非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測(cè)量帶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1、-. z.本科實(shí)驗(yàn)報(bào)告閱實(shí)驗(yàn)名稱:非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)11 非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測(cè)量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟆?.學(xué)習(xí)熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的根本知識(shí)和技能。2.學(xué)習(xí)測(cè)量非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的根本原理的方法。3.通過做物體冷卻曲線和求平衡溫度下物體的冷卻速度，加深對(duì)數(shù)據(jù)圖事法的理解?！緦?shí)驗(yàn)原理】熱可以從溫度高的物體傳到溫度低的物體，或者從物體的高溫局部傳到低溫局部，這種現(xiàn)象叫做熱傳遞。熱傳遞的方式有三種：傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射。設(shè)有一厚度為l、底面積為S的薄圓板，上下兩底面的溫度T，T不相等，且T1T2，則有熱量自上底面?zhèn)鬣l(xiāng)下底面見圖1，其熱量可以表示為 QUOTE (1) 圖1 測(cè)量樣品式中，為熱流量，代表單位時(shí)間里流過薄圓

2、板的熱量； QUOTE 為薄圓板內(nèi)熱流方向上的溫度梯度，式中的負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度的方向相反； QUOTE 為待測(cè)薄圓板的熱導(dǎo)率。如果能保持上下兩底面的溫度不變穩(wěn)恒態(tài)和傳熱面均勻，則 QUOTE ，于是 QUOTE (2)得到 QUOTE 關(guān)鍵1.使待測(cè)薄圓板中的熱傳導(dǎo)過程保持為穩(wěn)恒態(tài)。2.測(cè)出穩(wěn)恒態(tài)時(shí)的 QUOTE 。建立穩(wěn)恒態(tài)為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)恒態(tài)，在試驗(yàn)中將待測(cè)薄圓板B置于兩個(gè)直徑與B一樣的鋁圓柱A,C之間，且嚴(yán)密接觸，見圖2。圖二測(cè)量裝置C內(nèi)有加熱用的電阻絲和用作溫度傳感器的熱敏電阻，前者被用來做熱源。首先，可由EH-3數(shù)字化熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀將C內(nèi)的電阻絲加熱，并將其溫度穩(wěn)定在設(shè)定的數(shù)值上。B

3、的熱導(dǎo)率盡管很小，但并不為零，固有熱量通過B傳遞給A，使A的溫度TA逐漸升高。當(dāng)TA高于周圍空氣的溫度時(shí)，A將向四周空氣中散發(fā)熱量。由于C的溫度恒定，隨著A的溫度升高，一方面通過C通過B流向A的熱流速率不斷減小，另一方面A向周圍空氣中散熱的速率則不斷增加。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)A 從B獲得的熱量等于它向周圍空氣中散發(fā)的熱量時(shí)，A的溫度就穩(wěn)定不變了。 2.測(cè)量穩(wěn)恒態(tài)時(shí)的 QUOTE 因?yàn)榱鬟^B的熱流速率 QUOTE 就是A從B獲的熱量的速率，而穩(wěn)恒態(tài)時(shí)流入A的熱流速率與它散發(fā)的熱流速率相等，所以，可以通過測(cè)A在穩(wěn)恒態(tài)時(shí)散熱的熱流速率來測(cè) QUOTE 。當(dāng)A單獨(dú)存在時(shí)，它在穩(wěn)恒溫度下向周圍空氣中散熱的速率為

4、 QUOTE 3式中，為A的比熱容；為A的質(zhì)量；n= QUOTE T=T2成為在穩(wěn)恒溫度T2時(shí)的冷卻速度。 A的冷卻速度可通過做冷卻曲線的方法求得。具體測(cè)法是：當(dāng)A、C已達(dá)穩(wěn)恒態(tài)后，記下他們各自的穩(wěn)恒溫度T2,T1后，再斷電并將B移開。使A，C接觸數(shù)秒鐘，將A 的溫度上升到比T2高至*一個(gè)溫度，再移開C，任A自然冷卻，當(dāng)TA降到比T2約高To時(shí)開場(chǎng)計(jì)時(shí)讀數(shù)。以后每隔一分鐘測(cè)一次TA,直到TA低于T2約To時(shí)止。測(cè)的數(shù)據(jù)后，以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，以TA為縱坐標(biāo)做A的冷卻曲線，過曲線上縱坐標(biāo)為T2的點(diǎn)做此曲線的切線，則斜率就是A在TA的自然冷卻速度，即 QUOTE 4于是有 QUOTE 5但要注意，A

5、自然冷卻時(shí)所測(cè)出的 QUOTE 與試驗(yàn)中穩(wěn)恒態(tài)時(shí)A散熱是的熱流速率 QUOTE 是不同的。因?yàn)锳在自然冷卻時(shí)，它的所有外外表都暴漏在空氣中，都可以散熱，而在實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)恒態(tài)時(shí)，A的上外表是與B接觸的，故上外表是不散熱的。由傳熱定律：物體因空氣對(duì)流而散熱的熱流速率與物體暴露空氣中的外表積成正比。設(shè)A的上下底面直徑為d，高為h，則有 QUOTE 6將6帶入2式即得 QUOTE = QUOTE 7【實(shí)驗(yàn)儀器】1EH-3型數(shù)字化熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀圖3. EH-3型數(shù)字化熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀圖4. EH-3型數(shù)字化熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀2.測(cè)導(dǎo)熱率的實(shí)驗(yàn)裝置加熱盤、待測(cè)樣品橡膠盤、散熱鋁盤游標(biāo)卡尺量程： 0125 mm分度值： 0.0

