實驗七、良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測定

熱傳導(dǎo)是熱量傳播的基本方式，導(dǎo)熱系數(shù)是描述物質(zhì)導(dǎo)熱能力的物理量。不同的物質(zhì)有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的大小，物質(zhì)可分為良導(dǎo)體和不良導(dǎo)體。

本實驗要學(xué)習(xí)用動態(tài)法測量良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的方法。實驗七、良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測定實驗七、良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測定實驗?zāi)康膶嶒瀮?nèi)容實驗重點實驗儀器設(shè)備及材料實驗裝置

實驗原理實驗步驟注意事項思考與討論一、實驗?zāi)康?/p>

1.了解熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的物理過程，學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)法測定銅的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)，并用作圖法求冷卻速率

2.學(xué)習(xí)用溫差電偶測量溫度的方法。二、實驗內(nèi)容學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)法測定銅的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)三、實驗重點

1.導(dǎo)熱速率的測定的原理和實驗方法。

2.溫差電偶的使用及穩(wěn)態(tài)的獲得。四、實驗主要儀器設(shè)備及材料

導(dǎo)熱系數(shù)測定儀（加熱盤和散熱盤均為銅盤），圓柱形待測樣品（鋁），數(shù)字式溫度傳感器，秒表，游標卡尺，分析天平。

五、實驗原理1.導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)（又稱熱導(dǎo)率）是反映材料熱性能的重要物理量，當物體內(nèi)部有溫度梯度存在時，就有熱量從高溫處傳遞到低溫處，這種現(xiàn)象被稱為熱傳導(dǎo),熱傳導(dǎo)是熱交換的三種（熱傳導(dǎo)，對流和輻射）基本形式之一，是工程熱物理、材料科學(xué)、固體物理及能源、環(huán)保等各個研究領(lǐng)域的課題，材料的導(dǎo)熱機理在很大程度上取決于它的微觀結(jié)構(gòu)，熱量的傳遞依靠原子、分子圍繞平衡位置的振動以及自由電子的遷移，在金屬中電子流起支配作用，在絕緣體和大部分半導(dǎo)體中則已晶格振動起主導(dǎo)作用。在科學(xué)實驗和工程設(shè)計中，所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實驗的方法精確測定。

1882年，法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家傅里葉給出了一個熱傳導(dǎo)的基本公式——傅里葉導(dǎo)熱方程。該方程指出，在物體內(nèi)部，垂直熱傳導(dǎo)方向取兩個平行面，其間距為h，溫度分別為和，且。如果平面的面積均為S,在時間內(nèi)通過面積S的熱量滿足下述表達式：

(1)式中為熱流量，為物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。在數(shù)值上等于相距單位長度的兩平面的溫度差為1個單位時，在單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量。根據(jù)上式我們可以得到導(dǎo)熱系數(shù)的量綱：故導(dǎo)熱系數(shù)的單位.

如圖1所示，A為發(fā)熱盤，B為圓柱形樣品，C為傳熱盤。當傳熱盤達到穩(wěn)定時，樣品上下表面的溫度和的值將保持不變，這時可認為發(fā)熱盤A通過樣品B上表面?zhèn)魅氲臒崃颗c由散熱盤C向周圍環(huán)境散熱的速率相等。由式(1)可得到B盤的傳熱速率為：（2）式中，為圓柱形樣品的半徑，為樣品的厚度。ABC圖1設(shè)散熱盤C的質(zhì)量為，比熱容c，在溫度為時，C盤的冷卻速率為，則散熱盤C在溫度為時散熱速率為：（3）由（2）式和（3）式得到：

（4）由（4）式得到導(dǎo)熱系數(shù)為：

（5）由（5）式可看出，要求出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，需要：

C盤的比熱容c，質(zhì)量m、在溫度為冷卻速率;樣品的厚度、半徑及傳熱盤達到穩(wěn)定態(tài)時的樣品上下表面的溫度和。材料的結(jié)構(gòu)變化與雜質(zhì)多少對導(dǎo)熱系數(shù)都有明顯的影響。同時，導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度而變化，所以實驗時需要對材料的成分和溫度等一并記錄。在實驗中，要降低側(cè)面散熱的影響，就要減小樣品的厚度。因為待測平板上下表面的溫度是用加熱盤A的底部和散熱盤C的溫度來代表，所以就必須保證樣品與圓盤C的底部和鋁盤A的上表面密切接觸。

