低温物理与技术-第1章温度和温度计.ppt

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1、温度的定义,温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。从分子运动论观点看，温度是物体分子平均平动动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。,温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度。两点间作100等分，每一份称为1摄氏度。记作1。目前国际上用得较多的温标有华氏温标(F)、摄氏温标（

2、C）、热力学温标(K)和国际实用温标。,温标,1.1 温度和温标,第1章 温度测量与低温温度计,1.2 温区划分,实验室最低温度：0.5nK 最高温度：核聚变温度,温度没有极高点，只有理论极低点“绝对零度”。“绝对零度”是无法通过有限步骤达到的。,低温温区的划分,一般说来，摄氏零度以下称为低温。若按低温获得方法及应用情况可分为三个温区。1.普冷 0153（273K120K）2.深冷 153272.7（120K0.3K）3.极低温 272.7以下（0.3K 以下）普冷，通常称为制冷技术，它应用在空调、冰箱等方面。主要是以氨、氟利昂等为制冷工质，通过高压液体的膨胀来达到低温，并依靠液体的汽化获得冷

3、量。深冷温区是以N2，O2，H2，He等气体为工质，通过节流或绝热膨胀达到低温，使气体液化。0.3K 以下的极低温需要用3He稀释制冷机及绝热去磁等方法来获得。低温实验技术主要是研究深冷和极低温的获得，低温温度的控制和测量等。,为了便于学术交流以及沟通彼此之间的思想，我们应尽可能使用推荐的术语，尽量不要个人创造词汇。12080K叫做LNG温度(液化天然气温度)80一63K叫做N2温度(氮温度)22K14K叫做H2温度(氢温度)5.2K一1K叫做4He温度(氦-4温度)1K0.3K叫做3He温度(氦-3温度)1K以下的温度变得越来越重要了，我们将这一温区称为“超低温”(ULT),1.3 温度测量

4、和温度计,频率测温法 采用频率作为温度标志，根据某些物体的固有频率随温度变化的原 理来测量温度。,辐射测温法 物体在任何温度下都会发出热辐射(红外线或可见光),辐射测温法采 用光谱辐射度（即光谱辐射亮度）或辐射出射度（即辐射通量密度）作为温度标志。,磁学测温法 根据顺磁物质的磁化率与温度的关系来测量温度,声学测温法 采用声速作为温度标志，根据理想气体中声速的二次方与开尔文温 度成正比的原理来测量温度。,其他测温方法,晶体管 二极管 场效应管等也可以用作温度敏感元件,频率测温法,辐射测温法,定压气体温度计,玻璃液体温度计,双金属温度计,工业用压力表式温度计 定容式气体温度计 低温下的蒸气压温度计

5、,热电偶温度计 电阻温度计 半导体热敏电阻温度计,磁学测温法,磁温度计主要用于低温范围，在超低温（小于1K）测量,声学测温法,在各种物理量的测量中，频率(时间)的测量准确度最高（相对误差可小到110-14）；如石英晶体温度计，核磁四极共振温度计,常见的辐射温度计可分为以光谱辐射度为温度标志的光学高温计和光电高温计；以辐射出射度为温度标志的全辐射温度计以及比色高温计三种,晶体管PN结温度计,其他测温方法,一切与温度有关的物理性质都有可能用来作为温度敏感器件,最大温度计,巨型温度计直径0.65米，高12米，温度显示高5.4米，可以实测摄氏100度以内的地表温度、空气温度，误差不超过正负0.5度,新

6、疆吐鲁番火焰山景区,2004年8月16日,用于低温工作的各种不同温度计的特性曲线,1.4 常用的低温温度计,1气体温度计：多用氢气或氦气作测温物质，因为氢气和氦气的液化温度很低，接近于绝对零度，故它的测温范围很广。这种温度计精确度很高，多用于精密测量。2电阻温度计：分为金属电阻温度计和半导体电阻温度计，都是根据电阻值随温度的变化这一特性制成的。金属温度计主要有用铂、金、铜、镍等纯金属的及铑铁、磷青铜合金的；半导体温度计主要用碳、锗等。电阻温度计使用方便可靠，它的测量范围为-260至600左右。高精度温度计3温差电偶温度计：是一种工业上广泛应用的测温仪器。利用温差电现象制成。两种不同的金属丝焊接

