實(shí)驗(yàn)七、良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)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(shí)驗(yàn)要學(xué)習(xí)用動(dòng)態(tài)法測(cè)量良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的方法。實(shí)驗(yàn)七、良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)七、良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及材料實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)步驟注意事項(xiàng)思考與討論一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的物理過(guò)程，學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)法測(cè)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(cè)量溫度的方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定銅的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)三、實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)

1.導(dǎo)熱速率的測(cè)定的原理和實(shí)驗(yàn)方法。

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

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

五、實(shí)驗(yàn)原理1.導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)（又稱(chēng)熱導(dǎo)率）是反映材料熱性能的重要物理量，當(dāng)物體內(nèi)部有溫度梯度存在時(shí)，就有熱量從高溫處傳遞到低溫處，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為熱傳導(dǎo),熱傳導(dǎo)是熱交換的三種（熱傳導(dǎo)，對(duì)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(gè)研究領(lǐng)域的課題，材料的導(dǎo)熱機(jī)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(dòng)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(dòng)起主導(dǎo)作用。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)中，所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實(shí)驗(yàn)的方法精確測(cè)定。

1882年，法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家傅里葉給出了一個(gè)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(gè)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(shí)間內(nèi)通過(guò)面積S的熱量滿(mǎn)足下述表達(dá)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(zhǎng)度的兩平面的溫度差為1個(gè)單位時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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(pán)，B為圓柱形樣品，C為傳熱盤(pán)。當(dāng)傳熱盤(pán)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，樣品上下表面的溫度和的值將保持不變，這時(shí)可認(rèn)為發(fā)熱盤(pán)A通過(guò)樣品B上表面?zhèn)魅氲臒崃颗c由散熱盤(pán)C向周?chē)h(huán)境散熱的速率相等。由式(1)可得到B盤(pán)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(pán)C的質(zhì)量為，比熱容c，在溫度為時(shí)，C盤(pán)的冷卻速率為，則散熱盤(pán)C在溫度為時(shí)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(pán)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(pán)達(dá)到穩(wěn)定態(tài)時(shí)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(duì)導(dǎo)熱系數(shù)都有明顯的影響。同時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度而變化，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)需要對(duì)材料的成分和溫度等一并記錄。在實(shí)驗(yàn)中，要降低側(cè)面散熱的影響，就要減小樣品的厚度。因?yàn)榇郎y(cè)平板上下表面的溫度是用加熱盤(pán)A的底部和散熱盤(pán)C的溫度來(lái)代表，所以就必須保證樣品與圓盤(pán)C的底部和鋁盤(pán)A的上表面密切接觸。

