трех разделах. В первом и во втором кратко рассматриваются строение и состояние металлов и металлических сплавов, дефекты кристаллической решетки, кооперативные процессы перемещения атомов, тепловые колебания атомов решетки и их вклад в процессы переноса, теплоемкость и тепловое расширение; энергетическое состояние электронов в различных внешних условиях.
Твердое тело в целом рассматривается как некий объем, в котором сосуществуют подсистемы взаимодействующих ”нормальных” электронов и фононов. Существенные различия микрочастиц по своей природе влияют на свойства материалов, что сказывается на характере полевой и температурной зависимости электросопротивления, удельной теплоемкости и теплопроводности и других параметров. Показывается, что в области низких и сверхнизких температур вклады различных микрочастиц можно не только различить, но и определять. При сверхнизких температурах доминирует электронная компонента удельной теплоемкости, коэффициент теплопроводности чистых металлов также в основном определяется электронной составляющей и только для металлических сплавов электронная и фононная составляющие примерно равны. Электропроводность здесь определяется только рассеянием нормальных электронов на дефектах и практически не зависит от температуры.
Третий раздел пособия посвящен физическим принципам получения низких и сверхнизких температур. Даются представления о тепловой функции, которая характеризует изменения теплового состояния тела и рассматривается общий принцип его понижения через уменьшение энтропии. Приводится классификация основных методов получения низких и сверхнизких температур. Здесь рассматриваются принципы ожижения водорода, гелия - 4 и гелия -3, основанные на методах совершения работы в детандере сжатым газом, дросселирования и десорбционного охлаждения. Обосновывается необходимость предварительного охлаждения газа ниже температуры инверсии. Приводятся физические принципы дальнейшего понижения температуры с помощью адиабатического размагничивания парамагнитной соли и методы изотропного расширения. Рассматривается метод Померанчука, где в качестве рабочего тела используется изотоп 3Не и метод растворения 3Не в 4Не.
В этом же разделе идет речь о криогенных жидкостях (кислород, азот, водород, гелий). Даются сведения о их теплофизических, химических свойствах, фазовых диаграммах изотопов гелия 3Не и 4Не. Описываются опыты П.Л. Капицы по обнаружению сверхтекучести Не II.
Во второе издание книги включены некоторые Приложения для ее информационной привлекательности. При этом авторы не ставили задачи увеличить объем данного учебного пособия.