实验一 固体导热系数的测量(没有)

12级电科专业《专业实验》安排表（2015下半年）

内容 班级 电科121 电科122 太阳能电池特性研究 黄瑞强 12周3 202 13周3 202 PN结特性 叶会亮 8周3 101 9周3 101 导热系数 罗 飞 11周3 205 12周3 205 二阶电路 邹文强 9周3 103 8周3 103 电源特性 邹文强 16周3 103 15周3 103 声光电路 黄瑞强 15周3 207 16周3 207 数字万用表 刘燕勇 13周3 205 14周3 205 光电传感器 刘志勇 10周3 303 11周3 303 说明：14周3 （上课时间为第14周星期3；上课地点为物理实验室103教室。） 103

每一时间段实验为4学时，下午上课时间：14:30-17:30 每次实验上课前需认真预习相关实验内容并写好预习报告 每位学生准备8张16开实验报告纸，8张32开原始记录纸。 讲义份数：导热系数？份, 电源特性？份, 声光电路？份。 所开设实验的房间管理由各位老师自己承担。

理学院物理实验室 2015.09.06

实验一 固体导热系数的测量

导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响，因此，材料的导热系数常常需要通过实验来具体测定。测量导热系数的方法比较多，但可以归并为两类基本方法：一类是稳态法，另一类为动态法。用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分布，然后进行测量。而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。 【实验目的】

1、 用稳态法测定出不良导体的导热系数，并与理论值进行比较 。

2、用稳态法测定良导体铝合金棒的导热系数，分析用稳态法测定良导体的导热系数存在较大实验误差的原因 。 【实验原理】

根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为h、温

度分别为T1 、T2 的平行平面（设T1?T2），若平面面积均为S，在?t时间内通过面积S的热量?Q满足下述表达式：

(T?T2)?Q???S?1 ( 1 ) ?th式中

?Q为热流量，?即为该物质的热导率（又称作导热系数），?在数值上等于相距单位?t长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是

W?m?1?K?1 。

图1为TC-3型导热系数测定仪中加热盘及 待测样品等置放示意图。

图中：

1—防护罩 2—加热部件总成 3—加热 圆铜盘（A） 4—待测样品（B） 5—调节螺杆 6—散热圆铜盘（P） 7—热电偶温度传感器（E）

按图1所示，在调节螺杆上先放上散热圆铜盘

P，在P的上面放上待测样品B（圆盘形的不良

导体），再把带加热器的圆铜盘A放在B上，加热

器通电后， 图1

热量从A盘传到B盘，再传到P盘，由于A, P盘都是良导体，其温度即可以代表B盘上、下表面的温度T1 、T2 ，T1 、T2分别由插入A, P盘边缘小孔热电偶E温度传感器来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中，通过“传感器切换”开关G，切换A、

P盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式（1）可以知道，单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为：

(T?T2)?Q???1???R2B ( 2 ) ?thB 式中RB为样品的半径，hB为样品的厚度，当热传导达到稳定状态时，T1和T2的值不变，于是通过B盘上表面的热流量与由圆铜盘P向周围环境散热的速率相等，因此，可通过圆铜盘P在稳定温度T2 时的散热速率来求出热流量

?Q 。实验中，在读得稳定时的T1和T2?t后，即可将待测样品B盘移去，而使圆铜盘A的底面与圆铜盘P直接接触。当圆铜盘P的温度上升到高于稳定时的T2值若干摄氏度后，再将圆铜盘A移开，让圆铜盘P自然冷却。观察其温度T随时间t变化情况，然后由此求出圆铜盘P在T2的冷却速率

?T?tT?T2,而

?Q (m为紫铜盘P的质量,C为铜材的比热容),就是紫铜盘P在温度T?T2?t?T为T2时的散热速率。但要注意，这样求出的是紫铜盘的全部表面暴露于空气中的冷却

?tm?C??速率，其散热表面积为2??R2?2??RP?hP（其中RP与hP分别为紫铜盘的半径与厚度）。然而，在观察测试样品的稳态传热时，P盘的上表面（面积为?R2P）是被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比，则稳态时铜盘散热速率的表达式应作如下修正：

?T?t?Q?Tπ?R2P?2π?RP?hP （ 3 ） ?m?C??2?t?t2π?RP?2π?RP?hP将式（3）代入式（2），得：

??????m?C?【实验仪器】

?RP?2hP??hB?1?T? （ 4 ） 2?t?2RP?2hP???T1?T2???RB实验采用TC?3型导热系数测定仪。该仪器采用低于36V的隔离电压作为加热电源，安全可靠。整个加热圆筒可上下升降和左右转动，发热圆盘和散热圆盘的侧面有一小孔，为放置热电偶之用。散热盘P放在可以调节的三个螺旋头上，可使待测样品盘的上下两个表面与发热圆盘和散热圆盘紧密接触。散热盘P下方有一个轴流式风扇，用来快速散热。两个热电偶的冷端分别插在放有冰水的杜瓦瓶中的两根玻璃管中。热端分别插入加热圆盘和散热圆盘的侧面小孔内。冷、热端插入时，涂少量的硅脂，热电偶的两个接线端分别插在仪器面板上的相应插座内。利用面板上的开关可方便地直接测出两个温差电动势，温差电动势采用量程为20mV的数字式电压表测量，再根据附录的铜—康铜分度表转换成对应的温度值。