2.溫度為的散熱盤(pán)C的自然冷卻速率

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在穩(wěn)定導(dǎo)熱的條件下，認(rèn)為通過(guò)待測(cè)圓柱形樣品B的傳熱速率與散熱盤(pán)C向周?chē)h(huán)境散熱的速率相等。通過(guò)C盤(pán)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(shí)的溫度和之后，拿走樣品B，讓加熱盤(pán)A直接與散熱盤(pán)C底部的下表面接觸，加散熱盤(pán)C，使C盤(pán)溫度上升到比高10℃左右，再移去加熱盤(pán)A，重新放置B在C盤(pán)上，讓散熱盤(pán)C通過(guò)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(pán)的溫度示值，散熱盤(pán)C降6℃時(shí)止，然后以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以T為縱坐標(biāo)，做散熱盤(pán)C的冷卻曲線(xiàn)如圖所示，過(guò)曲線(xiàn)上的點(diǎn)（,T）做切線(xiàn)，則此切線(xiàn)斜率就是C在溫度為時(shí)的自然冷卻速率。因?yàn)槲矬w的散熱速率與它的散熱面積成比例。對(duì)于散熱盤(pán)C，在穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，散熱的外表面積和移去加熱盤(pán)A后的散熱外表面積是不同的,所以此時(shí)需在散熱盤(pán)C上重新放置樣品。六、實(shí)驗(yàn)步驟1.取下固定螺絲，將樣品B放在加熱盤(pán)A與散熱盤(pán)B中間，然后固定；調(diào)節(jié)底部的兩個(gè)微調(diào)螺絲，使樣品與加熱盤(pán)A和散熱盤(pán)B接觸良好，不宜過(guò)緊或過(guò)送。2.插好加熱板的電源插頭，再將2個(gè)線(xiàn)的一端與機(jī)殼相連，另一端插在加熱盤(pán)A和散熱盤(pán)B的小孔中。（注意：要一一對(duì)應(yīng)不要相互錯(cuò)位）3.最后，接好導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀的電源。開(kāi)啟電源后，右邊顯示從FDHC→當(dāng)時(shí)溫度→b==·=，其含義是告知用戶(hù)請(qǐng)?jiān)O(shè)定控制溫度。左邊顯示散熱盤(pán)C的當(dāng)時(shí)溫度。4.實(shí)驗(yàn)方法：（1）檢查傳感器和A盤(pán)、B盤(pán)、C盤(pán)的相互連接是否正確.（2）設(shè)定加熱器控制溫度：將“測(cè)量選擇”開(kāi)關(guān)撥向“上盤(pán)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(pán)此刻的溫度值，加熱指示燈閃亮，儀器開(kāi)始加熱。（3）時(shí)間測(cè)量：按動(dòng)“啟動(dòng)”鈕一下，即開(kāi)始計(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。（4）加熱盤(pán)A的溫度上升到設(shè)定溫度值，再將“測(cè)量選擇開(kāi)關(guān)撥向“下盤(pán)溫度”檔，開(kāi)始記錄散熱盤(pán)C的溫度，可每隔一分鐘記錄一次，若每分鐘散熱盤(pán)C的溫度的變化小于0.1℃，可以認(rèn)為已經(jīng)達(dá)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(gè)螺栓使加熱盤(pán)A和散熱盤(pán)C接觸良好，再設(shè)定溫度到80℃加快C盤(pán)的溫度上升（按升溫鍵和確認(rèn)鍵），使C盤(pán)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(kāi)關(guān)，移去加熱盤(pán)A，在散熱盤(pán)C上放置樣品B，“測(cè)量選擇”開(kāi)關(guān)撥向“下盤(pán)溫度”檔，在自然冷卻中每隔30秒記錄C盤(pán)的溫度，直至比穩(wěn)定態(tài)溫度以下兩分鐘。計(jì)算C盤(pán)的在溫度為冷卻速率：方法一：選取散熱盤(pán)C在溫度附近的兩分鐘內(nèi)的5個(gè)溫度數(shù)據(jù)首位之差，即可求出C盤(pán)的在溫度為冷卻速率。方法二：同實(shí)驗(yàn)原理內(nèi)容2，作出A的冷卻曲線(xiàn)，求出A盤(pán)在附近的冷卻速率。（7）用游標(biāo)卡尺測(cè)待測(cè)樣品B的厚度,直徑，各測(cè)5

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

a.尋找當(dāng)加熱盤(pán)升到設(shè)定的80℃，開(kāi)始記錄散熱盤(pán)溫度，間隔1分鐘記錄一次。計(jì)時(shí)/分鐘0123456…停止計(jì)時(shí)散熱盤(pán)溫度℃……………

,和上一分鐘差小于0.1℃

b.C盤(pán)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(gè)螺栓使加熱盤(pán)A和散熱盤(pán)C接觸良好，再設(shè)定溫度到80℃加快C盤(pán)的溫度上升（按升溫鍵和確認(rèn)鍵），使C盤(pán)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(kāi)關(guān)，移去加熱盤(pán)A，在散熱盤(pán)C上放置樣品B，“測(cè)量選擇”開(kāi)關(guān)撥向“下盤(pán)溫度”檔，在自然冷卻中每隔30秒記錄C盤(pán)的溫度，直至比穩(wěn)定態(tài)溫度以下兩分鐘。計(jì)時(shí)/秒0306090……繼續(xù)測(cè)量?jī)煞昼姟岜P(pán)溫度℃………………比小5℃左右c.測(cè)樣品B的厚度,直徑；C盤(pán)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(pán)和散熱盤(pán)及樣品的兩個(gè)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(pán)和散熱盤(pán)及樣品時(shí)，三個(gè)螺絲不宜過(guò)緊或過(guò)松，用力均勻。3.該測(cè)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(shí)，加熱指示燈閃亮，隨著與設(shè)定值的接近時(shí)指示等閃亮變慢，超過(guò)設(shè)定溫度1℃即關(guān)加熱電源，低于設(shè)定溫度自動(dòng)開(kāi)啟。4.加熱盤(pán)A和散熱盤(pán)C側(cè)面兩個(gè)小孔安裝數(shù)字式溫度傳感器，不可插錯(cuò)。近電源開(kāi)關(guān)的Q9的接插件為加熱傳感器，另一個(gè)傳感器則插在散熱盤(pán)小孔，注意在插入小孔前涂少許硅油，使其與加熱盤(pán)A和散熱盤(pán)C傳熱良好。5.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要移開(kāi)加熱盤(pán)前，一定先關(guān)電源。移開(kāi)加熱盤(pán)時(shí)，用手握固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以