测不良导体的导热系数

1、测不良导体的导热系数（物理与电子信息学院物理学专业2009级汉班，内蒙古呼和浩特010022）指导教师：哈斯朝鲁摘要：导热系数的测量一直是基础物理实验的热点和难点，本文详细的介绍了稳态法和非稳态法测 量不良导体的导热系数的实验过程及其遇到的问题和结果分析，并比较了两种测量方法的优缺点。关键词：导热系数；稳态法；非稳态法 中图分类号：O4711引言导热系数（又称热导率）是表征物质热传导性质的物理量，热传导是热交换的三种热 传导、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研 究领域的课题材料的导热的导热机理在很大程度上取决于它的微观热量的传递依靠原子、 分子围绕平

2、衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分 半导体中则以晶格振动起主导作用。料结构的变化与所含杂质对导热系数值都有明显影 响，因此导热系数由实验具体测定。测量导热系数的方法一般分为两类：稳态法与非稳 态法。2正文2.1非稳态法测导热系数【实验目的】学习用闪光法测定不良导体导热系数的方法；了解一种测定材料热物性参数的方法；学习使用高压脉冲光源和光路调节技术及微机控制实验和采集处理数据。【实验仪器介绍和链接】1闪光法导热仪：高压脉冲疝灯及电源、光学调节系统、待测样品、P-N结温度传感器、放大电路、AD/DA卡，微机、软件。2实验仪器介绍：（1）光学系统：包含高压脉冲

3、疝灯、疝灯电源、椭球反光镜、样品和样品盒、疝灯及样品的三维调节装置。当电极的两端加高压600-1000V,极间就会发出耀眼的白光(不能用肉眼直接观看)，对试样进行加热。 测温系统：包含PN结温度传感器(将热信号转化为电信号)、测温电路板、 试样等。数据采集和数据处理系统：包含微机(能快速进行数据采集和处理。本实验 对微机要求为80486以上，考虑到一机多用，选用了 Intel800MHzCPU, 128MB 内存，20GB的硬盘)、多通道高速AD/DA转换卡(由AD转换卡转换为计算 机可以识别的数字信号。采集过程中DA转换功能用于去触发高压脉冲电源， 使氙灯极间放电发出闪光。)、软件等。3实验

4、仪器的连接：光学系统使疝灯电极中心在第一焦点处(距反光镜底口约15mm处)。调节样品架位置距反光镜大口约96.6mm。调节三维调节装置，使高压脉冲氙灯、椭球反光镜的中心和样品的圆心在同一 条直线上。测温系统测温系统的主要是意图数据采集和数据处理系统：本实验的电路已由实验室事先连接好，PCI7483卡、信号放大卡、电路板等 都已经置于相应的卡槽中，我们做的就只需要将测温二极管与补偿二极管用专 线接入放大电路中。软件安装过程：a硬件安装部分首先关机，打开机箱，插入pci7483卡及信号放大卡，再开机，WINDOWS XP已经安装完成，只用将分辨率设定为1024*768。b在C盘中建立文件夹C:pr

5、ogram fileshotecpci7483,将随A/D卡U盘中 文件夹driverpci7483中所有文件拷入上述文件夹中。c将前述文件夹 pci7483中windrvr.vxd和windrvr.sys两文件拷入 c:windowssystem 和 c:windowssystem32drivers 两文件夹中。d从控制面板【系统】设备管理器中安装 JUNGOpci7483,定制驱动程序位置 c:program fileshotecpci7483e 点击开始【运行】浏览，找“c:program fileshotecpci7483wdreg.exe”, 在其后加一空格，再加intall,确定，

6、执行之。f插入本实验系统安装U盘，点击“set up”图标，自动安装本系统软件 【实验原理】傅里叶导热定律和热导率热传导是指发生在固体内部或静止流体内部的热量交换过程。其微观机制是， 由自由电子或晶格振动波作为载体进行热量交换的过程。宏观上是由于物体内部存 在温度梯度，发生从高温区向低温区域传输能量的过程。1822年Fourier首次在他的著作热的理论分析中阐述了导热热流和温度梯度 的正比关系。我们用热流密度的矢量形式表示，有傅立叶导热定律：q = -k gradT其中q为热流密度矢量，表示在单位等温面上沿温度降低方向单位时间内传递的 热量。k是热导率，显然是反映物质导热能力的重要物性参数，其

