不良導(dǎo)體地?zé)釋?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(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度差時(shí)，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(shí)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)。2. 目錄1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)容與步驟注意事項(xiàng)數(shù)據(jù)及處理問題討論知識拓展引言：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(jì)的重要基礎(chǔ)參數(shù)。迄今為止，尚無法用純理論的方法，導(dǎo)出

2、物質(zhì)（特別是固體）導(dǎo)熱系數(shù)的精確計(jì)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(gè)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(jì)等方面都離不開它，對于不同材料的不同性質(zhì)（非金屆不良導(dǎo)體；金屆良導(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(shí)驗(yàn)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形成一穩(wěn)定的溫度分布；然后進(jìn)行測量。在動態(tài)法中，待測樣品中的溫度分布是隨時(shí)間變化的，例如呈周期性的變化等。本實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法測定不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?）了解掌握熱傳導(dǎo)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)

3、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(shí)驗(yàn)儀器】FATCHB型熱導(dǎo)系數(shù)測定儀（溫度控制圍：室溫-80C,溫度計(jì)精度：土0.1C）、橡膠樣品、游標(biāo)卡尺（精度：0.02mm,量程：0125mm）、ARA520型電子天平（量程：1500g,線性誤差：土0.01g）等。【實(shí)驗(yàn)原理】本實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法測量橡膠的熱導(dǎo)率。測量時(shí)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(shí)間通過dS面積的熱量dQ,正比于物體的溫度梯度，其比例系數(shù)為熱導(dǎo)率，即dQ/dt=-入（dT/dx）dS,在該式子中

4、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；入表示物體的熱導(dǎo)率，在該實(shí)驗(yàn)中樣品B在中間，認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)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=-入（T上-T下）/hBSo=-入（T上-T下）/hb兀D2b/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(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可以認(rèn)為加熱盤C通過樣品傳遞的熱流量與散熱盤A向周圍環(huán)境的散熱量相等。因此可以通過散熱盤A在穩(wěn)定溫度T下時(shí)的散熱速率dT/dt來求出樣品的傳熱速率dQ/d

5、to在讀取穩(wěn)態(tài)時(shí)的T上和T下之后，取走樣品B,讓散熱盤A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C,讓散熱盤A在電扇的作用下冷卻，同時(shí)記錄A的溫度Ta隨時(shí)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(diǎn)作切線，則此切線的斜率就是A盤在T下溫度時(shí)的冷卻速率dT/dt|t=t下。根據(jù)熱容的定義，有dQ/dt=mcdT/dt=m銅c銅dT/dt|t=t下,m銅和c銅分別為A和的質(zhì)量和比熱容。對于銅盤A,在達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程中，其上表面并未暴露在空氣中，散熱的外表面積為兀Da/4+兀DhA,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盤的散熱

6、面積為兀Da/2+兀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(shí)A的散熱速率的表達(dá)式應(yīng)作面積修正dQ/dt=m銅c銅(兀Da/4+兀CAhA)/(兀Da/2+兀DaIia)dT/dt|t=tt=m銅c銅(Da+4ha)/2(Da+2ha)dT/dt|T=T下綜合上面的公式，可以得出樣品的熱導(dǎo)率為入=2m銅c銅hB(Z)A+4ha)/ttDb(T上一T下)(Da+2hA)dT/dt|只要求出dT/dt|丁=丁下，就可以求出橡膠試樣的熱導(dǎo)率入?！緦?shí)驗(yàn)容與步驟】用游標(biāo)卡尺測量散熱盤A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

7、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(gè)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(shí)，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FDHC,然后顯示當(dāng)前溫度。這時(shí)可以設(shè)定控制溫度，按升溫鍵，左邊顯示BXX.X,表示想要設(shè)定的溫度值。可以設(shè)定為5570C。再按確定鍵，顯示為AXX.X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。(1) 加熱盤的溫度上升到設(shè)定溫度值，開始記錄散熱

8、盤的溫度，每隔一分鐘記錄一次，待在10分鐘或更長時(shí)間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(dá)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(gè)螺栓使加熱盤和散熱盤接觸良好，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10s(或者30s)記錄一次散熱盤的溫度示值。(8)將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出橡膠樣品的熱導(dǎo)率。(1) 【注意事項(xiàng)】注意各儀器間的連線正確，加熱盤和散熱盤的兩個(gè)傳感器要一一對應(yīng)，不可互換。(2) 溫度傳感器插入小孔時(shí)，要抹些硅油，并使傳感器與銅盤接觸良好。(3)導(dǎo)熱系數(shù)測定儀銅盤下方的風(fēng)扇做強(qiáng)迫對流換熱用，可以減少樣品側(cè)面與底面的放熱比，增加樣品部的溫

9、度梯度，從而減小誤差，所以實(shí)驗(yàn)過程中，風(fēng)扇一定要打開。(4)測量完畢，取出樣品時(shí)，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,量程:0150mm零點(diǎn)讀數(shù):0.04mm測量項(xiàng)目hA/mmDA/mmh，mmDB/mm次直讀消除直讀值消除零點(diǎn)直讀消除直讀值消除零點(diǎn)數(shù)值零點(diǎn)值值值零點(diǎn)值值17.507.46129.90129.867.767.72129.88129.8427.447.40129.92129.887.787.74129.88129.8437.567.52129.92129.887.807.76129.84129.804

10、7.507.46129.92129.887.827.78129.86129.8257.527.48129.90129.867.807.76129.86129.82半均值7.5047.464129.912129.8727.7957.755129.864129.824散熱盤A的質(zhì)量：mm=875.9g表2穩(wěn)態(tài)時(shí)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/C65.049.0表3散熱銅盤A在T下附近冷卻時(shí)的溫度示值測量次序123456789冷卻時(shí)間/s0306090120150180210240溫度值/C56.155.855.55554.654.153.653.453續(xù)表1測量次序101112131415161718冷卻時(shí)間/s270300330360390420450480510溫度值/C52.45251.45150.650.149.649.248.8續(xù)表2測量次序192021222324252627冷卻時(shí)間/s540570600630660690720750780溫度值/C48.44847.647.246.846.546.14