實(shí)驗(yàn)六不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測定

1、實(shí)驗(yàn) 六 不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測定導(dǎo)熱系數(shù)(又稱熱導(dǎo)率)是表征物質(zhì)材料熱傳導(dǎo)性質(zhì)的重要物理量。材料結(jié)構(gòu)的變化與所含雜質(zhì)的不同對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)值都有明顯的影響，因此材料的導(dǎo)熱系數(shù)常常需要由實(shí)驗(yàn)去具體測定。1804年法國物理學(xué)家畢奧通過平壁導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)的結(jié)果最早的表述了導(dǎo)熱定律。稍后，1822年法國的傅立葉運(yùn)用數(shù)理的方法，更準(zhǔn)確地把它表述為后來稱之為傅立葉定律的微分形式，從而奠定了導(dǎo)熱理論。目前測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都是建立在傅立葉導(dǎo)熱定律的基礎(chǔ)上。從測量的方法來說可分為兩類：一類是穩(wěn)態(tài)法，另一類是動(dòng)態(tài)法。在穩(wěn)態(tài)法中，先利用熱源在待測樣品內(nèi)部形成一穩(wěn)定的溫度分布，然后進(jìn)行測量。在動(dòng)態(tài)法中，待測樣品中的溫度分布

2、是隨時(shí)間變化的。例如呈周期性的變化等。本實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行測量?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?（1） 學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)法測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。（2） 學(xué)習(xí)如何運(yùn)用實(shí)驗(yàn)觀測的手段，盡快找到最佳的實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)，正確測出所需的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法。（3） 學(xué)習(xí)用物體散熱速率求熱傳導(dǎo)速率的實(shí)驗(yàn)方法。（4） 學(xué)習(xí)熱電偶的測溫原理和方法。【實(shí)驗(yàn)原理】（） 傅立葉熱傳導(dǎo)方程 1882年法國數(shù)學(xué)、物理學(xué)家傅立葉給出了一個(gè)熱導(dǎo)體的基本公式傅立葉導(dǎo)熱方程式。該方程式指出，在物體內(nèi)部，取兩個(gè)垂直于熱傳導(dǎo)方向、彼此相距為h、溫度分別為、 的平行面（設(shè) > ），若平面面積均為 S，在dt時(shí)間內(nèi)通過面積S的熱量dQ滿足下述表達(dá)式：=, （1）

3、 式中為熱流量，為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率（又稱導(dǎo)熱系數(shù)），表明物質(zhì)導(dǎo)熱的能力。在數(shù)值上等于相距單位長度的兩平面的溫度相差1個(gè)單位時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量；其單位為。（2）本實(shí)驗(yàn)裝置為導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，如圖1所示。本儀器可用于穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體、金屬和氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，采用電熱板加熱、熱電偶測溫、數(shù)字毫伏表測量溫差電動(dòng)勢。它由電加熱板、銅加熱盤A,橡皮樣品圓盤B,銅散熱盤C、樣品支架及調(diào)節(jié)螺絲、風(fēng)扇、溫度傳感器以及控溫與測溫器組成。圖1 導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置 固定于底座上的的三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲，支撐著一個(gè)散熱銅盤C,散熱盤C可以借助底座內(nèi)的風(fēng)扇，達(dá)到穩(wěn)定有效的散熱。散熱盤上安放面積相同的圓盤樣品B,樣品B上

4、放置一個(gè)圓盤狀加熱盤A，加熱盤A由電加熱板提供熱量。加熱時(shí)，電壓開關(guān)可根據(jù)需要置于“220V”檔、“110V”檔或關(guān)閉狀態(tài)（“0V” 檔）。實(shí)驗(yàn)時(shí)一方面電熱板發(fā)出的熱量直接通過加熱盤A由樣品上表面?zhèn)魅霕悠?，另一方面散熱盤C借電扇有效穩(wěn)定地散熱，使傳入樣品的熱量不斷往樣品下表面散出。當(dāng)傳入的熱量等于散出的熱量時(shí)樣品處于穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)，這時(shí)加熱盤和散熱盤各維持穩(wěn)定的溫度、，它們的數(shù)值分別用安插在A、C側(cè)面深孔中的熱電偶B1、B2來測量。B1、B2的冷端插入盛有冰水混合物（作為參考溫度）的杜瓦瓶中的細(xì)玻璃管內(nèi)。熱電偶B1端接入導(dǎo)熱系數(shù)測定儀面板上的“測1”插孔，熱電偶B2端接入導(dǎo)熱系數(shù)測定儀面板上的“