7、在一起形成工作端，另两端与测量仪表连接，形成电路。把工作端放在被测温度处，工作端与自由端温度不同时，就会出现电动势，因而有电流通过回路。通过电学量的测量，利用已知处的温度，就可以测定另一处的温度。它适用于温差较大的两种物质之间，多用于高温和低温测量。有的温差电偶能测量高达3000的高温，有的能测接近绝对零度的低温。,各种温度计适用温区,1.4.1 电阻温度计,最常用的电阻温度计都采用金属丝绕制成的感温元件，主要有铂电阻温度计和铜电阻温度计，在低温下还有碳、锗和铑铁电阻温度计。精密的铂电阻温度计是目前最精确的温度计，温度覆盖范围约为14903K，其误差可低到万分之一摄氏度，它是能复现国际实用温标

8、的基准温度计。,通常是把纯铂细丝绕在云母或陶瓷架上，防止铂丝在冷却收缩时产生过度的应变。在某些特殊情况里，可将金属丝绕在待测温度的物质上，或装入被测物质中。在测极低温的范围时，亦可将碳质小电阻或渗有砷的锗晶体，封入充满氦气的管中。,小型铂电阻温度计,铂电阻温度计,R(T)=R(O)(1+AT+BT2+C(T-1O0)T3),-20000C的温度范围,在0850 范围内,半导体温度计：锗电阻，炭电阻，炭玻璃，RuO2（块状）,直径3毫米左右,锗电阻,1.4.2 半导体温度计（RuO2薄膜等）,RuO2温度计,它是在0.5mm厚的Al2O3村底上镀一层厚度约为10m 的RuO2薄膜贴片尺寸为2.0

9、mm3.0mm0.5mm，经研磨厚度可达0.2 mm 此电阻成型时，经过85烘烤实验用的2种电阻在室温下的阻值分别为5100和1100,T=A1R-2+A2R-1+A3+A4R+A5R2,热电偶温度计,两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成图所示的闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。,热电效应,两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测介质接触的一个称为测量结成工作端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。,两种导体的接触电动势,两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如NANB电子密

10、度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散，从而由于导体A失去了电子而具有正电位。相反导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时A、B之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势.,K为玻耳兹曼常数；e为电子电荷：NA(T)、NB(T)为A、B两种材料在温度T时的自由电子密度。,单一导体中的温差电动势 对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。,回路中总的接触电势为：,热电偶

11、总电动势与电子密度NA、NB及两节点温度T、T0有关，电子密度取决于热电偶材料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电动势EAB(T，T0)成为温度T和To的函数差，即,中间导体 如图所示，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。,热电偶接线示意图,三个导体热电偶,各种热电偶的灵敏度,热偶温度计可自制吗?,低温温差电偶的连接,低温下常用：铜康铜，镍鉻康铜 铜铜铁 铜金铁 镍鉻金铁,利用热电偶发电的问题,铜康铜热电偶为例,ZT=(40V/K)2/=52.5cm 23W/(mK)=410-3,最大效率为,热电优质因子ZT=

12、S2/,康铜电阻率=52.5cm热导率=23W/(mK)热电势 S=40V/K,冷端为300K时，不同ZT值下转换效率随温度的变化关系,Nanotechnology studies explore the extreme properties of strongly interacting electronic systems through conductance measurements,and probe quantum phase transitions close to absolute zero temperature.,Two-channel Kondo effect and r

13、enormalization flow with macroscopic quantum charge states,Universal Fermi liquid crossover and quantum criticality in a mesoscopic system,Nature 526，233（2015）,Nature 526，237（2015）,Zero-temperature quantum phase transitions and their associated quantum critical points are believed to underpin the ex

14、otic finite-temperature behaviours of many strongly correlated electronic systems,such as heavy fermion materials and maybe even high-temperature superconductors.But identifying the microscopic origins of these transitions can be challenging and controversial.In two complementary papers,Zubair Iftik

