穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率

研究性實驗報告實驗題目穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率第一作者第二作者穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率摘要熱導(dǎo)率是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的物理量。也是表征材料性質(zhì)的重要參數(shù)之一。材料結(jié)構(gòu)的變化與所含雜質(zhì)的不同對材料導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值都有明顯的影響，因此材料的熱導(dǎo)率常常需要由實驗去具體測定。根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的人小，可以將材料分為熱的良導(dǎo)體和不良導(dǎo)體。熱導(dǎo)率的測定方法一般分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩種。穩(wěn)態(tài)法是在加熱和散熱達到平衡狀態(tài)、在待測樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定溫度分布的條件下，用熱電偶測量其溫度的方法。實驗原理2882年法國數(shù)學家、物理學家約瑟夫?傅里葉(Joseph.Fourier)研究得出了一個熱傳導(dǎo)的基本公式一一傅里葉熱傳導(dǎo)方程，即他指出，在物體內(nèi)部，取兩個垂直于熱傳導(dǎo)方向，彼此相距為h,溫度分別為叭，02的平行面(設(shè)01>02),若物體的平行截面面積為S,在&時間內(nèi)通過面積S的熱量6Q滿足上述方程。式中6Q為&時間內(nèi)流經(jīng)厚度為h物體的熱量，啓為單位時間通過面積為S的截ot面所傳遞的熱量，稱為熱流強度，比例系數(shù)k即為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率，數(shù)值上k等于相距單位長度的兩平行平面間溫度相差一個單位時，單位時河內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量。在國際單位制中，k的單位為瓦特/米?開爾文，即W/(m-K).實驗裝置如圖所示，在底座D的支架上先放上黃銅盤P,待測樣品B和厚底紫銅盤A。在A上方用紅外燈L加熱，實驗過程中，發(fā)熱盤A直接將熱量通過樣品B上表面?zhèn)魅霕悠?，同時黃銅盤P通過電風扇有效穩(wěn)定地散熱，使傳入樣品的熱量不斷從樣品的下表面散出。待測樣品B,當傳入的熱量等于散出的熱量樣品處于穩(wěn)定導(dǎo)熱狀態(tài)時，發(fā)熱盤A與黃銅盤P的溫度為一定數(shù)值。即樣品上、卞表面各維持穩(wěn)定的溫度01、02,其中01>02。它們的數(shù)值分別用安插在A、P側(cè)面深孔中的熱電偶E來測量。實驗時E的冷端浸入盛有冰、水混合物的杜瓦瓶H中，熱端分別插入發(fā)熱盤A和黃銅盤P側(cè)面的小孔內(nèi)。G為雙刀雙擲開關(guān)，用以變換上、下熱電偶的測量回路。數(shù)字電壓表用以測量溫差電動勢。單位時河內(nèi)通過B盤任一截而熱流量為5QSt5QStkird20X-024hg當傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)，0b02的值穩(wěn)定不變時，町以認為發(fā)熱盤A通過樣品B上表面的傳熱速率與黃銅盤P向周憐I環(huán)境散熱的速率相等。因此，可通過黃銅盤P在穩(wěn)定溫度02時的散熱速率求出傳熱速率5Q/8to當測得傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)時的0h02后，即可將樣品B抽去，使得發(fā)熱盤A的底面與黃銅盤P直接接觸。使黃銅盤P的溫度上升到高于穩(wěn)定狀態(tài)時的溫度02若干攝氏度。再將盤A移開，讓黃銅盤P自然冷卻，觀察其溫度隨時間t的變化情況每隔30s測量一次黃銅盤P的溫度T,直到它的溫度比02低若干攝氏度。然后根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)繪出T-t曲線，據(jù)此求出8T/5to則me#（m為黃銅盤P的質(zhì)量，c為其比熱容）就是黃銅盤P在溫度02時的散熱速率。應(yīng)注意到傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)時，黃銅盤P上表面與樣品緊密接觸，并未向外界散熱，而測散熱速率時移開了樣品，黃銅盤P上、下表面和側(cè)面均向周圍空氣散熱，所以其散熱表面積為nd$/2+7rdp如（其中dp、如是黃銅盤P的直徑與厚度）。而樣品盤B導(dǎo)熱達到穩(wěn)定狀態(tài)時，P盤的散熱面枳不包括上表面，考慮到冷卻速率與它的冷卻面積成正比，因此在進行熱平衡計算時要對散熱速率的表達式進行修正如下：8Q_8Tnd^/4+n-dp/ipStmCStitdp/2+7rdp/ip將式（3）代入式（2）可得STdP+4hphB2K=IY1c yStdp+2hpo±-o2nd|實驗儀器量熱器、熱電偶（本實驗選用銅一一康銅熱電偶測溫度，溫差100O^C時，其溫差電動勢約4?2mV）、待測樣品、數(shù)字電壓表、秒表、游標卡尺、天平、杜瓦瓶等。