不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率

1、 不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率摘要 物體導(dǎo)熱性能的好壞，稱為物體的熱導(dǎo)率。不同的物質(zhì)，熱導(dǎo)率值是不同的熱導(dǎo)率大的稱為熱的良導(dǎo)體，熱導(dǎo)率小的稱為熱的不良導(dǎo)體。測定不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率的方法是當(dāng)樣品兩端達到穩(wěn)態(tài)溫度差時，樣品的傳熱速率與散熱盤從側(cè)面和底面向周圍散熱的速率相等為依據(jù)。由此測出散熱盤在穩(wěn)定溫度時的散熱速率，以此求出不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率，測量物質(zhì)熱導(dǎo)率的方法有穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩種，它們以傅里葉熱傳導(dǎo)定律作為基礎(chǔ)。 目錄1. 實驗?zāi)康?. 實驗儀器3. 實驗原理4. 實驗內(nèi)容與步驟5. 注意事項6. 數(shù)據(jù)及處理7. 問題討論8. 知識拓展引言：導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的物理量,是各類科學(xué)研究和工程設(shè)計的重要

2、基礎(chǔ)參數(shù)。迄今為止,尚無法用純理論的方法,導(dǎo)出物質(zhì)(特別是固體)導(dǎo)熱系數(shù)的精確計算公式。研究材料的導(dǎo)熱性質(zhì)，在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中是一個重要課題，凡聯(lián)系到新型材料的開發(fā)，設(shè)備及裝置的熱設(shè)計等方面都離不開它，對于不同材料的不同性質(zhì)（非金屬不良導(dǎo)體；金屬良導(dǎo)體）可采用不同的測試研究方法。因此材料的導(dǎo)熱系數(shù)常需要由實驗具體測定。測量導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)的方法一般分兩類：一類是穩(wěn)態(tài)法，另一類是動態(tài)法。在穩(wěn)態(tài)法中，先利用熱源在待測樣品內(nèi)形成一穩(wěn)定的溫度分布；然后進行測量。在動態(tài)法中，待測樣品中的溫度分布是隨時間變化的，例如呈周期性的變化等。本實驗采用穩(wěn)態(tài)法測定不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)?！緦嶒?zāi)康摹浚?） 了解掌握熱傳導(dǎo)

3、現(xiàn)象的物理過程。（2） 掌握用穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的原理及方法。（3） 學(xué)會測定橡膠盤的熱導(dǎo)率。（4） 體會物理思想和對知識的拓展。【實驗儀器】FDTCB型熱導(dǎo)系數(shù)測定儀（溫度控制范圍：室溫-80，溫度計精度：0.1）、橡膠樣品、游標(biāo)卡尺（精度：0.02，量程：0125）、ARA520型電子天平（量程：1500g,線性誤差：0.01g）等?！緦嶒炘怼勘緦嶒灢捎梅€(wěn)態(tài)法測量橡膠的熱導(dǎo)率。測量時對系統(tǒng)加溫以使測試樣品沿其厚度方向形成溫度梯度，熱量從高溫處傳遞到低溫處，這種現(xiàn)象被稱為熱傳導(dǎo)。根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)方程，在dt時間內(nèi)通過dS面積的熱量dQ,正比于物體內(nèi)的溫度梯度，其比例系數(shù)為熱導(dǎo)率，即d

4、Q/dt=-（dT/dx）dS,在該式子中dQ/dt為傳熱速率；dT/dt是與面積dS相垂直的方向上的溫度梯度；負(fù)號表示熱量從高溫區(qū)域傳向低溫區(qū)域；表示物體的熱導(dǎo)率，在該實驗中樣品B在中間，認(rèn)為本實驗中樣品側(cè)面的散熱量遠(yuǎn)小于通過樣品下表面的散熱量，可以近似認(rèn)為絕熱，滿足的公式為 dQ/dt=-（T上-T下）/hBS0=-（T上-T下）/hBD2B/4其中hB為樣品厚度；SB為樣品圓盤B的面積；DB為樣品B的直徑；T上-T下為樣品上、下表面的溫度差。 實驗時，當(dāng)傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)時，可以認(rèn)為加熱盤C通過樣品傳遞的熱流量與散熱盤向周圍環(huán)境的散熱量相等。因此可以通過散熱盤在穩(wěn)定溫度下時的散熱速率來求出

5、樣品的傳熱速率。在讀取穩(wěn)態(tài)時的上和下之后，取走樣品，讓散熱盤直接與加熱盤C接觸，加熱銅盤A，使之溫度上升，移開加熱盤，讓散熱盤在電扇的作用下冷卻，同時記錄A的溫度TA隨時間t的下降情況，直到TA降至比T下溫度低，然后在坐標(biāo)圖上畫出冷卻曲線，過曲線上的點作切線，則此切線的斜率就是A盤在T下溫度時的冷卻速率dT/dt|T=T下。根據(jù)熱容的定義，有 dQ/dt=mc dT/dt=m銅c銅 dT/dt|T=T下，m銅和c銅分別為A盤的質(zhì)量和比熱容。對于銅盤A，在達到穩(wěn)態(tài)的過程中，其上表面并未暴露在空氣中，散熱的外表面積為D2A/4+DAhA,其中DA，hA分別為散熱盤A的直徑和厚度。移去加熱盤C后A盤