2.溫度為的散熱盤C的自然冷卻速率

實驗時，在穩(wěn)定導(dǎo)熱的條件下，認為通過待測圓柱形樣品B的傳熱速率與散熱盤C向周圍環(huán)境散熱的速率相等。通過C盤在穩(wěn)定溫度附近的散熱速率，求出樣品的傳熱。在讀取穩(wěn)態(tài)時的溫度和之后，拿走樣品B，讓加熱盤A直接與散熱盤C底部的下表面接觸，加散熱盤C，使C盤溫度上升到比高10℃左右，再移去加熱盤A，重新放置B在C盤上，讓散熱盤C通過外表面直接向環(huán)境散熱（自然冷卻），每隔30秒讀一次散熱盤的溫度示值，散熱盤C降6℃時止，然后以時間為橫坐標，以T為縱坐標，做散熱盤C的冷卻曲線如圖所示，過曲線上的點（,T）做切線，則此切線斜率就是C在溫度為時的自然冷卻速率。因為物體的散熱速率與它的散熱面積成比例。對于散熱盤C，在穩(wěn)態(tài)傳熱時，散熱的外表面積和移去加熱盤A后的散熱外表面積是不同的,所以此時需在散熱盤C上重新放置樣品。六、實驗步驟1.取下固定螺絲，將樣品B放在加熱盤A與散熱盤B中間，然后固定；調(diào)節(jié)底部的兩個微調(diào)螺絲，使樣品與加熱盤A和散熱盤B接觸良好，不宜過緊或過送。2.插好加熱板的電源插頭，再將2個線的一端與機殼相連，另一端插在加熱盤A和散熱盤B的小孔中。（注意：要一一對應(yīng)不要相互錯位）3.最后，接好導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的電源。開啟電源后，右邊顯示從FDHC→當時溫度→b==·=，其含義是告知用戶請設(shè)定控制溫度。左邊顯示散熱盤C的當時溫度。4.實驗方法：（1）檢查傳感器和A盤、B盤、C盤的相互連接是否正確.（2）設(shè)定加熱器控制溫度：將“測量選擇”開關(guān)撥向“上盤溫度”檔，按升溫鍵，表顯示由B00.0上升到B80.0℃（根據(jù)室溫選擇,一般設(shè)定65～75℃較為適宜）,再按確定鍵，顯示變?yōu)锳XX.X之值即表示A盤此刻的溫度值，加熱指示燈閃亮，儀器開始加熱。（3）時間測量：按動“啟動”鈕一下，即開始計時；再按動“啟動”鈕一下即暫停計時；按動“復(fù)位”鈕，即歸零。（4）加熱盤A的溫度上升到設(shè)定溫度值，再將“測量選擇開關(guān)撥向“下盤溫度”檔，開始記錄散熱盤C的溫度，可每隔一分鐘記錄一次，若每分鐘散熱盤C的溫度的變化小于0.1℃，可以認為已經(jīng)達到穩(wěn)定態(tài)了。（5）按復(fù)位鍵停止加熱，取走樣品，調(diào)節(jié)三個螺栓使加熱盤A和散熱盤C接觸良好，再設(shè)定溫度到80℃加快C盤的溫度上升（按升溫鍵和確認鍵），使C盤在原溫度（穩(wěn)定態(tài)）的基礎(chǔ)上升10℃左右即可。（6）關(guān)閉加熱開關(guān)，移去加熱盤A，在散熱盤C上放置樣品B，“測量選擇”開關(guān)撥向“下盤溫度”檔，在自然冷卻中每隔30秒記錄C盤的溫度，直至比穩(wěn)定態(tài)溫度以下兩分鐘。計算C盤的在溫度為冷卻速率：方法一：選取散熱盤C在溫度附近的兩分鐘內(nèi)的5個溫度數(shù)據(jù)首位之差，即可求出C盤的在溫度為冷卻速率。方法二：同實驗原理內(nèi)容2，作出A的冷卻曲線，求出A盤在附近的冷卻速率。（7）用游標卡尺測待測樣品B的厚度,直徑，各測5

次；用分析天平測出C盤的質(zhì)量m，測5次。（8）根據(jù)式（5）求出待測樣品的導(dǎo)熱系數(shù)及其不確定度。計算過程如下：.（9）數(shù)據(jù)記錄表格

a.尋找當加熱盤升到設(shè)定的80℃，開始記錄散熱盤溫度，間隔1分鐘記錄一次。計時/分鐘0123456…停止計時散熱盤溫度℃……………

,和上一分鐘差小于0.1℃

b.C盤的在溫度為冷卻速率。已找到后，按復(fù)位鍵停止加熱，取走樣品，調(diào)節(jié)三個螺栓使加熱盤A和散熱盤C接觸良好，再設(shè)定溫度到80℃加快C盤的溫度上升（按升溫鍵和確認鍵），使C盤在原溫度（穩(wěn)定態(tài)）的基礎(chǔ)上升10℃左右即可。關(guān)閉加熱開關(guān)，移去加熱盤A，在散熱盤C上放置樣品B，“測量選擇”開關(guān)撥向“下盤溫度”檔，在自然冷卻中每隔30秒記錄C盤的溫度，直至比穩(wěn)定態(tài)溫度以下兩分鐘。計時/秒0306090……繼續(xù)測量兩分鐘…散熱盤溫度℃………………比小5℃左右c.測樣品B的厚度,直徑；C盤的質(zhì)量次數(shù)12345平均值不確定度七、注意1.使用前將加熱盤和散熱盤及樣品的兩個面擦干凈，可以涂少許硅油，以保證接觸良好。2.在固定安裝加熱盤和散熱盤及樣品時，三個螺絲不宜過緊或過松，用力均勻。3.該測定儀用單晶片電腦控制，最高控制溫度為80℃，讀數(shù)誤差為1℃，電加熱時，加熱指示燈閃亮，隨著與設(shè)定值的接近時指示等閃亮變慢，超過設(shè)定溫度1℃即關(guān)加熱電源，低于設(shè)定溫度自動開啟。4.加熱盤A和散熱盤C側(cè)面兩個小孔安裝數(shù)字式溫度傳感器，不可插錯。近電源開關(guān)的Q9的接插件為加熱傳感器，另一個傳感器則插在散熱盤小孔，注意在插入小孔前涂少許硅油，使其與加熱盤A和散熱盤C傳熱良好。5.實驗過程中需要移開加熱盤前，一定先關(guān)電源。移開加熱盤時，用手握固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，以