Suihkulähde
Lähde vaikutus on näyttäviä vouhottaa supraneste nesteen ulos sen säiliön, kun se alistetaan pientä kasvua lämpötilassa . Tämä vaikutus tunnetaan myös termomekaanisena vaikutuksena . Se löydettiin vuonna 1938 työskennellessään superfluidan heliumin 4 He -isotoopilla (nimeltään "helium II", vastakohtana "helium I": lle, joka on ei-nestemäisen nestemäisen heliumin tila maailmassa. Kriittisen lämpötilan tai lambdapisteen yläpuolella. -270,97 ° C ).
Kuvaus
Kokeellinen kokoonpano koostuu avoimesta putkesta, joka on täytetty huokoisella materiaalilla , esimerkiksi alkuperäisessä kokeessa hienolla emeryjauheella , joka on sijoitettu helium II -hauteeseen. Huokoisella materiaalilla on suodatintoiminto, jonka läpi vain helium II, jonka superneste on siten nollaviskositeetti , voi kulkea. Putken toista päätä pidentää ohuempi putki, jonka ulostuloaukko ylittää kylvyn tason muutaman senttimetrin.
Kun putki on valaistu, rakeiden jauheen imevät valoa säteilyä ja siten tuottaa lämpöä, luo lämpötila kaltevuus . Jota konvektio ilmiö , helium II kylvystä kuljetetaan kuumennusvyöhykkeen putken. Tämä aiheuttaa jatkuvan heliumsuihkun, joka voi saavuttaa useita kymmeniä senttimetrejä putken ulostulossa, päästö loppuu, kun emeriä ei enää valaistu. Toinen pistelämmitysmenetelmä on kiertää sähkövirta putken sisään sijoitetun vastuksen läpi .
Suihkun korkeus vaihtelee ja kasvaa järjestelmälle asetetun lämpötilagradientin mukaan; se on jauheen jyvien koon pienenevä funktio. Kun suihku on pieni, helium putoaa takaisin kylpyyn putken ympärillä, mutta jos suihkun korkeus on suuri, heliumi höyrystyy kryostaatin ilmakehässä .
Selitys
Kahden nesteen malli
Mukaan László Tisza n kahden aineen malli , nestemäistä heliumia alapuolella lambda kohta koostuu seoksesta, atomien perustila (supraneste) ja atomien viritystilat, joista jälkimmäinen käsittää kuin tavallinen neste, erityisesti ei-nolla viskositeetti. Lähellä absoluuttista nollaa atomien osuus viritetyissä tiloissa on hyvin pieni; kun lämpötila lähestyy lambda-pistettä, suppenesteen osuus pienenee. Konvektiolla kuljetettava superneste kulkee lämmitetyn suodattimen (smirijauheen) läpi, kun taas normaalin nesteen osuus, joka on liian viskoosi, ei voi kulkea. Normaalin ja ylimääräisen heliumin konsentraation muuttuessa syntyy osmoottinen paine- ero putken sisääntulon ja kylvyn välillä. Ylimääräinen neste kerääntyy ylempään putkeen, eikä sillä ole muuta vaihtoehtoa kuin tulla ulos suihkuna.
Termodynaamiset näkökohdat
Helium II palaa erittäin korkean lämmönjohtavuutensa vuoksi melkein välittömästi termodynaamiseen tasapainoon, kun sitä lämmitetään paikallisesti. Siten järjestelmän kemiallisen potentiaalin vaihtelua voidaan pitää nollana pienen lämpötilan nousun aikana:
Saamme sitten Lontoon kaavan:
Tämä tarkoittaa, että lämpötilagradientti välittömästi kompensoidaan paineen gradientti , joka aiheuttaa heliumin karkotetaan ulos putkesta. Suihkulähteen vaikutusta ei havaita normaaleissa nesteissä, koska niiden lämpö tasapainon palautuminen kestää kauemmin paikallisen lämpenemisen jälkeen.
Lontoon kaavan mukaan tietyllä kokeellisella kokoonpanolla on mahdollista laskea heliumsuihkun korkeus kylvyn lämpötilan ja käytetyn lämpötilagradientin funktiona. Tämän lähestymistavan pätevyys on kokeellisesti varmistettu -272,95 ° C: seen .
Sovellukset
Suihkulähteen vaikutusta voidaan käyttää lämpötilan säätimenä: suprajohtavissa materiaaleissa lämpötilan nousu voi johtaa ei-toivottuun suprajohtavuuden menetykseen. Huokoisen materiaalin asentaminen kosketuksiin helium II -kylvyn kanssa lähellä toimivan suprajohtimen lähellä mahdollistaa sen lämpötilan säätämisen: kuumennettaessa helium II -suihku jäähdyttää materiaalia.
Viitteet
- (sisään) JF Allen H. Jones, " Helium II: n lämpövirtaan liittyvät uudet ilmiöt " , Nature , voi. 141,1938, s. 243-244 ( DOI 10.1038 / 141243a0 ).
- (in) L. Tisza-, " The Theory of Liquid Helium " , Phys. Ilm. , voi. 72, n o 9,1947, s. 838-854 ( DOI 10.1103 / PhysRev.72.838 ).
- (in) H. London, " Nesteen He II termomekaanisen vaikutuksen termodynamiikka " , Proc. R. Soc. Lond. A , voi. 171, n ° 947,1939, s. 484-496 ( DOI 10.1098 / rspa.1939.0079 ).
- (FR) Lucienne Couture ja Robert Zitoun , Statistical Physics , Pariisi, ellipsejä1992( ISBN 2-7298-9262-1 ).
- (in) GJC Robotit ja CJ Gorter, " uudelleenlaskuja olivat aikaisemmin kokeita lähteen vaikutus alle 1 ° K " , Physica , voi. 26, n o 5,1960, s. 337-341 ( DOI 10.1016 / 0031-8914 (60) 90005-7 ).
- (in) Takahashi, A. Senzaki, T. Murakami ja T. Okamura, " parannus Cooling Performance Hän II kanavan Fountain Effect " , IEEE Transactions on Applied Suprajohtavuus , vol. 12, n o 1,2002, s. 1359-1363 ( DOI 10.1109 / TASC.2002.1018655 ).