6、2 mm表1 實(shí)驗(yàn)儀器【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1建立穩(wěn)恒態(tài) eq oac(,1)如圖3、圖4所實(shí)驗(yàn)裝置，連接好電纜線，翻開電源開關(guān)，測(cè)量選擇開關(guān)旋至設(shè)定溫度檔，調(diào)節(jié)設(shè)定溫度粗選和設(shè)定溫度細(xì)選鈕，選擇設(shè)定C盤加熱為所需的溫度如80值。 eq oac(,2)將測(cè)量選擇開關(guān)撥向上盤溫度檔，翻開加熱開關(guān)，觀察C盤溫度的變化，直至C盤穩(wěn)定恒定在設(shè)定溫度如80。 eq oac(,3)再將測(cè)量選擇開關(guān)撥向下盤溫度檔，觀察A的溫度變化，假設(shè)每分鐘的變化T0.1，則可認(rèn)為到達(dá)穩(wěn)恒態(tài)。記下此時(shí)的A和C的溫度T和T。時(shí)間測(cè)量：按動(dòng)啟動(dòng)鈕一下，即開場(chǎng)計(jì)時(shí)；再按動(dòng)啟動(dòng)鈕一下即暫停計(jì)時(shí)；按動(dòng)復(fù)位鈕，即歸零。2測(cè)A盤在T時(shí)的自然冷卻速

7、度在讀取穩(wěn)態(tài)時(shí)的T和T之后，拿走樣品B，讓A盤直接與加熱盤C底部的下外表接觸，加熱鋁盤A，使A盤溫度上升到比T高3左右，再移去加熱盤C，關(guān)閉加熱開關(guān)，測(cè)量選擇開關(guān)撥向下盤溫度檔，讓鋁盤A通過外外表直接向環(huán)境散熱自然冷卻，每隔一分鐘記下相應(yīng)的溫度值，作出A的冷卻曲線，求出A盤在T附近的冷卻速率。3用游標(biāo)卡尺測(cè)出待測(cè)板A的直徑2R和厚度，記下A盤的質(zhì)量m。4根據(jù)式7出待測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析】A T2=51.58B T1=57.27To=3A在T2時(shí)的冷卻曲線數(shù)據(jù) QUOTE T QUOTE 51.58+554.0153.2652.4751.7251.0450.3549.6648.

8、0148.3551.58-5-0.83表2圖 5由圖得 n=0.83穩(wěn)恒態(tài)時(shí)T1,T2數(shù)據(jù)T251.5951.5851.5651.5551.5651.56T157.2657.2657.2657.2657.2657.27T1-T25.675.685.705.715.705.70表3 S=的不確定度：=0.01579所以： T1-T2=5.690.02薄圓板A的直徑D與厚度的數(shù)據(jù)lmm12345D99.5299.5299.5299.5299.72h12.4012.5612.3012.2212.23l9.349.369.359.339.37表4表徑D S=的A類不確定度：=0.1112mmB類不確定

9、度：0.02mm合成不確定度：mm所以： D=99.560.11mm=0.099560.00011(M)厚度hS=的A類不確定度：=0.1759mmB類不確定度：0.02mm合成不確定度：mm所以： h=2.340.18mm=0.012340.00018(M)厚度lS=的A類不確定度：=0.0197mmB類不確定度：0.02mm合成不確定度：mm所以： h=9.350.03mm=0.00940.0004(M)另外mA =0.26kg,c=0.89kj/kg，為單次測(cè)量，不考慮A類不確定度計(jì)算薄圓板的導(dǎo)熱率 QUOTE =2.5 QUOTE W/m對(duì)應(yīng)的誤差傳遞公式為：0.04514.51%W/

10、m最終測(cè)得待測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù) QUOTE W/m【考前須知】待測(cè)平板上、下平面的溫度、是用加熱圓盤C的底部和散熱鋁盤A的溫度來代表，必須保證樣品與圓盤C的底部和散熱鋁盤A的上外表密切接觸。要根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的具體情況，調(diào)整設(shè)定溫度。一般設(shè)定溫度在60到70之間。撤去樣品盤后，假設(shè)散熱盤的溫度上升不到或溫度上升太慢，可適當(dāng)增加設(shè)定溫度(如)，但最好等到散熱盤溫度根本不變后，再移去加熱盤。防止?fàn)C傷！【分析思考】1 什么叫穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱？如何判定實(shí)驗(yàn)到達(dá)了穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)？答穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱全稱穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)熱，亦稱穩(wěn)定導(dǎo)熱。物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過程。穩(wěn)態(tài)時(shí)，加熱盤和散熱盤的溫度為一穩(wěn)定值。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)樣品上下外表的溫度即加熱盤和散熱盤的溫度連續(xù)10min內(nèi)保持不變，判斷實(shí)驗(yàn)到達(dá)了穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)。2 什么是傳熱速率、散熱速率、冷卻速率？這三者在穩(wěn)態(tài)測(cè)量時(shí)有什么內(nèi)在聯(lián)系？答：傳熱速率：?jiǎn)挝?/p>