6、的散熱面積為DAhA,考慮到物體的散熱速率與他的散熱面積成比例，所以穩(wěn)態(tài)時A 的散熱速率的表達式應(yīng)作面積修正dQ/dt=m銅c銅（DA/4+DAhA）/(DA/2+)下銅銅（）（）下綜合上面的公式，可以得出樣品的熱導(dǎo)率為銅銅（）（上下）（）下，只要求出下，就可以求出橡膠試樣的熱導(dǎo)率。【實驗內(nèi)容與步驟】（） 用游標(biāo)卡尺測量散熱盤和樣品B的厚度與直徑，多次測量取平均值。用電子天平測量散熱銅盤A的質(zhì)量m銅。（） 取下固定螺釘，將橡膠樣品放在加熱盤和散熱盤之間，橡膠樣品要求與加熱盤、散熱盤完全對準(zhǔn)，上下絕熱薄板要對準(zhǔn)加熱盤和散熱盤，調(diào)節(jié)底部的三個微調(diào)螺釘，使樣品與加熱盤、散熱盤接觸良好，但注意不宜過緊

7、或者過松。（） 按照要求組裝好設(shè)備與裝置。在安放加熱盤和散熱盤時，還應(yīng)注意使放置傳感器的小孔上下對齊。（） 接上導(dǎo)線系數(shù)測定儀的電源，開啟電源后，左邊表頭首先顯示為，然后顯示當(dāng)前溫度。這時可以設(shè)定控制溫度，按升溫鍵，左邊顯示，表示想要設(shè)定的溫度值?？梢栽O(shè)定為。再按確定鍵，顯示為之值，加熱指示燈閃亮，打開風(fēng)扇開關(guān)，儀器開始加熱。右邊表頭顯示散熱盤的當(dāng)前溫度。（） 加熱盤的溫度上升到設(shè)定溫度值，開始記錄散熱盤的溫度，每隔一分鐘記錄一次，待在分鐘或更長時間內(nèi)加熱盤和散熱盤的溫度值基本不變，就可以認(rèn)為熱量交換已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)了（） 按復(fù)位鍵停止加熱，小心取走樣品，調(diào)節(jié)三個螺栓使加熱盤和散熱盤接觸良好，

8、再設(shè)定溫度。（） 移去加熱盤，讓散熱盤在風(fēng)扇作用下冷卻，每隔（或者）記錄一次散熱盤的溫度示值。（） 將所有的數(shù)據(jù)進行處理，計算出橡膠樣品的熱導(dǎo)率?！咀⒁馐马棥浚ǎ?注意各儀器間的連線正確，加熱盤和散熱盤的兩個傳感器要一一對應(yīng)，不可互換。（） 溫度傳感器插入小孔時，要抹些硅油，并使傳感器與銅盤接觸良好。（） 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀銅盤下方的風(fēng)扇做強迫對流換熱用，可以減少樣品側(cè)面與底面的放熱比，增加樣品內(nèi)部的溫度梯度，從而減小誤差，所以實驗過程中，風(fēng)扇一定要打開。（） 測量完畢，取出樣品時，應(yīng)先切斷電源并注意防止?fàn)C傷。【數(shù)據(jù)及處理】表1 散熱盤A和樣品圓盤B的厚度與直徑數(shù)據(jù)記錄表游標(biāo)卡尺精度：0.02mm

9、,量程：0150mm,零點讀數(shù)：0.04mm測量項目hA/mmDA/mmhB/mmDB/mm次 數(shù)直讀值消除零點值直讀值消除零點值直讀值消除零點值直讀值消除零點值17.507.46129.90129.867.767.72129.88129.8427.447.40129.92129.887.787.74129.88129.8437.567.52129.92129.887.807.76129.84129.8047.507.46129.92129.887.827.78129.86129.8257.527.48 129.90129.867.807.76129.86129.82平均值7.5047.464129.912129.8727.7957.755129.864129.824散熱盤A的質(zhì)量：m銅=875.9g 表2 穩(wěn)態(tài)時樣品B上下表面的溫度樣品溫度狀態(tài)上表面溫度T上下表面溫度T下溫度值/65.049.0 表3 散熱銅盤A在T下附近冷卻時的溫度示值測量次序123456 789冷卻時間/s50180210 240溫度值/56.155.855.55554.654.153.653.453續(xù)表1測量次序1011128冷卻時間/s27910溫度值/52.45251.45150.650.149.649.248.8續(xù)表2測量次序1922627冷卻時間/s5