<C1A638B0AD2DB3C3B5BFBED7C3BC2E687770>

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1 1. 온도영역 - 일상생활에서느끼는온도의범위는상당히제한적이다. -사람의체온이 36.5 o C 이기때문에이주위의온도에익숙해져있다. -태양등항성의중심온도가대략 10 9 로추정 -우주의최저온도는 2.74 로관측 - 최저온도는우주에서오는마이크로파( 열복사) 를인공위성에탑재된 실험장치로관측한결과 - 우주배경복사 :COBE(Cosmic Background Explorer Satellite) 실험 - Big-Bang" 때생긴식은(cold) 광자들에의한것

2 -실험실에서실현할수있는물체의최저온도는 10-5 이다. -핵의온도만을고려할경우 10-9 에이를수있다. - 자연의영역을실험실에서성취할수있는물리학분야는없다. - 고온, 고압, 고청정, 고진공등을자연의값이하로얻을수없다. - 극저온분야만이자연의영역을뛰어넘는온도를실험실에서실현 2. 냉동액체및극저온에대한약사 -1840년대에미국의 Gorrie라는의사가고압의공기를팽창 - 공기의액화를시도한것이기체액화의시작 -Joule-Thompson(1853 년이 ) Joule-Thompson 밸브의개발 - 대량의공기를한꺼번에액화가능 -순수원소에대한액화는1877년프랑스Cailletet가처음 -300 기압의산소를팽창시킴으로써액체산소의방울을관찰 - 충분한량의산소: Wroblewski와 Olszewski (1883) -1892년 Dewar는액화기체를오래보관할수있는용기를개발 - 현재의보온병(thermos bottle) 의구조와동일한구조

3 - 용기의내벽과외벽사이를진공으로하여외부로부터열전도를차단 - 내벽들을은으로칠하여열복사( 전자기파복사) 를없앰 -1898년 Dewar는이용기를사용하여 20 의액체수소를모음 -1879년독일의 Linde는액화공기를양산하는공장을설립 년미국에액화공기를대량생산하는공장을건립 년부터액화공기의대량생산이미국에서도가능 -1908년네덜란드의 Onnes는 60 정도의액체헬륨을얻는데성공 -액체헬륨의끓는점은액화기체중가장낮은 4.2 -Onnes는액체헬륨의증기압을내려 0.7 의온도를얻을수있었다 년수은의초전도성을발견 -1926년 Goddard는액체산소-가솔린혼합추진제를사용한로켓발사 -독일의 V-2 로켓(1942년 Dornbergar) -산소의경우 1949년에하루에 300톤의생산이가능한공장이가동 -2 차대전후에는본격적인로켓개발이시작 -1956년액체수소추진제를사용한 Atlas ICBM이개발 -1961년에는액체수소-액체산소추진제를사용한 Saturn V 로켓 -1934년 Kapitza는헬륨액화기에팽창엔진을사용 - 액체헬륨액화기는대학등연구기관에도많이보급 -1926년전자소자화냉동법이 Giaque와 Debye에의해제안 -1933년 Giaque, MacDougall (0.3 ) 과 Leiden의De Haas, Wiersma, Kramers(0.09 ) 들에의해실현 - 영역의온도를얻는데성공 -1966년Hall과 Naganov는독립적으로 3 He- 4 He 희석냉동기의개발 -희석냉동기는지속적인 온도영역을준다 년 Gorter에의해핵소자화냉동의제안

4 -1956년 Kurti에의해핵소자화냉동이처음으로실현 -핵소자화냉동기로핵의온도를 영역으로내릴수있다. -물체의온도를 10 로내릴수있다. - 극저온에서생기는물리현상에대해서연구

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15 3. 기체액화의방법 -반전온도가높은기체들은 Joule-Thompson 밸브만으로액화가가능 - 네온, 헬륨등반전온도가낮은기체는팽창엔진에의한단열팽창 과정을거친후 Joule-Thompson 과정에의해최종적으로액화된다. (1) 단열팽창과정 - 단열과정은외부에서유입되는열이없다( ). - 이에따라계의엔트로피변화도없다. -엔트로피는 로정의되고 이므로 - 로정의되므로 -Maxwell 관계식인 을이용하면단열과정에서 압력변화에따른온도변화는