5、測2”插孔，“電表”的兩插孔引出導(dǎo)線接入數(shù)字毫伏表。本實(shí)驗(yàn)選用銅康銅熱電偶測溫度。熱電偶產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢與冷熱兩端的溫度差成正比，銅康銅熱電偶的特性為冷熱兩端溫差為100C時(shí)，產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢為4.2mV，由于其冷端溫度為，故在溫度變化不大時(shí)，其溫差電動(dòng)勢與熱端溫度的比值為一常數(shù)（），即在本實(shí)驗(yàn)條件下數(shù)字式毫伏表顯示的讀數(shù)正比于熱端的溫度。在計(jì)算時(shí)，可直接以電動(dòng)勢值代替溫度值代入公式進(jìn)行計(jì)算。G為雙刀雙向開關(guān)，用以變換上、下熱電偶的測量回路。由式（6.1）可知，單位時(shí)間內(nèi)通過待測樣品B任一圓截面的熱流量為= （2）式中為圓盤樣品的半徑，為樣品厚度。當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，和的值不變，于是通過B盤上

6、表面的熱流量與由散熱銅盤C向周圍環(huán)境散熱的速率相等。因此，可通過散熱銅盤C在穩(wěn)定溫度時(shí)的散熱速率來求出熱流量。實(shí)驗(yàn)中，在讀得穩(wěn)定時(shí)的、后，即可將樣品B盤移去，而使加熱盤A的底面與散熱銅盤C直接接觸。當(dāng)散熱銅盤C的溫度上升到高于穩(wěn)定時(shí)溫度若干攝氏度后，再將電熱板移去，讓散熱銅盤C自然冷卻。觀測其溫度隨時(shí)間t變化情況，然后由此求出散熱銅盤C在的冷卻速率，根據(jù)比熱容的定義，對(duì)溫度均勻的物體，其散熱速率與冷卻速率的關(guān)系為=mc （3）m為黃銅盤C的質(zhì)量、c為其比熱容)就是黃銅盤在溫度為時(shí)的散熱速率。但須注意，這樣求出的是黃銅盤的全部表面暴露于空氣的散熱速率，其散熱表面積為+（其中與分別為黃銅盤的半徑與

7、厚度）。然而，在觀測樣品穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí),C盤的上表面（面積為）是被樣品覆蓋著的?？紤]到物體的散熱速率與它的表面積成正比，則穩(wěn)態(tài)時(shí)銅盤散熱速率的表達(dá)式應(yīng)修正如下：= mc。 （6.4）將式（6.4）代入式（6.2），得：。 （6.5）（3）本實(shí)驗(yàn)的完成和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的成敗，關(guān)鍵是如何有效地控制實(shí)驗(yàn)條件與參數(shù)，盡快判定和最終達(dá)到樣品內(nèi)部溫度分布的穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)法中，在樣品B內(nèi)完全達(dá)到穩(wěn)定的溫度分布，一般需要等待較長時(shí)間，且與、加熱的快慢、室溫等等環(huán)境條件有關(guān)。未開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，A、B、C盤的溫度均與室溫相等。一開始加熱，A盤溫度開始上升，上升的快慢與加熱板的供電電壓有關(guān)，電壓高，加熱快，A盤溫度上升快；隨著A

8、盤溫度的升高，熱量開始通過樣品B傳到C盤，C盤的溫度開始上升，而上升的速度與C盤的溫度、C盤本身的散熱狀態(tài)有關(guān)（物體的散熱快慢決定于物體本身的溫度與周圍環(huán)境的溫差）。所以為了提高實(shí)驗(yàn)效率，縮短達(dá)到溫度平衡狀態(tài)的時(shí)間，必須有目的地控制實(shí)驗(yàn)條件。一般是先加大電加熱板的供電電壓，使A盤溫度盡快上升至某一定值，然后降低供電電壓（根據(jù)A盤溫度的變化情況或降低或升高供電電壓以使A盤溫度維持為定值），觀察A盤和C盤的溫度變化情況確定加熱電壓的數(shù)值和持續(xù)時(shí)間，從而最有效地找到最佳的實(shí)驗(yàn)參數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)裝置】 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀、數(shù)字毫伏表、測溫?zé)犭娕迹ㄣ~-康銅）、杜瓦瓶、天平、游標(biāo)卡尺、待測樣品等?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】