15、haret al.and Andrew Kelleret al.show how such behaviours can be engineered into nanoelectronic quantum dots,thereby permitting both exquisite experimental control of the quantum critical behaviour and its exact theoretical characterization.,1.4.4 PN结温度计,利用的原理是PN结上的正向压降随着温度的升高而下降，对于硅晶体管来说大约是 2.3 mV/o

16、C，在相当大的温度范围内(75。C十150。C)线性程度很好。图中 D为硅二极管，工作时基本上为恒流状态，电位器Rw1和R3用来调节输出电压与温度的对应关系，R4和Rw2用来调节放大倍数。这是最基本的线路，为提高其性能还要附加上一些恒流源电路等，结构就复杂了。,晶体二极管温度计电路图,晶体管温度计具有灵敏度高，线性度好，体积小等优点，已经开始在各个领域应用。为了使用方便，国外已有将晶体管温度计的全部电路集成化，做成集成电路式的温度测头。另外还出现了热电晶体管温度计，它是将以热电偶为测温元件的热电温度计和晶体管温度计连接起来而组成的。这样可使热电偶的热电势和晶体管温度计的输出电压直接迭加。这种温

17、度计像热电偶温度计一样 测量温度范围大 响应特性较好 较为灵敏，而且又像晶体管温度计那样无须基准接点 使用方便。,Cernox和RuO2的磁阻效应,由2300K(5kHz,8mv(有效值)的测量条件)电容温度计的电容一温度特性。在靠近电容极大值,没有表现出损耗角正切随温度的单调变 化。,1.4.5 低温电容温度计,因为电容温度计的工作与束缚电荷相联系,因此,磁场对电容没有影响。,电容温度计不受磁场影响是最吸引人的特性,这使得它能在有超导强磁场的条件下,用来测量和控制温度。无疑电容温度计是用在超导马达、超导发电机、磁悬浮列车上,或实际上是用在包括有强磁场的任何超导应用中的一种最合适的温度传感器件

18、。,电容温度计,1.5 温度计的选择、安装和使用,电阻测温特点,优点：1）输出信号大、测温精度高；2）电阻信号便于远传；3）无需冷端补偿；4）可以实现多点切换测量,缺点：1）感温部分体积大，热惯性大；2）不能测取某一点的温度，只能测量一个区域的平均温度；3）在使用时需要外供电源；4）连接导线电阻易受环境温度影响而产生测量误差。,半导体温度计的特点：低温下灵敏度大渗炭玻璃温度计的磁场影响很小，RuO2温度计其次，但有体积小的优点,选择温度计的因素：在使用温度范围内的阻值和灵敏度；易于测量；自热情况；体积的要求；,温度计所应该满足的要求：用来表征温度的物理量（x）必须可以被容易、快速和精确地测量；

19、测量值和温度的关系x(T)可以比较简单地描述；灵敏度(x/x)/(T/T)应该比较高；稳定性好；温度计本身以及它和周围环境（温度待测）之间可以很快地达到热平衡，则要求它具有小的热容、良好的导热性以及和周围环境之间的良好的热接触。最后一条在极低温下往往比较难以实现；温度计测量过程不能产生过多的热量，则在极低温下特别重要。这些要求有些是相互冲突的。,直流电阻率DCR 样品托,交流电阻率ACR 样品托,样品旋转杆及各种样品板,热输运样品托,安放温度计应注意的问题 引线漏热1，从高温处连接下来的引线先在热沉上绕几圈。2，电阻温度计的电阻丝或二极管温度计的P-N结与外壳的热接触不是很好，应将温度计引线（1cm左右长）和被测物有良好的热接触，以保证测温正确。3，热电偶的问题也一样处理。和被测部位有良好的热接触用软金属膜和真空油脂填好空隙，以加强导热.,CERNOX CX SD 温度计安装方式,四线法温度测量连接示意图,标定装置示意图,温度计的安装,问题：,1.举例说明每种温度计的优缺点,2 在40T脉冲强磁场中进行低温测量应选择什么样的温度计,3.使用半导体温度计应注意什么问题,4.电阻温度计的引线应该是2根还是4根,