16 -팽창계수 는모든기체에서양이므로 는양의값을가진다. - 단열팽창과정에서는항상압력의감소에따른온도감소의효과존재 (2) Joule-Thompson 과정 - 높은압력의기체가목(throttle) 을통과하면낮은압력으로됨 - 단열과정 - 목의구조는밸브이고압축된기체가밸브를통과하여대기압이된다 - 밸브를통과한액체의온도가떨어지게된다. - 목의좌우기체의이동에의해기체가한일은 -외부에서열의유입이없다면열역학제 1법칙에서 - 인경우 이되어야한다. - 이는내부에너지의감소, 즉기체의온도가내려감을의미한다. -기체의내부에너지를 라두면열역학제1법칙과위식에서

17 - 이므로 Joule-Thompson과정에서는엔탈피가보존 -열역학제 1법칙은 - - 에관련되는변수는 이므로전미분 를구하여대입하면 -Joule-Thompson Joule-Thompson 과정에서는엔탈피가보존되어계수(coefficient) 는 이므로 -Maxwell 관계식인 을이용 -Joule-Thompson 계수는두항의상대적크기에따라음또는양 - 양이면압력감소에따라온도가감소하고, 음이면압력감소에따라 온도가증가한다.

18 -기체액화를위해서는온도의감소가있어야하므로 의값이양 -P-T 상그림(phase diagram) 에서기체의等엔탈피과정 - 의부호가바뀌는선을연결한곡선이반전곡선 (Inversioncurve) - 의값이양에서음으로바뀌는지점 -Joule-Thompson 과정에의해기체가액화되려면 반전곡선의좌측에 해당되는압력과온도에서 Joule-Thompson 과정을행해야한다. - 팽창에의해온도감소의효과는이영역에서만가능 -Joule-Thompson 과정의시작온도는최대반전온도이하여야만한다. -, 즉압력이0 일때의반전온도이다. -이상기체는 Joule-Thompson 과정에의해서온도감소의효과가없다 -이상기체의경우 이므로 이되기때문 -Joule-Thompson 밸브에의해온도감소를얻기위해서는실제기체

19 기체 최대반전온도 (K) 끓는점액체밀도 (K, 1 기압에서) (kg/m 3 ) 헬륨 수소 네온 질소 공기 일산화탄소 아르곤 산소 메탄 암모니아 여러기체들의최대반전온도 -액화기체들의 1 기압에서의끓는점도함께주어져있다. - 최대반전온도가낮은기체일수록액화기체의끓는점이낮다. - 끓는점이낮은기체일수록액화시키기도어렵다는것을의미한다. - 반전온도가상온보다높은기체와상온보다낮은기체로구분 - 헬륨, 수소, 네온을제외한모든기체들은상온이상의반전온도 -이들기체들은 Joule-Thompson 밸브만으로기체의액화가가능 - 헬륨, 수소, 네온등은 Joule-Thompson 밸브를이용하여기체를 액화시키기전팽창엔진을이용하여반전온도이하로내려야한다. - 최대반전온도가낮은기체들을액화시키기위해서는 팽창엔진과 Joule-Thompson 밸브가모두필요하다.

20 (3) 액화기(Liquefier) -대부분의기체들은반전온도가상온이상이므로 Joule-Thompson 밸브만으로액화가가능하다. - 네온, 수소, 헬륨등은팽창엔진에의해온도를반전온도까지내린후 Joule-Thompson 밸브에의해최종적으로액화된다. -Joule-Thompson 밸브에의한온도감소효과는아주작다. -1 기압의압력변화에대해대략십분의몇 o C 정도의온도감소 - 과정을연속적으로반복할경우원하는온도까지내려액화가가능 - 팽창엔진에서팽창에의해발생하는기체의온도변화는크다. - 팽창엔진은내부에액체가있으면작동이되지않는다. - 따라서기체의온도를반전온도이하로내리는데주로사용되고있다. - 기체의온도를반전온도이하로내리기위해서때로는끓는점이 낮은다른액화기체( 헬륨액화기에액체질소를사용) 를이용 - 액화기는네부분으로나누어진다. - 압축기(compressor), 열교환기(heat exchanger) - 팽창엔진(expansion engine), Joule-Thomson 밸브 -압축기는팽창엔진및 Joule-Thomson 밸브쪽으로높은압력의 기체를주입시키는데사용된다. -열교환기는압축기에서냉동기로들어가는높은온도의기체와냉동기에서압축기로되돌아오는낮은온도의기체가열교환을하도록하는장치이다. -열교환기는냉동기에주입되는기체의온도를되도록떨어뜨려냉동기의효율을좋게만드는중요한장치이다.

