Силабус

Syllabus

Название и код дисциплины:

Физика низких температур (ПД КПВ 04)

Дневная очная форма обучения.

Количество кредитов – 3 (часов обучения 45).

Сведения о преподавателе – , доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией криофизики и криотехнологий. Выпускник физического факультета КазНУ им. аль-Фараби. Работает в КазНУ имени аль-Фараби с 1973 года.

Контактная информация – лаборатория криофизики и криотехнологий, корпус №3 – телефон 67-49-69; учебная лаборатория криофизики и криотехнологий, НИИЭТФ, лаб. № 000, телефон 93-03-39, еmail: *****@***kz

Современную физику невозможно представить без физики низких температур. Более половины лауреатов Нобелевской премии-физиков получили ее за исследования в области низких и сверхнизких температур. Сверхпроводящие обмотки магнитов установок по термоядерному синтезу, пузырьковые камеры на жидком водороде для регистрации элементарных частиц, криогенные экологически чистые ракетные двигатели, криогенно-вакуумные установки сверхвысокого вакуума, сверхточные приборы – вот далеко не полный перечень современных криотехнологий.

Предлагаемый курс "Физика низких температур" посвящен изучению истории развития низкотемпературных исследований, методов получения и измерения низких и сверхнизких температур, особенностям свойств и поведения веществ при низких температурах, включая сверхпроводимость и сверхтекучесть. Изучаются практические аспекты современной физики низких температур, криогенные технологии получения и переработки материалов.

В результате изучения курса «Физика низких температур» студент должен ЗНАТЬ:

·  историю развития низкотемпературных исследований;

·  основные методы измерения низких и сверхнизких температур;

·  основные методы получения низких и сверхнизких температур;

·  механические, теплофизические и электромагнитные свойства веществ при низких и сверхнизких температурах;

·  квантовые проявления поведения веществ при низких температурах – сверхтекучесть гелия, орто-пара-состояния водорода, сверхпроводимость металлов и сплавов, высокотемпературная сверхпроводимость;

·  физические основы современных криотехнологий.

В результате изучения курса «Физика низких температур» студент должен УМЕТЬ:

·  конструировать и изготавливать основные узлы криогенно-вакуумных систем, использовать жидкий азот для получения криогенного вакуума;

·  изготавливать и осуществлять градуировку низкотемпературных датчиков;

·  осуществлять низкотемпературные измерения в автоматическом режиме;

·  использовать ИК-спектроскопические методы анализа веществ при низких температурах;

·  ставить и решать простейшие экспериментальные задачи физики низких температур, грамотно обрабатывать, анализировать и оценивать полученные результаты.

Пререквизиты:

Для успешного освоения раздела курса «Физика низких температур» студент должен знать молекулярную физику, термодинамику и статистическую физику, квантовую физику, физику твердого тела.

Постреквизиты:

Изучение дисциплины может проводиться параллельно с изучением теплофизических свойств веществ и материалов, экспериментальных методов в теплофизике, математического моделирования.

Краткое содержание курса «Физика низких температур»

Лекций – 30 часов; практических занятий – 15 часов

1. Основные этапы развития физики низких температур. Получение жидкого кислорода в виде тумана. Получение жидкого кислорода и азот в виде жидкости. Получение жидкого водорода. Изобретение Дьюаром сосуда для длительного хранения криожидкостей. Опыты Хайка Камерлинг-Оннеса. Получение жидкого гелия. Попытки получения твердого гелия. Открытие Камерлинг - Оннесом эффекта сверхпроводимости при изучении электрических свойств ртути. Жаке, Дебай - метод получения сверхнизких температур путем адиабатного размагничивания солей. Получение температуры ниже 0.1 К с помощью рефрижератора растворения Не3-Не4

2. Термодинамические основы получения низких температур. Температура. Функции состояния. Энергия. Внутренняя энергия. Термомеханические эффекты. Изоэнтропное расширение. Дросселирование сжатого газа. Расширение из постоянного объема. Эффект Джоуля-Томпсона. Десорбционное охлаждение. Охлаждение с помощью откачки паров. Термоэлектрические эффекты. Эффекты Зеебека, Пельтье, Томпсона. Магнитное охлаждение. Механокалорический эффект. Свойства парамагнитных солей. Адиабатное размагничивание. Ядерное размагничивание. Магнито - и электрокалорические методы охлаждения. Намагничивание сверхпроводников

