非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測量

1、非良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測量導(dǎo)熱系數(shù)（又稱導(dǎo)熱率）是反映材料熱性能的重要物理量，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)體中則以晶格振動起主導(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 需要實驗的方法精確測定?！緦嶒炓蟆浚ㄒ唬嶒?zāi)康牧私鉄醾鲗?dǎo)現(xiàn)象的物理過程，學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)平板法測量非良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)并用作圖法求冷卻速率。（二）預(yù)習(xí)要求什么事傅里葉熱傳導(dǎo)定律？

2、什么是導(dǎo)熱系數(shù)？什么是穩(wěn)態(tài)平板法？用穩(wěn)態(tài)平板法測物體導(dǎo)熱系數(shù)的原理是什么？為什么要測量下圓鋁盤的冷卻速率？本實驗用的實驗儀器是什么？【實驗原理】1882年法國科學(xué)家傅里葉（J.Fourier）建立了熱傳導(dǎo)理論，目前各種測量導(dǎo)熱系數(shù)的方 法都是建立在傅里葉熱傳導(dǎo)定律的基礎(chǔ)之一，測量的方法可以分為兩大類:穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法， 本實驗采用的是穩(wěn)態(tài)平板法測量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)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)，傅里葉指出，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)就是導(dǎo)熱系數(shù)，即：dQdT 小=一人dS（4-6-1） TOC o

3、 1-5 h z dtdxdQdT式中 丁為傳熱速率，丁 是與面積dS相垂直方向上的溫度梯度，負(fù)號表示熱量由高 dtdx溫區(qū)域傳向低溫區(qū)域，人是導(dǎo)熱系數(shù)，表示物體導(dǎo)熱能力的大小，在國際單位制SI中，力的單位是W -m-1 - K 1。對于各向異性材料，各個方向的導(dǎo)熱系數(shù)是不同的（常用張量來表示）。如圖4-6-1所示，設(shè)樣品為一平板，則維持上下平面有穩(wěn)定的四孔（側(cè)面近似絕熱），即穩(wěn)態(tài)時通過樣品的傳熱速率為dQ(4-6-2)T -T -=人 T 2 Sdt h BB式中h為樣品厚度，S =兀R2為樣品上表面面積，T-T為上、下平面的溫度差，人為 BB B12導(dǎo)熱系數(shù)。在實驗中，要降低側(cè)面散熱的影響

4、就要減小hB ,因為待測平板上下平面的溫度和孔是用加熱圓盤C的底部和散熱鋁盤A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。實驗時，在穩(wěn)定導(dǎo)熱的條件下(T和T值恒定不變)，可以認(rèn)為通過待測樣品B盤的傳 12熱速率與鋁盤A向周圍環(huán)境散熱的速率相等，因此可以通過A盤在穩(wěn)定溫度T附近的冷卻2速率華，求出A盤的傳熱速率竺加。dtdt在讀取穩(wěn)態(tài)的和孔之后，拿走樣恥，讓A盤直接與加熱盤。底部的下表面接觸， 加熱鋁盤A，使A盤溫度上升到比T?高6C左右，再移去加熱盤C，讓鋁盤A通過外表面 直接向環(huán)境散熱(自然冷卻)，當(dāng)降至比匕高5C時開始計時并讀數(shù)二,直到七低于72約5oC時止，然

5、后以時間為橫坐標(biāo)，以TA為縱坐標(biāo)，作A的冷卻曲線如圖4-6-2所示，過曲線上的點(t2, T)作切線，則此切線的斜率就是A在T時的自然冷卻速率dT T - T=b。-tbdt t2圖 4-6-2圖 4-6-1對于鋁盤A，在穩(wěn)態(tài)傳遞熱量，其散熱的外表面積為兀R2+2兀RhA，移去加熱盤C后，A盤的散熱外表面積為2兀R2+2兀R h =2兀R (R + h )，考慮到物體的散熱速率與它的散 AA AAAA熱面積成比例，所以有dQ 兀 R (R + 2h ) dQ R + 2h dQ: = T A A TA-加= T_A TA-加(4-6-3)dt 2冗 R (R + h )dt 2(R+ h )d