21 - 팽창엔진은액화시키기위해반전온도이하로온도를내리는역할 - 반전온도가상온보다훨씬높은기체의경우팽창엔진이필요없다 -Joule-Thomson 밸브는기체를최종적으로액화시키는장치이다. -Linde-Hampson 액화기 - 네온, 수소, 헬륨을제외한기체를액화시키는데사용한다. Nitrogen Liquefier

22 -Collins 헬륨액화기 -두개의팽창엔진과 Joule-Thompson 밸브로구성 - 팽창엔진에주입되는헬륨기체는액체질소를통과 - 팽창엔진에주입되는헬륨의온도를액체질소의온도(77 ) 로내린다 -4 개의열교환기

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25 4. 액체헬륨의특성 - 헬륨의동위원소중에안정한원소: 3 He, 4 He - 6 He, 8 He, 10 He은생존시간이 0.82, 0.21, 초인불안정한원소 - 공기중에 4 He의량은약 % 정도, 이중 3 He의량은10-5 % - 헬륨의량이공기중에너무적게포함되어있기때문에공기보다 헬륨이훨씬많이포함된천연가스에서기체헬륨을추출하고있다. - 원자로의핵반응에서부산물로헬륨이얻어지기도한다. - 3 He 은거의대부분위와같은원자로의핵반응에서얻어진다. - 천연가스에도위와같은핵반응에의해생성된것이포함 - 4 He는 1908년 Onnes에의해처음으로액화 -냉동액체중에서가장끓는점이낮은 4.2 (1 기압에서) 이다. - 3 He과 4 He 의핵은통계역학적으로다른입자에속한다. - 3 He 핵은두개의양성자와한개의중성자로구성: 1/2인 Fermion - 4 He핵은 3 He핵보다중성자가하나더많아서핵스핀이 0인 Boson - 액체헬륨은절대영도까지도액체상태를유지하는유일한액체이다. -고체로만들기위해절대영도에서 25 기압( 3 He은 34 기압) 의압력 - 헬륨의독특한두가지성질 - 첫째, 헬륨은불활성기체로쌍극자모멘트가없으며이에따라 중성헬륨원자상호간에작용하는 van der Waals 힘이미미하다.

26 - 둘째, 작은질량때문에양자역학적인영점에너지가아주크다. -영점에너지는 으로주어진다. - 헬륨은질량이작은관계로다른어떤원소보다영점에너지가크다. - 특정온도이하에서는초유체의성질을가진다. - 점성이없고열전도가무한대가되는등특이한성질을보인다 년 Onnes는 4 He 의비열의변화에서새로운 相으로전이를발견 -相전이는 2.17 근방에서비열의갑작스런변화로관찰 -비열실험치의모양이그리스문자 와비슷하다고하여 -전이 -Bose-Einstein 응집으로설명 - 3 He의핵은 Fermion -Bose-Einstein 응집이없어초유체를보이지않을것이라고예상 -1972년 Osheroff 등이 이하에서초유체가되는것을발견 - 3 He 초유체현상은초전도현상을설명하는 Cooper쌍모델로설명

27 - 헬륨들의相그림, 온도의축은 log 눈금 - 4 He는두가지액체인 HeI( 보통유체) 과 HeII( 초유체) 로구성

28 -상전이온도인 -선에의해경계지워짐 - 3 He 는두종류의초유체 ( 액체 3 He-A 와액체 3 He-B) 로나누어짐 - 4 He와달리 3 He은융해곡선이 0.3K 근방에서최소값을가진다. - 3 He의이특징은고체 3 He의융해를이용한 Pomeranchuck냉동과 극저온온도측정에이용되고있다. -초유체HeII의특징은액체와접촉하는면에형성되는박막이두껍다 -포화증기압상태에서이박막의두께는약 정도가된다. -막을따라HeII 의흐름이생길수있을정도로충분히두껍다. -HeII 의열전도도는아주크다. -HeII 의특정위치에주위와다른온도변화를주는것은불가능하다. - 어떤지점에열을가하면열에너지가순식간에액체로퍼지기때문