9、(1) 用游標(biāo)卡尺測量樣品盤B和散熱盤C的半徑、及厚度、，各測量五次取平均。用電子稱稱衡銅盤的質(zhì)量。測量一次。(2)安裝、調(diào)整、熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置：在支架上先后放上散熱圓銅盤、待測橡膠樣品和加熱圓銅盤，并用固定螺母固定在支架上，調(diào)節(jié)三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲，使樣品盤的上下表面與加熱盤和散熱盤充分接觸，但注意不宜過緊或過松。(3) 接通電源電，用“升溫”鍵設(shè)置加熱盤溫度為70.00到220V，按“確定”鍵開始加熱。（4）當(dāng)加熱盤溫度到達(dá)70.0±0.30時(shí)，每隔1min讀一下加熱盤和散熱盤的溫度示值、，如在10min內(nèi)樣品上、下兩盤的表面溫度、示值都不變，即你所記錄的數(shù)據(jù)有10組、值都不變，可認(rèn)為已

10、經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。記住穩(wěn)態(tài)時(shí)、值。(5) 移去樣品，用加熱盤直接對(duì)散熱盤進(jìn)行加熱。使散熱銅盤溫度比穩(wěn)態(tài)時(shí)的高出15C左右時(shí)，關(guān)閉加熱盤電源，移去加熱盤，讓散熱銅盤自然冷卻。冷卻過程每隔30s讀一次散熱銅盤的溫度示值，直至散熱銅盤溫度比穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度低出10C左右為止?！緮?shù)據(jù)處理】表1加熱板電壓在220V檔、110V檔或0V檔之間變換，每隔1min讀取的溫度示值：（min）(mV) (mV)表2測量散熱盤在穩(wěn)態(tài)值附近的散熱速率時(shí)，每隔30s記錄的溫度：（s）(mV)（1）用作圖法求出散熱盤的冷卻速率散熱盤的冷卻曲線，以時(shí)間為X軸，溫度為Y軸，用表2的數(shù)據(jù)繪制散熱盤的冷卻曲線。然后畫出曲線上溫度點(diǎn)的切

11、線，求出此切線的斜率，即為溫度時(shí)散熱盤的冷卻速率。（2）把各數(shù)值代入式（4）求出橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)?！咀⒁馐马?xiàng)】(1) 安置散熱盤、加熱盤時(shí)，須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶、數(shù)字毫伏計(jì)位于同一側(cè)。熱電偶的金屬絲較細(xì)，放置與取下時(shí)要特別小心以免折斷。熱電偶插入小孔時(shí)，（要抹上些硅油，）并插到洞孔底部，使熱電偶測溫端與銅盤接觸良好。熱電偶冷端插在（滴有硅油的）細(xì)玻璃管內(nèi)，再將玻璃管浸入冰水混合物中。將樣品抽出時(shí)，先斷開加熱電源，為防止高溫燙傷要戴上手套，小心地升、降加熱盤。在測定散熱盤的冷卻過程時(shí)，加熱盤（圓筒）移開后必須將它固定在基架上，并旋緊固定螺母，防止實(shí)驗(yàn)過程中下滑造成事故。當(dāng)散熱盤離開加熱盤自

12、然冷卻時(shí)，冷卻電扇應(yīng)仍處于工作狀態(tài)，以形成一個(gè)穩(wěn)定的散熱環(huán)境。(2) 實(shí)驗(yàn)過程中若發(fā)現(xiàn)讀數(shù)呈不規(guī)則變化，請(qǐng)向教師及時(shí)報(bào)告。(3) 本實(shí)驗(yàn)選用銅康銅熱電偶測溫度，溫差100C時(shí)，其溫差電動(dòng)勢約4.2mV，配置的數(shù)字電壓表能讀到0.01mV。(4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，務(wù)必記得關(guān)閉電源，以免溫度過高，造成危險(xiǎn)。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】(1) 用游標(biāo)卡尺測量樣品盤B和散熱盤C的半徑、及厚度、，各測量五次取平均。用電子稱稱衡銅盤的質(zhì)量。測量一次。(2)安裝、調(diào)整、熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置：在支架上先后放上散熱圓銅盤、待測橡膠樣品和加熱圓銅盤，并用固定螺母固定在支架上，調(diào)節(jié)三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲，使樣品盤的上下表面與加熱盤和散熱盤充分接觸，但注意不宜過緊或過松。(3) 接通電源電，用“升溫”鍵設(shè)置加熱盤溫度為70.00到220V，按“確定”鍵開始加熱。（4）當(dāng)加熱盤溫度到達(dá)70.0±0.30時(shí)，每隔1min讀一下加