仪器设置了数字计时装置，计时范围166min，分辩率1s，供实验时计时用。仪器还设置了PID自动温度控制装置，控制精度?1?C，分辨率0.1?C，供实验时加热温度控制。 【实验内容】

在测量导热系数前应先对散热盘P和待测样品的直径、厚度进行测量。 1．用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测5次。

2．用游标卡尺测量散热盘P的直径和厚度，测5次，按平均值计算P盘的质量。也可直接用天平称出P盘的质量。 一．不良导体导热系数的测量 ：

1．实验时，先将待测样品（例如硅橡胶圆片）放在散热盘P上面，然后将加热盘A放在样品盘B上方，并用固定螺母固定在机架上，再调节三个调节螺杆，使样品盘的上下两个表面与发热盘和散热盘紧密接触。

2．在杜瓦瓶中放入冰水混合物，将热电偶的冷端（黑色）插入杜瓦瓶中。将热电偶的热端（红色）分别插入加热盘A和散热盘P侧面的小孔中，并分别将其插入加热盘A和散热盘P的热电偶接线连接到仪器面板的传感器Ⅰ、Ⅱ上。分别用专用导线将仪器机箱后部分与加热组件圆铝板上的插座间加以连接。

3．接通电源，在“温度控制”仪表上设置加温的上限温度（具体操作见附录4）。将加热选择开关由“断”打向“1~3”任意一档，此时指示灯亮，当打向“3”档时，加温速度最快，如PID设置的上限温度为100?C时。当传感器I的温度读数VT1为4.2mV时，可将开关打向“2”或“1”档，降低加热电压。

4. 大约加热40分钟后，传感器Ⅰ、Ⅱ的读数不再上升时，说明已达到稳态，每隔5分钟记录VT1和VT2的值。

5．在实验中，如果需要掌握用直流电位差计和热电偶来测量温度的内容，可将“传感器切换”开关转至“外接”，在“外接”两接线柱上接上

UJ36a型直流电位差计的“未知”端，即可测量

散热铜盘上热电偶在温度变化时所产生的电势差 6．测量散热盘在稳态值T2附近的散热速率

?Q）。移开铜盘A，取下橡胶盘，并使铜盘A?t的底面与铜盘P直接接触，当P盘的温度上升到

（

高于稳定态的VT2值若干度（0.2mV左右）后，再将铜盘A移开，让铜盘P自然冷却，每隔30秒(或自定)记录此时的T2值。根据测量值计算出散热速率

二．金属导热系数的测量 ：

1．按图2所示，将圆柱体铝合金棒置于加热圆盘与散热圆盘之间。

2．当加热盘与散热盘达到稳定的温度分布后，T1 、T2值为金属样品上下两个面的温度，此时散热盘P的温度为T3 值。因此测量P盘的冷却速率为：

?Q。 图2 ?t?Q?tT1?T3

由此得到导热系数为：

??m?C??Q?tT1?T3?h1 ?(T1?T2)??R2测T3值时可在T1 、T2达到稳定时，将插在加热圆盘与散热圆盘中的热电偶取出，分别插入金属圆柱体上的上下两孔中进行测量。 三．空气的导热系数的测量 ：

测量空气的导热系数时，通过调节三个螺旋头，

使发热圆盘与散热圆盘平行，它们之间的距离为h，并用塞尺进行测量（即塞尺的厚度，一般为几个毫米），此距离即为待测空气层的厚度。注意：由于存在空气对流，所以此距离不宜过大。 【注意事项】

1．放置热电偶的加热和散热圆盘侧面的小孔应与杜瓦瓶同一侧，避免热电偶线相互交叉。 2．实验中，抽出被测样品时，应先旋松加热圆筒侧面的固定螺钉。样品取出后，小心将加热圆筒降下，使发热盘与散热盘接触，注意防止高温烫伤。 【数据与结果】

1． 验数据记录（ 铜的比热C?0.09197 Cal?g?1??C?1，密度??8.9g/cm3 ） 散热盘P：质量m = (g) 半径：RP?测量次数 1 2 3 1DP （cm） 24 5 DP (cm) hP (cm) 橡胶盘： 半径RB?测量次数 1 1DB? （cm） 22 3 4 5 DB (cm) hB (cm) 稳态时T1 、T2的值（转换见附录2的分度表）T1= T2= 测量次数 1 2 3 4 5 VT1 (mV) VT2 (mV) 散热速率： 时间（s） 0 30 60 90 120 150 180 210 VT3 (mV) 2．根据实验结果，计算出不良导热体的导热系数(导热系数单位换算：

1Cal?cm?1?s?1??C?1?418.68W/m?K) ，并求出相对误差。

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