29 -활발히끓던 HeII가온도를 이하에서갑자기끓는현상을멈춘다. -이것도 HeII 가가지는무한대의열전도도때문에생기는현상이다. -반투막을액체사이에두어두영역의 HeII 의온도차이를나게한다. - 반투막은초유체는통과시키고보통유체는통과시키지않는막 -가는관안에가는분말들을채워초유체반투막의효과를낸다. - 초유체반투막을경계로놓인두액체중한쪽에열을가하여온도를 높이면두액체사이에는온도및압력의차이가유도된다. - 이러한압력의차이때문에초유체가이동하는분수효과를준다. - 압력의차이는가는관을따라액체가분수모양으로뿜어나올 정도로 ( 정도) 충분히크다.

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33 5. 증발냉동기 -온도영역 은 4 He 또는 3 He 의증기압을조절하여얻는다. - 증기압은액체가든용기를진공펌프로펌핑함으로써조절이가능 - 액체가기체로증발할때기화잠열을주위로부터빼앗아간다. -단위시간당냉동력은 로표현된다. - 와 은각각단위시간당증발하는몰 (mole) 率과몰당증발잠열 -액체와기체가공존하는상태에서증기압의온도에따른변화는 Clausius-Clapeyron 관계식에서 - 는증기압을나타내고 은기체상수이다. 낮은온도에서는 상수이므로 - 펌핑시킬수있는기체의양은증기압에비례 - 펌핑속도는온도가내려감에따라지수적으로감소 - 외부열손실이펌핑에의해얻어지는냉동력과같게되는상태에서 냉동기는평형에도달하며, 이조건에서증발냉동기의최저온도결정 - 액체 4 He 와 3 He의경우최저온도는 ( 4 He) 와 ( 3 He) - 3 He에의한최저온도가 4 He 에의한것보다낮은것은전반적인 온도영역에서 3 He의증기압이 4 He 의것보다상대적으로크기때문

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35 6. 희석냉동기 - 소량의 3 He 가초유체 4 He 에섞여있을때독특한현상을나타낸다. - 4 He원자들은양자역학적기저상태에존재하여열운동은완전히 없어지고, 엔트로피와비열도 3 He 원자에비해아주적다. - 액체 4 He 에섞여있는 3 He 원자들은진공에서움직이는기체와동일 - 3 He의구성비가충분히작아 3 He 입자들상호간의작용도무시할수 있을정도일때 3 He 입자들은 이상적인 Fermi 기체 로간주된다 년에 H. London은 3 He- 4 He 혼합액체를사용하여기체팽창과 유사한과정으로온도를내릴수있다는제안을하였다. - 당시에는 3 He- 4 He 혼합액체의상분리현상이발견되지않아서 희석냉동기제작에대한큰흥미를끌지는못했다 년 Walters와 Fairbanks 가상분리현상을발견 ( 온도 0.7K) - 상분리가되면 3 He- 4 He 희석액체위에순수액체 3 He 가떠있는형상 - 3 He- 4 He 희석액체쪽을펌핑함으로써위쪽의 3 He 원자들이 " 진공" 과

36 같이행동하는희석액체쪽으로상경계를넘어증발( 즉, 팽창) 하여주위의온도를내린다. -Hall(1966) 과 Neganov(1966) 는그들이제작한희석냉동기를 이용하여각각 와 로온도를낮추는데성공했다. - 현재에는상업적인희석냉동기가나오고있고온도도기술발달로 인해 로도쉽게내릴수있게되었다. - 희석냉동기의주요부분 - 혼합실(mixing chamber), 증류기(still), 열교환기(heat exchanger) - 상온에있는펌프에의한 3 He 의펌핑및재투입되는순환과정 - 4 He증발기를펌핑함으로써증발기의온도가 정도로내려간다. - 3 He- 4 He 혼합기체를희석냉동기의혼합실에액화시켜넣는다. - 액화시킬 3 He 와 4 He기체의량은 열교환기나혼합실등의체적을

