Безотосний Техніка низьких температур Лабораторний практикум 2008 - Стор 4
У наукових лабораторіях для вимірювання рівня рідкого гелію
у кріостатах застосовуються електричні рівнеміри: резистивний та ємнісний (рис.2.7, а і б). Принцип дії резистивного рівнеміра заснований на різниці опору частини, зануреної
в рідину та що знаходиться в газовій фазі. Особливо хороші результати отримують, коли чутливий елемент є надпровідником із критичною температурою трохи більше 4,2 К (на-
приклад, тантал). Недолік такого рівнеміру - велика потужність, яка виділяється на чутливому елементі в нормальному стані. Від цього недоліку вільний ємнісний рівнемір, який є металевою трубкою з отворами, всередині якої по осі натягнута нитка. Оскільки рідина і газ мають-
а б ють різну діелектричну проникність, ємність такого
циліндричного конденсатора змінюватиметься залежно від рівня рідини. Деякі незручності користування цим
рівнеміром у тому, що температурна усадка, тобто. зміна розмірів конденсатора призводить до зміни ємності такого ж порядку, як і при заливці гелію. Цей недолік можна зменшити, якщо застосовувати матеріал із низьким коефіцієнтом температурного розширення (наприклад, інвар).
При зберіганні гелію в судинах Дьюара, а також при проведенні досліджень у кріостатах відбувається випаровування рідкого гелію внаслідок припливу тепла. В оцінках швидкості випаровування гелію слід розрізняти два крайні випадки. У першому — тепло підводиться до судини (кріостату) зовні і йде як на випаровування рідини, так і на збільшення ентальпії газу, що утворився. У другому випадку, коли тепло підводиться безпосередньо до рідини(наприклад, виділяється з зануреної в гелій частини приладу), воно йде тільки на випаровування рідини. За таких умов
рідкого гелію випаровується значно більше, ніж у першому випадку.
Експериментально кількість гелію, що випаровується, можна визначити за допомогою електричних рівнемірів, але більш точно і зручно це робити за допомогою газових лічильників, що випускаються промисловістю.
Опис експериментальної установки
На рис. 2.8 показана функціональна схема установки для визначення теплоти випаровування гелію і теплової потужності, що підводиться до дослідного кріостата.
У гелієвий кріостат 1 вміщені електричний нагрівач 2 зі змінною та відомою потужністю і ємнісний рівнемір 3 . Вихідний отвір гелієвої ємності кріостата з'єднано з газовим лічильником 4 який показує кількість газу, що пройшов через нього. Нагрівач з'єднаний із джерелом живлення 5 , струм якого змінюється за допомогою комп'ютера 6 . На комп'ютер через перетворювач (АЦП) подається напруга з нагрівача. Змінюючи струм нагрівача і вимірюючи кількість гелію, що випарувався, можна по залежності швидкості випаровування від підводиться потужності визначити теплоту випаровування рідкого гелію.
1. Перерахуйте основні властивості рідкого гелію як холодо-
2. Які термодинамічні газові процеси використані
в установці для одержання рідкого гелію?
3. Скільки літрів рідкого гелію необхідно для охолодження 1 кг міді від кімнатної до гелієвої температури, якщо вважати, що охолодження відбувається лише за рахунок випаровування гелію?
4. Як вимірюється рівень рідини у гелієвих пристроях?
5. Як можна експериментально визначити теплоту випаровування гелію?
6. При яких потужностях нагрівача необхідновизначати теплоту випаровування гелію?
1. Залити в кріостат рідкий гелій.
2. Виміряти кількість гелію, що випарувався, за заданий викладачем час.
3. Поділивши обсяг газу на час, визначити швидкість випаровування.
4. Встановивши у програмі на комп'ютері чотири задані значення струму, провести чотири виміри швидкості випаровування.
5. Побудувати графік залежності швидкості випаровування гелію від потужності, що підводиться.
6. Методом найменших квадратів провести по всіх точках пряму.
7. Визначити теплоту випаровування рідкого гелію і потужність, що підводиться до гелію. Порівняти з табличним значенням.
Список рекомендованої літератури
1. Фастовський В.Г., Петровський Ю.В., Ровінський А.Є. Кріогенна техніка. М: Енергія, 1974.
2. Хефер Р. Кріовакуумна техніка. М: Енергоатоміздат,
3. Баррон Р.Ф. Кріогенні системи. М: Енергоатоміздат,
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 3 ВЛАСТИВОСТІ ГЕЛІЯ В ІНТЕРВАЛІ ТЕМПЕРАТУР 4,2 - 1,5 К
Мета: вивчення властивостей рідкого гелію та методів отримання температур нижче 4,2 К
Відомі два типи систем, що мають надпровідність: надпровідний стан металів і надплинна фаза рідкого гелію (в цю фазу може переходити тільки ізотоп 4Не). Ще до створення мікроскопічної теорії надпровідності виникло розуміння того, що надпровідність і надплинність є макроскопічним проявом одного і того ж квантового ефекту: освіта Рідкий гелій цікавий, таким чином, не тільки як джерело низьких температур, при яких можливий надпровідний стан, але і як квантова система , Що має ряд унікальних властивостей, з яких деякі аналогічні властивостям надпровідників.
Фізичні властивості рідкого гелію
На рис.3.1 представлена фазовадіаграма важкого ізотопу 4 Не. З малюнка видно, що є дві рідкі фази HeI і HeII і що рідка низькотемпературна фаза поширюється при нормальному тиску аж до абсолютного нуля температур . Високотемпературна фаза HeI поводиться як звичайна рідина. Навпаки, поведінка HeII визначається його надплинністю. Існування HeII у рідкому стані при абсолютному нулі свідчить про домінуючу роль квантових нульових коливань його атомів, які перешкоджають затвердінню. Легкий ізотоп 3 Не в рідкій фазі не має надплинності, принаймні при температурах вище 0,003 К. Оскільки атоми 3 Не — ферміони, а атоми 4 Не — бозони, стає зрозумілим, що надплинність є наслідком. особливості в теплоємності при температурі переходу, виявленої Кеєзо-
мом та Клаузіусом та названою (за формою кривою, рис.3.2). Прирізко збільшується теплопровідність і майже до нуля падає в'язкість. Нижерідкий гелій можна представити як складається з двох компонентів: нормального - з щільністю n і надплинного - з щільністю s . Відношення ρ s / ρ s + ρ n змінюється від одиниці при T = 0 до нуля в λ- точці. Обидва компоненти можуть рухатися з різними швидкостями
і , і у разі, коли рідини немає обертального руху, тертя між компонентами відсутня. Нормальний компонент поводиться, як звичайна рідина з в'язкістю Па·с, і несе всю ентропію системи. Надплинний компонент, подібно до ідеальної рідини, не має в'язкості, проте на відміну від по-
його рух є безвихровим ( 0 ) незалежно від початкових умов, і циркуляція його швидкості за будь-яким контуром в рідині квантується:
де m - Маса атома 4 Не. В результатіу HeII, що обертається, виникають вихрові нитки з нормальною серцевиною, подібні до вихрів у надпровідниках другого роду. Надплинність HeII є наслідком особливого виду енергетичного спектру його збудження.
джень E ( ), який визначається утворенням бозеконденсату і відштовхуванням між атомами гелію (рис.3.3).
Використовуючи закони збереження енергії та імпульсу для взаємодії рідини з перешкодою (наприклад, зі стінками капіляра), можна показати, що народження збуджень виявляється не-