實驗步驟1根據(jù)穩(wěn)態(tài)法，必須得到穩(wěn)定的溫度分布，這就要等待較長的時間。為了提高效率，可先將紅外燈的電源電壓升高到220v,加熱約5min后再降至110v。然后，每隔2~5min讀一下溫度示值，如在lOmin內(nèi)，樣品上下表面溫度仍示值都不變，即可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)。記錄穩(wěn)定時0“?2的值后，移去樣品，再加熱。當銅盤溫度比?2高出10°C左右時，移去圓筒A,讓黃銅盤P自然冷卻。每隔30s讀一次P盤的溫度示值，最后選取臨近?2的測量數(shù)據(jù)來求出冷卻速率。安置圓筒、圓盤時，注意使放置熱電偶的插孔與杜瓦瓶、數(shù)字亳伏表位于同一側(cè)。熱電偶插入小孔時，要查到插孔底部，使熱電偶測溫端與銅盤接觸良好。熱電偶冷端插在滴有硅油的細玻璃管內(nèi)，再將玻璃管浸入冰水混合物中。

樣品圓盤B和黃銅盤P的幾何尺寸，均可用游標卡尺多次測量取平均。銅盤的質(zhì)量m（約lkg）可用電子天平稱衡。數(shù)據(jù)記錄與處理首先求罟，取鄰近E的測量數(shù)據(jù)如下表，并據(jù)數(shù)據(jù)作圖t/s90120150130210240270T/°C74.472.971.570.168.967.666.6求得斜率訂R°C/s=0?044047°C/s如7.9mm8.0mm7.9mm7.9+8.04-7.9=7.93mmt/min23252729如7.9mm8.0mm7.9mm7.9+8.04-7.9=7.93mmt/min2325272932103.5103.7103.5103.7104.2?268.969.469.369.770.13103.5+103.7+103.5+103.7+104.2502==103.72°C68.9+69.4+69.3+69.7+70.15=69.48°C而銅盤的hph.54mmdp二129.7mm mp=878.355g查表得黃銅的比熱容C=390J/（kg-。0將全部數(shù)據(jù)帶入§T〃p+4的hB2k=mc—；— 百otdp+2hpoL-o2nd務(wù)得k=0.146729w/(m-k)ua(dP)=2.8x10_3mmUb(c/p0.0289nunu(dp)二0.029mmua(/ip)=6.32X10_3mmuB(/iP)=0.0289mmu(hP)=0.03mmUa(m)二0.03gub(m)=0.0-577gu(m)=0.0-58g血(〃8)二0.0133mmub(dF)=0.0289mm11(如二0.0318mmua(知)二0.0115mmuh(hj二0.0289mmu(/iF)=0.0311mm=>u(k)=0.001w/(m-k)最終結(jié)果灶u(k)=(0.147±O.OOl)w/(m-k)討論結(jié)果分析由公式STdp+4/iphB 2K=mc— 巴 盲otdp+2hp0±-02可知誤差最大項的來源應(yīng)為罟和1?-02兩項，下面就這兩項展開分析。對誤差的分析（1）、熱電偶插入銅盤時，可能由于插入不夠深造成誤差，因為如對熱電偶稍有晃動，數(shù)字電壓表示值即發(fā)生變化。（2）、風扇造成誤差，由于風直接吹到P的下表面，導(dǎo)致P與A的溫差增大,由6Tdp+4/inhB2Stdp+2hp0±-02itd|可知，K的數(shù)值將比真值減小。（3） .P、A、B可能對的不是很齊或者由于P、A、B直徑并非完全一致,會導(dǎo)致0!-02的值增大，從而導(dǎo)致K的值減小。（4） .由于是目測調(diào)節(jié)三個螺栓，所以兩個銅盤和橡膠盤不會完全水平，導(dǎo)致P和A受熱不均，從而導(dǎo)致熱電偶測出的數(shù)值不準確。（5）.數(shù)字式電壓表的靈敏度也會對所測得的6-色產(chǎn)生影響。對實驗儀器及試驗方法的改進根據(jù)誤差來源的分析，我們做出以下儀器改進。（1） 可釆用將銅盤與熱電偶固聯(lián)以減少晃動，插入不夠深等因素造成的誤差（2） 可釆用將將風扇豎直，從側(cè)面吹風來降溫的方式來減小P與A的溫差增大的誤差，因為這樣氣流對P與A的影響相同（3） 按照銅盤的直徑做上下開口的桶（含架，以架起P、A、B）,再把樣品做成銅盤的直徑，這樣直接放入即可，即可減少對不齊等因素的影響（4） 將（3）中的桶直接放在水平臺上即可減小由于銅盤不水平造成的誤差。在不對儀器做出改變的情況下對實驗方法的改進（1） 關(guān)閉風扇，減小對01-02的影響（2） 多次測量獲得平均值以減少熱電偶插入不夠深等問題造成的誤差實驗中的教訓總結(jié)（1）數(shù)字電壓表調(diào)到溫度檔，每隔一段時間重新開啟以免記錄時數(shù)字電壓表關(guān)閉。(2)應(yīng)該在兩個傳感器上涂些導(dǎo)熱硅脂或者硅油，以使傳感器和加熱盤、銅盤盤充分接觸實驗后的感想通過這次實驗，我掌握了用穩(wěn)態(tài)法測量熱導(dǎo)率的方法，尤其明白了在實驗中要多思考，盡量優(yōu)化實驗，用較好的方法來減少實驗誤差，在操作中，每一步要準確，不能因為操作不規(guī)范而導(dǎo)致誤差共至