37 이용하여계산할수있다. - 3 He와 4 He 기체는혼합실로투입되기전 4 He 증발기에의해액화된다. - 3 He와 4 He 가혼합실에투입된후진공펌프로정류기를펌핑하면 증류기내의 3 He 기체가증발되고또한혼합실의온도도내려간다. - 증류기의압력이충분히낮아진후고진공펌프로대치하면혼합실의 온도가 가되면 3 He- 4 He 혼합액체의상분리현상이일어난다. - 이에따라혼합실의온도가갑자기크게내려간다. - 혼합실내의 3 He 원자들이상경계를지나희석액체쪽으로증발될때 기화열을주위로부터빼앗아가서큰냉동력이주어지기때문 - 희석액체쪽으로증발된 3 He 원자들은삼투압에의해불완전한 초유체반투막인미세한관을통과하여정류기로들어가서펌핑된다. -정류기내의액체중에는 1% 이하의 3 He 가존재하나그증기에는 3 He 기체가대부분이다. - 펌핑에의해증류기내의 3 He 기체는쉽게뽑아내어진다. - 펌핑된 3 He 기체는다시혼합실로재투입되는순환과정을거친다. - 혼합실에재투입되는 3 He 의온도는혼합실의온도에가까워야한다. - 그렇지않을경우재투입되는 3 He 의높은온도때문에혼합실의 온도가급격히올라가냉동을계속할수없게된다. - 이러한목적을위해열교환기가사용된다. - 열교환기는펌핑에의해혼합실에서부터올라오는차가운액체의 냉동력을이용하여재투입되는 3 He 액체의온도를낮춘다. - 여러개의열교환기에의해재투입되는 3 He 액체의온도를혼합실의 온도가까이로내릴수있다.

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40 7. 소자화냉동기 -자기이온의자기엔트로피를이용하여온도를내리는방법이 1926년 Debye와 Giaque에의해제안 -자기모멘트에관련된엔트로피만존재하는 까지온도를내린후 자화시킨다음단열적으로소자화시켜온도를내릴수있다는제안 -1933년에 Giaque 는자기이온이희박하게섞인 상자성소금 을 이용한소자화냉동에성공하여 온도영역에도달하는데성공 -1934년 Gorter에의해전자의자기모멘트대신에핵의자기모멘트를 이용하면더낮은온도를얻을수있지않을까하는제안이대두 -자기모멘트는질량에반비례하므로전자질량보다 2,000배큰핵을 이용하면 온도영역까지온도를내릴수있을것이라기대되었다 년 Kurti가처음으로핵의소자화냉동에성공 - 핵의소자화냉동을시작하려면핵의자기모멘트에관련된 엔트로피만존재하는 까지온도를내려야한다 년희석냉동기에의해 영역까지온도를내릴수있게되어 전자의소자화냉동기의역할은없어지게되었다. - 영역의온도를얻기위해서는핵의소자화냉동이유일한방법 - 온도를내리는과정은엔트로피를감소시키는과정 - 엔트로피는온도및다른변수들체적, 자기장, 압력등에의존한다. - 소자화냉동과정은두가지의과정으로구성 - 온도를일정하게유지하면서엔트로피에관련되는변수( 냉동변수) 를 조절하여엔트로피를감소시키는등온자화과정

41 - 엔트로피를감소시키는데사용한외부요인을엔트로피가변하지 않도록단열적으로없애는단열소자화과정 -소자화냉동에는자기모멘트에관련된엔트로피를냉동변수로사용 - 자기모멘트이외의다른요인에의한엔트로피를무시할수있는 낮은온도에서냉동과정이시작되어야한다. -총각운동량이 인 개의자유로운자기쌍극자집단 -외부자장이없을때쌍극자들은 의가능한에너지상태에존재 -계의자기엔트로피는 -자기장 에서쌍극자들은자장방향으로정렬, 자기엔트로피는감소 -자기쌍극자들이자장 내에있을때분배함수는 - 는, 는자기이온의자기모멘트또는핵의자기모멘트 -엔트로피는 의관계식에서

42 - 엔트로피는자기장과온도의비, 즉 만의함수이다. -온도 에서자기장 를이용하여자화 - 까지자기장을단열적으로감소 -엔트로피가 만의함수이고, 소자화과정이단열적이어서 엔트로피의변화는없으므로 의관계에서최종온도는 - 를 0 으로두면최종온도는절대영도가된다. - 실제로는외부자기장이없더라도쌍극자상호간의작용등에의해 물체내부에는내부자기장이이미형성되어있다. - 자기쌍극자가보는국소자기장은외부자기장과내부자기장의벡터합 이므로그크기는 이다. -따라서최종온도 는 -최저온도는자기장을완전히없애는경우로서 -분모의 은자화자기장 에비해아주작으므로무시

