Что такое сверхтекучий гелий?

Что такое сверхтекучий гелий?

Сверхтекучий гелий образуется при охлаждении гелия ниже его криогенной температуры 2,17 К, переходя в жидкое состояние без вязкости.

По мере понижения температуры гелия он сначала переходит из газообразного в жидкое состояние. Дальнейшее охлаждение приводит к вторичному фазовому переходу в точке λ, что приводит к сверхтекучему гелию.

Это состояние характеризуется чрезвычайно слабыми межатомными силами, что позволяет атомам гелия проникать в крошечные пространства и демонстрировать уникальные явления из-за отсутствия вязкости.

Как гелий 3, так и гелий 4 могут достигать сверхтекучести, хотя их соответствующие λ-точки различаются.

Применение сверхтекучего гелия

Сверхтекучий гелий, превосходный проводник тепла, используется в основном для охлаждения. Его теоретическая бесконечная теплопроводность делает его идеальной охлаждающей средой.

На практике сверхтекучий гелий часто используется вместо жидкого гелия из-за высоких затрат, связанных с поддержанием его сверхтекучего состояния.

Одним из важных применений является охлаждение сверхпроводящих спиральных катушек в аппаратах МРТ, где он создает более сильные магнитные поля, чем жидкий гелий, тем самым повышая точность измерений.

Он также имеет решающее значение в оборудовании, используемом для измерения мельчайших сигналов, где даже минимальное выделение тепла может повлиять на точность, что требует эффективного охлаждения с помощью сверхтекучего гелия.

Характеристики сверхтекучего гелия

В своем сверхтекучем состоянии гелий демонстрирует нулевое трение между атомами, что приводит к отсутствию вязкости.

Это отсутствие взаимодействия между атомами позволяет им свободно перемещаться и проникать в узкие пространства. Следовательно, сверхтекучий гелий может ползти по стенкам контейнера и выливаться (явление сверхтекучести).

Точно так же, как электрический ток в сверхпроводнике может течь бесконечно, будучи инициированным, сверхтекучий гелий может течь бесконечно, будучи приведенным в движение. Аналогично, если вращать его с высокой скоростью, он продолжает вращаться бесконечно.

Благодаря своей невязкой природе он также течет с постоянной скоростью в тонких трубках независимо от давления и не достигает теплового равновесия, что позволяет создавать высокоэффективные системы охлаждения за счет перегрева.

Поддержание криогенных температур имеет решающее значение для сохранения свойств сверхтекучего гелия, которые теряются, если температура поднимается выше его λ-точки, что создает проблему в его применении.

В настоящее время сверхтекучий гелий в основном используется для охлаждения, и продолжаются исследования по использованию его уникальных свойств для других технологий.