低温物理与技术-第1章-温度和温度计

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（°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0℃～－153℃（273K～120K）2.深冷－153℃～－272.7℃（120K～0.3K）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。120—80K叫做LNG温度(液化天然气温度)80一63K叫做N2温度(氮温度)22K—14K叫做H2温度(氢温度)5.2K一1K叫做4He温度(氦-4温度)1K—0.3K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1×10-14）；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14～903K，其误差可低到万分之一摄氏度，它是能复现国际实用温标的基准温度计。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)-200~00C的温度范围在0～850℃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）/BTTRAeRuO2温度计它是在0.5mm厚的Al2O3村底上镀一层厚度约为10m的RuO2薄膜．贴片尺寸为2.0mm×3.0mm×0.5mm，经研磨厚度可达0.2mm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+A5R21.4.3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=(40V/K)2/[=52.5cm23W/(mK)]=410-3最大效率为热电优质因子ZT=S2/康铜电阻率=52.5cm热导率=23W/(mK)热电势S=40V/K冷端为300K时，不同ZT值下转换效率随温度的变化关系Nanotechnologystudiesexploretheextremepropertiesofstronglyinteractingelectronicsystemsthroughconductancemeasurements,andprobequantumphasetransitionsclosetoabsolutezerotemperature.Two-channelKondoeffectandrenormalizationflowwithmacroscopicquantumchargestatesUniversalFermiliquidcrossoverandquantumcriticalityinamesoscopicsystemNature526，233（2015）Nature526，237（2015）Zero-temperaturequantumphasetransitionsandtheirassociatedquantumcriticalpointsarebelievedtounderpintheexoticfinite-temperaturebehavioursofmanystronglycorrelatedelectronicsystems,suchasheavyfermionmaterialsandmaybeevenhigh-temperaturesuperconductors.Butidentifyingthemicroscopicoriginsofthesetransitionscanbechallengingandcontroversial.Intwocomplementarypapers,ZubairIftikharetal.andAndrewKelleretal.showhowsuchbehaviourscanbeengineeredintonanoelectronicquantumdots,therebypermittingbothexquisiteexperimentalcontrolofthequantumcriticalbehaviouranditsexacttheoreticalcharacterization.1.4.4PN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2.3mV/oC，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2−300K(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。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