43 -엔트로피-온도그래프 -외부자기장이없을때엔트로피는 로상수값 - 실제로내부자장이존재하기때문에온도에따라변한다( 곡선 ). -외부자장이걸렸을경우엔트로피는 보다모든온도에서낮다. - 외부자기장이커질수록엔트로피곡선은더욱낮아진다. - 자기모멘트이외에의한엔트로피가없는온도에서냉동과정이시작 -냉동과정의시작온도인 는상자성소금의경우대략 이고 핵의소자화의경우 정도이다. -온도를일정하게유지하면서자기장 을외부에서걸어준다. - 외부자기장에의해자기쌍극자들이정렬되어자화된다. - 자화하는동안발생하는열은냉동물질에연결된전조냉동기로 전달되어자화는등온상태에서진행된다. - 등온자화과정( ) 에의해계의엔트로피는상당히줄어든다. - 단열소자화과정( ) 은냉동물질과외부를열적으로차단시킨후

44 외부자기장을없애는과정이다. -엔트로피의변화는없으므로계의온도가 로내려간다. - 이후열유입에의해온도는점차적으로증가한다. -그림에서 의곡선을따라 ( ) 온도가증가한다. - 냉동기의냉동력은온도가증가하는동안흡수할수있는열량 - 냉동력은그림에서청색부분을나타낸다( 면적 CDFA). - 최종온도는높더라도냉동력이큰경우를원한다면자기장을완전히 없애지않고 0이아닌값인 까지만내리면된다 ( ). -최종온도는 보다높은 이지만냉동력은면적C'DFAX' 가되어 완전히소자화시킨경우의냉동력인면적 CDFA 보다크다. - 낮은최종온도를얻으려면자화과정에서엔트로피를많이감소 - 자화과정에서더욱센자기장을사용하여야한다는것을의미 -전자의소자화냉동의경우, 핵의소자화냉동의경우

45 - 소자화냉동기의개략적인구조 - 전조냉동기는자기모멘트에관련된엔트로피만존재하는온도로내림 -냉동물질이자화될때발생하는자화열도전조냉동기가흡수 - 자화가등온인상태에서이루어지도록해주는역할을한다. - 열스윗치는전조냉동기와냉동물질사이의열적인접촉을시키거나 또는차단하는데사용한다. - 열스윗치로는초전도체선이많이이용된다. - 초전도상태를임계자기장이상을걸어줌으로써도체상태로바꾼다. - 도체상태에서는전도전자에의해열이전달된다(on 상태, 자화과정). - 초전도상태에서는열이전달되지않는다(off 상태, 단열소자화과정). - 전자의소자화냉동에는자기이온이희박하게섞인상자성소금을이용 - 핵의소자화냉동애는주로구리를사용. 그외금, 은,

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47 8. 극저온의온도측정 -온도측정의기본원리는온도에따라변하는물리량을측정하는것 -원리적으로온도에따라변하는물리량은모두온도측정에이용가능 -물리량이온도에따라너무작게변하거나또는너무크게변하면실제적으로온도측정에이용할수없다. -전자장비가측정할수없을정도로범위가좁거나또는넓기때문 - 일차온도계(primary thermometer) 는측정된물리량을물리법칙에대입하면바로온도가계산되어져나오는경우 - 증기압을재는온도계, 저항의잡음을재는온도계 - 이차온도계(secondary thermometer) 는측정하는물리량은온도에따라규칙적으로변하나명백한물리법칙에연관된간단한식으로표시할수없는경우