6、tAAAA A式中RA和hA分別為A盤的半徑和厚度。根據(jù)熱容的定義，對溫度均勻的物體，有(dQ加=mc(dT(4-6-4)dt dtdQdT n對應(yīng)鋁盤A，就有福加=mc / m鋁和c鋁分別必盤的質(zhì)量和比熱容，將此式代入（4-6-3）中，有dQ _R + 2龍 dTdt 一鋁鋁 2(RA + hA) dt比較式(4-6-5)和(4-6-2)，便得出導(dǎo)熱系數(shù)和公式：汽 m c h (R + 2h ) dT人=鋁鋁BAA2兀 R2(T - T )(R + h ) dtB 12 A A(4-6-5)(4-6-6)m、h、R、h、R、T和T都可以由實驗測量出準(zhǔn)確值，c為已知常數(shù)， 鋁 B B A A

7、12鋁c =0.901X103 J /（kg -K），因此，只求出當(dāng)，就可以求出導(dǎo)熱系數(shù)人。鋁dt【實驗裝置】圖 4-6-3（二）YJ-RZ-2數(shù)字智能化熱學(xué)綜合實驗儀的面板如圖2所示。（一）熱導(dǎo)率測量的實驗裝置如圖4-6-3所示。圖4-6-4 YJ-RZ-2數(shù)字智能化熱學(xué)綜合實驗儀【實驗內(nèi)容】（1）建立穩(wěn)恒態(tài)如圖4-6-3,4-6-4所示，安裝好實驗裝置，調(diào)節(jié)兩邊的緊固螺釘使加熱盤、待測材料、 散熱鋁盤接觸良好，同時連接好電纜線，打開電源開關(guān)。將“測量選擇”開關(guān)按到“上盤”檔（開關(guān)凸起，）即溫度表顯示為加熱盤C的溫度， 順時針調(diào)節(jié)“溫度粗選”和“溫度細(xì)選”鈕到底，打開加熱開關(guān)，加熱指示燈發(fā)亮

8、（加熱狀 態(tài)），同時觀察恒溫加熱盤的溫度變化，當(dāng)恒溫加熱盤溫度即將達(dá)到所需溫度（如55C）時 逆時針調(diào)節(jié)“溫度粗選”和“溫度細(xì)選”鈕使指示燈閃爍（恒溫狀態(tài)），仔細(xì)調(diào)節(jié)“溫度細(xì) 選”使恒溫加熱溫度恒定在所需溫度（55C60C）。再將“測量選擇”開關(guān)按到“下盤”檔（開關(guān)下凹），觀察A的溫度變化，若每分鐘 變化直 0.1 C，則可認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)恒態(tài)，記下5組A盤和C盤的溫度孔和（每分鐘記錄 一組）。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。（2）測A盤在匕時的自然冷卻速度在讀取穩(wěn)態(tài)的T和T之后，松掉緊固螺釘，拿走樣品B，讓A盤直接與加熱盤C底部

9、1的下表面接觸，加熱鋁盤A，使A盤溫度上升到比匕高6C左右，再移去加熱盤C，關(guān)閉加 熱開關(guān)，“測量選擇”開關(guān)按到“下盤”檔，讓鋁盤A通過外表面直接向環(huán)境散熱（自然冷 卻），每隔30秒記下相應(yīng)的溫度值，直到比穩(wěn)態(tài)時的T低5C為止。2（3）用游標(biāo)卡尺測出待測板B的直徑2R和厚度h，以如的直徑2R和厚度九，BBAA記下A盤的質(zhì)量m鋁（數(shù)據(jù)表格自擬）?！緮?shù)據(jù)處理】作出A的冷卻曲線，求出A盤在T附近的冷卻速率華。2dt根據(jù)公式，代入數(shù)據(jù)，求出待測材料的導(dǎo)熱系數(shù)人?！绢A(yù)習(xí)思考題】物體的導(dǎo)熱系數(shù)與哪些因素有關(guān)？本實驗，如果傳熱方向與樣品表面不垂直，實驗結(jié)果會受到怎樣的影響？如果鋁盤 與樣品之間有縫隙，實驗結(jié)果又會受到怎樣的影響？【思考題】導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義？非導(dǎo)體的導(dǎo)熱機理？如果用動態(tài)法測量物體的導(dǎo)熱系數(shù)，應(yīng)如何設(shè)計實驗？導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)如何測量？【注意事項】樣