低温物理与技术-第6章 低温物性测量

1、第第7章章 低温物性测量低温物性测量 1908年年Heike Kamerlingh Onnes把最后把最后种种“永久气体永久气体”氦液化氦液化后，后，1909年达到了年达到了1.38K，1910年为年为1.04K. 与此同时与此同时Onnes利用莱顿大学低温实验利用莱顿大学低温实验室优良的制冷设备和他高超的实验技巧室优良的制冷设备和他高超的实验技巧开展低温物理研究。开展低温物理研究。19111911年他发现了汞年他发现了汞的超导电性、开创了现代低温物理和低的超导电性、开创了现代低温物理和低温技术的新纪元，从而成为当之无愧的温技术的新纪元，从而成为当之无愧的“低温之父低温之父”。由于由于“对物质

2、低温性质对物质低温性质的研究和制成液氦的研究和制成液氦”而获得了而获得了1913年度年度的诺贝尔物理学奖，时年的诺贝尔物理学奖，时年60岁岁。Heike Kamerlingh Onnes7.1 低温下导体的电阻及其测量低温下导体的电阻及其测量 Vs=Ig(Rc2+Rc3)+ IgRg =(Is- Ig)Rs V4 = IgRgIf RgRc2, RgRc3, Rg+Rc2+Rc3Rs, IsIg V4Vs直流电阻的测量直流电阻的测量 四引线法四引线法VVs小电阻的精确测量方法小电阻的精确测量方法与两端或三端法与两端或三端法的区别是什么的区别是什么?Rc2Rc1Rc3Rc4 V=Is(Rc1+R

3、c4)+ IsRs V4 IsRsIf Rc1+Rc4+RsRc1, RoutRc4, Is cons. V4 VsVVsRc2Rc1Rc3Rc4If Rc1+Rc4+Rs Rout, Rc1 or Rc4RsIs? Vg ? 随着温度的降低电阻呈半导体行为增加，随着温度的降低电阻呈半导体行为增加，当当RsRg时，测量结果是否正确？时，测量结果是否正确？t样品厚度样品厚度电极制作电极制作引线材料：引线材料：金、银、铜、铂、镀银铜丝、超导材料等金、银、铜、铂、镀银铜丝、超导材料等粘接材料：粘接材料：焊锡、铟、银胶、金胶、碳胶、银、环氧树脂等焊锡、铟、银胶、金胶、碳胶、银、环氧树脂等粘接方式：粘接

4、方式：焊接、粘接、压接（压铟、机械压接）、超声点焊、喷涂焊接、粘接、压接（压铟、机械压接）、超声点焊、喷涂等等样品预处理：样品预处理：去绝缘层、镀膜、退火去绝缘层、镀膜、退火/烧结、擦铟烧结、擦铟超声焊接超声焊接接触电阻的两个来源：势垒层接触面收缩金属电阻率的实验观测金属电阻率的实验观测 金属高电导率的事实早已被发现和利用，它的电导率温金属高电导率的事实早已被发现和利用，它的电导率温度关系对材料的应有有着重大影响，所以进行了大量的实验研度关系对材料的应有有着重大影响，所以进行了大量的实验研究，得到了不少规律性的结果，纯金属的电阻率可以明显地分究，得到了不少规律性的结果，纯金属的电阻率可以明显地

5、分成两个独立部分之和：成两个独立部分之和：0( )lT l 与温度有关，称作本征与温度有关，称作本征电阻。它随温度的降低而减小，电阻。它随温度的降低而减小，T0K时，时， l 0。初步判断。初步判断它应是因晶格振动引起的。它应是因晶格振动引起的。 更多实验指出，许多纯金属的电阻率在很宽的温度范围更多实验指出，许多纯金属的电阻率在很宽的温度范围内，可用下面经验公式描述，内，可用下面经验公式描述，其中，其中，A 是金属的特征常数，是金属的特征常数，M 是金属原子质量，是金属原子质量，TD是德拜是德拜温度，该经验公式称为布洛赫温度，该经验公式称为布洛赫-格林爱森公式。格林爱森公式。 当当T 0.5

6、TD时，上式简化为：时，上式简化为： 24DATTMT这就是熟知的金属在高温下电阻率同温度成正比的关系。这就是熟知的金属在高温下电阻率同温度成正比的关系。 0 0与温度无关，称作剩余电阻。与金属中的缺陷和杂质有关。与温度无关，称作剩余电阻。与金属中的缺陷和杂质有关。在缺陷浓度不算大时，在缺陷浓度不算大时， l l不依赖于缺陷数目，而不依赖于缺陷数目，而 0 0不依赖温度，不依赖温度，这个经验性结论被称为这个经验性结论被称为 MatthiessenMatthiessen定则。实验表明：大多数金定则。实验表明：大多数金属的电阻率在室温下主要由声子碰撞所支配，液氦温度（属的电阻率在室温下主要由声子碰

7、撞所支配，液氦温度（4K)4K)下，下，由杂质和缺陷的散射为主。由杂质和缺陷的散射为主。556x0d( )e1 1DTTxDATxxTMTeT当当T /3时时, 电阻随温度线性变化电阻随温度线性变化;当当T0.5g），高准确度，），高准确度， 逐点测量逐点测量连续法：连续法： 小样品小样品(0.1g)，测量方便，准确度低，连续测量，测量方便，准确度低，连续测量驰豫法：驰豫法： 小样品（小样品（1mg 200mg) 分辨率和准确度较高，分辨率和准确度较高，逐点测量逐点测量交流法：交流法： 小样品（小样品（0.2g), 高分辨率，连续测量高分辨率，连续测量各种比热测量方法的特点和比较各种比热测量方

8、法的特点和比较71热驰豫法测量比热原理 升温过程升温过程平衡时平衡时驰豫过程驰豫过程 tTTCTtP TtP 0tTTCT /00ttCeTeTtTC 样品室 加热器 基底 温度计 导线 72用于测量比热的Puck 样品台 样品 样品台 加热器 温度计 导热油脂 外观 内座 7.6 固体的热导率及其测量固体的热导率及其测量TTO测量测量超精细无液氦光学恒温器超精细无液氦光学恒温器热流计法 热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。如图所示，将厚度一定的方形样品插入两个平板间，在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流，使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。当冷

9、板和热板的温度稳定后，测得样品厚度、样品上下表面的温度和通过样品的热流量，根据傅立叶定律即 可确定样品的导热系数：式中：式中：q为通过样品的热流量，为通过样品的热流量，W/m2 样品厚度，样品厚度，m样品上下表面温差，样品上下表面温差， CC热流计常数，由厂家给出，也可用已热流计常数，由厂家给出，也可用已知导热系数的材料进行标定得出。知导热系数的材料进行标定得出。TCq 比热测量比热测量 有一面必须平整有一面必须平整 样品质量在样品质量在50mg-100mg之间利于得到好的精度，相对来说用之间利于得到好的精度，相对来说用时中等时中等 高温测量很费时间，如无必要千万不要全温区测量高温测量很费时间，如无必要千万不要全温区测量 Apizon N Grease 在在230K和和295K附近有两个比热峰，不要误认附近有两个比热峰，不要误认为来自于样品。如确有必要在此温区测量，可以尝试使用为来自于样品。如确有必要在此温区测量，可以尝试使用HGrease。 样品的热导必须足够好。样品的热导必须足够好。 磁性样品在磁场下会损坏比热架的细丝磁性样品在磁场下会损坏比热架的细丝 热导测量热导测量