48 (1) 저항온도계 이상의온도를측정할때저항온도계가많이이용된다. - 저항온도계는도체나반도체의전기저항이온도에따라변한다는 사실을온도측정에이용한것이다. - 저항온도계는온도측정영역이넓고재현성(reproducibility) 이 좋으면서도측정이용이하다. - 항온도계는크기또한트랜지스터정도로아주작아서공간을 크게차지하지도않는다. -상용으로나와있는것중0.001 까지측정가능한것도있다. - 저항온도계용으로는도체, 반도체및합금등이사용되고있다. - 도체내자유전자들이격자와의충돌에의해생기는저항은온도에 직선적인관계를나타낸다. -10 이하에서는격자의운동이활발하지않아서격자와의충돌에 의해생기는저항보다불순물에의한저항이더중요해진다. -10 이하에서저항은불순물에의해서만생긴다. -불순물의수는온도에따라변하지않으므로 10 이하에서의저항은 온도에무관하게일정하다. -10 이하에서는도체의저항측정을통해서온도를결정할수없다. - 도체에자기불순물을넣으면더낮은온도에서도사용이가능하다. - 전자가자기불순물과충돌에의한저항이온도에따라변하기때문

49 - 반도체에서저항이온도에따라변하는양상은도체에서와는다르다. - 고의로불순물을넣은반도체를온도계에사용한다. - 반도체의저항은온도가내려감에따라커진다. - 도체에서전류가흐르는것은자유전자가이동하기때문이다. - 반도체에는고의로넣은불순물들이이온으로변하면그곳으로 전자가이동할수있기때문에전류가흐를수있다. - 불순물이이온으로되는것은온도가낮은경우잘되지않는다. - 반도체에서의저항은낮은온도로갈수록커지게된다. -10 이하에서저항은온도가내려감에따라지수적으로증가한다. -반도체저항온도계는 10 이하에서의온도측정용으로아주적합하다.

50 - 저항이너무커지는영역에는더이상온도계로사용할수없는데 이온도는대체로 0.03 정도이다.

51 - 게르마늄(Ge) 저항온도계와탄소저항온도계가가장많이사용 - 게르마늄에비소(As) 를불순물로섞어만든반도체물질을사용한다. - 탄소저항온도계에서는탄소를사용한다. - 탄소는반도체가아니고도체이다. - 가는입자의탄소를접착제를넣어눌러원하는모양으로만들고 열처리를하면반도체에가까운성질을띠게된다. - 탄소저항온도계는게르마늄저항온도계에비해정확도가떨어지지만 가격이아주싸기때문에많이사용되고있다. - 탄소저항온도계의저항은극저온에서급격히올라가므로온도를 정확히측정할수있는장점을가지고있다. - 탄소저항온도계는저항특성이온도계를만드는과정에따라달라서 균일한제품을만들기힘들다. - 극저온에서상온으로올라온후다시극저온에사용할경우 전번과틀리는온도특성을줄수도있다. (2) 자기온도계 - 외부에서자기장을걸어자기쌍극자들을정렬시키고, 온도에따라 정렬상태가어떻게변하는가를보는것이다. - 온도가낮을수록자장방향으로정렬하는쌍극자들의수가많아진다. - 온도가낮아질수록자기장방향으로정렬되는쌍극자들의수가 많아지므로낮은온도에서는자화도가크다. - 온도가높아지면온도에따른열에너지에의해쌍극자들의방향이 흐트러지므로자화도는작아진다. - 자화도는온도에반비례한다.

52 - 자화도의온도에따른변화를측정함으로써온도를결정할수있다. - 자기온도계에는전자자기온도계와핵자기온도계로나누어진다. -전자자기온도계의측정영역은 영역, 핵자기온도계는 영역 - 전자자기온도계의센서물질로는상자성소금을많이이용한다. - 상자성소금은부도체이므로전류를흐르게하는자유전자가없다. - 상자성소금을이용한온도계의경우온도평형에오랜시간이걸린다. - 온도계는변하는온도를빠르게측정할수있어야한다. - 상자성소금을센서물질로이용할때늦은반응속도가큰장애 - 상자성소금에금으로된선(wire) 들이나구리선등금속들을넣는다. - SQUID(Superconducting Quantum Interference Device) 를 이용한측정장치( 전자자기온도계). -현재 영역의온도를재는온도계는핵자기온도계뿐이다. - 핵자석의자기모멘트가작으므로정렬시키는데센자기장이필요 - 신호가작으므로좀더복잡한전자장비도필요하다. - 온도의측정방법은외부자기장을항상켜둔상태에서순간적으로 라디오파펄스를주고난후핵자석들의행동을관찰한다. - 핵자기공명에서사용하는방법과동일하다.

53 - 핵자석온도계의센서물질로는플레티늄(Pt) 을많이사용하고있다. - 플레티늄은순도가높은것을쉽게구할수있고, 신호가크기때문