Изучение универсального многофункционального лабораторного стенда физики низких температур

ПРЕДИСЛОВИЕ

В соответствии с учебным планом курс "Физика низких температур" в СПбГУНиПТ содержит все три раздела: лекционный, практический и лабораторный. Общие теоретические сведения по указанному курсу изложены в специальном учебном пособии [1]. Данное пособие является второй частью курса. Оно посвящено описанию созданной на кафедре физики учебно-исследовательской лаборатории физики низких температур.

Содержание созданной лаборатории, однако, выходит за рамки учебного курса "Физика низких температур". Поэтому в ней предусмотрены два цикла экспериментальных работ. Работы первого цикла выполняются студентами в рамках общего курса физики, непосредственно при изучении раздела "Физика низких температур", тогда как работы второго цикла ориентированы уже на студентов старших курсов, которые обучаются в магистратуре, специализируясь по профилю холодильной, криогенной техники и физики низких температур.

Содержание данного учебного пособия посвящено описанию имеющихся в лаборатории учебно-исследовательских работ первого цикла. Работы второго, магистерского цикла отличаются от работ первого цикла своим содержанием и уровнем исследования, поэтому излагаются в самостоятельном учебном пособии.

В пособии содержится краткое описание общего оборудования учебной лаборатории, излагаются теоретические основы используемых в первом цикле лабораторных работ, перечисляются основные этапы их проведения и последующей аналитической обработки результатов эксперимента. В приложениях к основному тексту приводятся необходимые сведения о стандартных компьютерных программах, которые рекомендуется использовать при расчетах, метрологическом анализе и графическом представлении результатов опыта.

Лабораторный  стенд  ФНТ

1. Общие сведения. Для проведения лабораторных работ первого цикла, отражающих общую специфику физических исследований в области низких температур, на кафедре физики создан универсальный многофункциональный лабораторный стенд, оформленный в виде компактной установки, размещающейся на типовом лабораторном столе. В учебной лаборатории могут одновременно функционировать 14 одинаковых стендов, что позволяет проводить каждое студенческое лабораторное занятие фронтально. Стенды являются переносными и могут устанавливаться на рабочих столах непосредственно перед лабораторным занятием. Для их хранения в лаборатории имеется специальный шкаф, что позволяет использовать помещение лаборатории в свободные часы как аудиторию для лекционных, практических и семинарских занятий с группой.

В лаборатории помимо стендов установлена промышленная малогабаритная морозильная камера для охлаждения исследуемых образцов и получения льда, имеется несколько переносных промышленных сосудов Дьюара для хранения жидкого азота и переносной контейнер для хранения "сухого льда" (твердой углекислоты). Помещение лаборатории оснащено системой электронной связи преподавателя с каждым учебным стендом. Связь осуществляется через базовый компьютер и находящиеся в каждом стенде специализированные электронные многофункциональные контроллеры.

2. Общий вид стенда представлен на рис. 1. Корпус стенда выполнен в виде открытого каркаса, состоящего из основания 1 и полки 2, которые жестко связаны между собой четырьмя стержнями-стойками 3. На основании 1 укреплен многофункциональный электронный контроллер 4. В гнездах полки 2 располагаются два внешне одинаковых сосуда, 5 и 6, внутри которых в процессе опыта размещаются сменные тепловые ячейки, свои в каждой работе (на рисунке не показаны). На лицевой панели полки, с внутренней ее стороны, укреплен блок “холодных спаев” 7, связанный многожильным электрическим кабелем с контроллером 4. Разъемные гнезда блока “холодных спаев” выходят на лицевую панель полки. Через них и блок "холодных спаев" к контроллеру 4 могут одновременно подключаться восемь различных термоэлектрических температурных датчиков 8, каждый из которых выполнен в виде гибкого двухжильного электрического шнура (на схеме показан только один датчик).

Рис. 1. Общий вид лабораторного стенда.

3. Сосуды выполняют в стенде функции пассивных термостатов, каждый из которых создает свою изотермическую среду с индивидуально заданной температурой.

Внешний вид и разрез сосуда-термостата показан на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид и разрез сосуда-термостата.

Корпус сосуда состоит из пластмассового контейнера 2, крышки 3 и концентрично вставленного в контейнер тонкостенного металлического стакана 5. Свободное пространство, образующееся между контейнером и стаканом, заполнено вспененным полимером (теплоизоляционная оболочка сосуда) 4. Контейнер 2 снабжен ручкой (она имеет стандартную форму откидной дужки). Это дает возможность вынимать весь сосуд перед опытом из стенда и заполнять ее нужным хладоносителем или теплоносителем.

Оба сосуда-термостата конструктивно оформлены одинаково. Во внутренней полости одного из них во время опыта размещается используемый в работе хладоноситель (кипящий жидкий азот, испаряющийся “сухой лёд ”, смесь “вода – лёд”) или же теплоноситель (кипящая вода) 1. В полости другого сосуда-термостата обычно размещается массивный кусок металла, имеющий комнатную температуру, которую он благодаря массивности сохраняет на протяжении всего опыта.