3. Свойства веществ при низких температурах. Свойства газов при низких температурах. Фазовый переход газ - твердое тело при низких температурах. Криокристаллы и квантовые кристаллы. Механические и теплофизические характеристики. Реальные криокристаллы. Свойства диэлектриков при низких температурах. Механические, теплофизические и оптические свойства диэлектриков при низких температурах. Полупроводники при низких температурах. Собственная и примесная проводимость при низких температурах. Ширина запрещенной зоны. Энергия Ферми. Свойства металлов при низких температурах. Механические свойства. Теплоемкость металлов. Отклонение от закона Дюлонга-Пти. Теплопроводность металлов. Вклад электронов в теплопроводность. Криогенные жидкости. Характеристические параметры. Жидкий азот, жидкий кислород, жидкие инертные газы. Жидкий и твердый водород. Орто-паросостояния. Конверсия. Теплота конверсии.

4. Жидкий и твердый гелий. Сверхтекучесть. Гелий – квантовая жидкость. Опытные факты и наблюдения. Термомеханический и механотермический эффекты в Не-II. Соотношение Лондона. Двухскоростная модель : допущения (предположения) и математическое описание. Распространение звука в Не-II. Система уравнений, описывающая это явление. Скорость первого и второго звука.

5. Основы физики сверхпроводимости. Основные опытные факты. Тепловые свойства сверхпроводников. Феноменологические теории сверхпроводимости: Термодинамическая теория Гортера-Казимира. Двухжидкостная модель Лондонов. Теория Гинзбурга-Ландау. Два типа сверхпроводников. Сверхпроводники I рода в магнитном поле. Промежуточное состояние. Сверхпроводники II рода в магнитном поле:смешанное состояние, квантование магнитного потока и вихри Абрикосова. Резистивное состояние сверхпроводников и пиннинг. Жесткие сверхпроводники. Эффекты Джозефсона.

Практические занятия проходят в учебной лаборатории криофизики и криотехнологий и в научно-исследовательской лаборатории криофизики и криотехнологий НИИЭТФ.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

Физика низких температур. Москва, ИЛ, 1959. , Тилли Дж. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. М.: Мир.1977. Т. Куинн. Температура. М.: Мир.1985. , Лифшиц . Сер.«Теоретическая физика». Том 6. Глава XVI. М.: Наука, 1988. , , Клименко основы получения криотемператур: Учебное пособие по курсу «Основы криофизики». М.: Моск. энерг. ин-т. 1979.

Дополнительная

, Хохлов твердого тела. М.: ВШ, 2000.

2. Баррон системы. Энергоатомиздат. 1989.

. Справочник по физико-техническим основам криогеники. М.: Энергия. 1973. Коган разреженного газа. М.: Наука, 1967. Халатников сверхтекучести. М.: Наука, 1971. , Григорьев с Не II. М.: Энергоатомиздат, 1986.

Задания и сроки для СРС

№	Вопросы и задания	Времячас	Срок выдачи	Срок сдачи	Литера-тура
1	Особенности международной температурной шкалы в диапазоне низких и сверхнизких температур	15	1 неделя	2 неделя
2	Механические и теплофизические характеристики технических материалов при низких температурах.	15	4-я неделя	5-я неделя
3	Криогенные жидкости - жидкий азот, жидкий кислород, жидкие инертные газы.	15	7-я неделя	8-я неделя
4	Свойства жидкого и твердого водорода. Орто-парасостояния.	15	10-я неделя	11-я неделя
5	Свойства жидкого и твердого гелия. Сверхтекучесть.	15	13-я неделя	14-я неделя
6	Сверхпроводимость	15	15-я неделя	15-я неделя

Формы текущего, рубежного контроля и экзамена.

Рубежный контроль – в виде коллоквиума;

Самостоятельная работа – реферат;

Экзамен в устной форме по всем разделам.

Политика выставления оценок:

Рубежный контроль I (включая текущий контроль) – 30% 7 неделя

Рубежный контроль II (включая текущий контроль) – 30% 15 неделя

Экзамен – 40%.

Итоги РК и текущего контроля проставляются в ведомости по накопительному принципу и являются основанием допуска к экзамену. Если обучающийся набрал в течение семестра по итогам РК и текущему контролю менее половины максимальной оценки (60%) по дисциплине, то есть менее 30%, то он к экзамену не допускается.

Политика курса:

Необходимы:

а) Обязательное посещение аудиторных и практических ;

б) Активная работа во время практических занятий;

в) Своевременная подготовка к занятиям, выполнение заданий СРС и т. д.

Недопустимы:

а) Нарушение дисциплины во время проведения аудиторных занятий;

б) Обман и плагиат в любых видах;

в) Несвоевременная сдача заданий и пропуски текущих контролей.