7、物理含义是：每 单位时间内，在每单位长度上温度降低一度时，每单位面积上通过的热量。在1994 年实施的国家标准量和单位一书中定义热导率(thermal conductivity)为面 积热流量除以温度梯度，单位为w/m-k 材料热导率的测量方法闪光法是测定热扩散率最常用的一种方法。采用圆形薄试样，其一面有一个脉 冲型的热流加热，根据另一面温度随时间的变化关系，a可确定热扩散率，进而由 公式k=a.p.c可以得到热导率k，其中c和P分别为材料的比热容和密度。原理示意图见图9-1。假设有一脉冲光脉冲波形温度响应图脉冲光脉冲波形温度响应图9T束能量为Q的脉冲光在,=0时刻照射在试样表面(试样为薄圆片

8、状，脉冲光沿垂 直于圆面的轴线方向辐照)，且被试样均匀吸收，可以认为在距表面的微小距离/内 样品温升为： TOC o 1-5 h z T(x,O) = g/p -c -I (0 x/)si、T (x,0) = 0(Z x L)(9-1)式中Q为单位面积吸收的能量，乙为样品厚度且ld /O当试样周围热损 很小以至可以忽略时，可以认为侧面绝热，可用一维导热微分方程况(X,t)二 a 仞八兀 n(0 x0 ），若平面面积均1212为S，在5 r时间内通过面积S （从一个平面传到另一个平面）的热量52满足下述表达式：普=XS 5r（3-1）式中5 q/51为热流量，入即该物质的热导率（又称导热系数：表

9、示物质热传导性能的物 理量，入在数值上等于相距单位长度的两平行平面温度相差1个单位时，在单位时间内 垂直通过单位面积的热量）。导热系数的SI单位：瓦特每米开尔文，单位符号为w/（m.k）。导热系数过去常用的非SI制单位是卡每秒厘米开尔文，单 位符号为cal/ （s cm k ），它与SI单位的换算是： 1cal / （s cm k）=418.68W / （m k）。本实验采用稳态法进行测量，其原理如图3-1所示。当传热达到稳态时，样品上、下面的温度002的值将不变，这时可以认为发热盘A通过 圆盘样品B上平面传入热量的速率与由散热盘P向周围环境散热的速率相等。由式（3-1） 可知通过B盘的传热速

10、率：5Q =入冗r 2（3-2） 图3-1传热盘和样品51h b式中，R为圆盘样品的半径，hB为样品的厚度。P盘在温度为0时的散热速率满足下述 表达式：50 mc5 Q 50 mc5 Q * 一 mc o5151式中，m为P盘的质量，c为其比热容，（3-3）0 -0 2普|为P盘处在0时的冷却速率。由（3-2）、（3-3）两式得:人01马兀R人01马兀R 2 hbB.50九 一 mc51|mc |0=02h 10=0 2 0 -0 X 兀 R 2（3-4）（3-5）所以只要测出样品质量、厚度、半径以及温度变化，就可以求出样品的导热系数。2.3稳态法与非稳态法的比较稳态法实验：缺点：由于实验过程太长，样品与空气接触时间较长，对实验有较大的影响，再者， 由于简单仪器的使用，对实验的不准确度较高，还有，手动操作实验对实验的加热，散 热都不迅速，进而对实验数据有一定的影响。优点：能直接观察实验过程及数据变化，对实验数据进行宏观测量，有一种手动感， 配有高灵敏度高分辨率的数字电压表。非稳态法实验：缺点：由于实验迅速，对实验的偶然发生性较大，自然光对实验也有一定的影响， 很少有手动操作，缺乏手感。优点：实验经电脑处理，数据精确，计算过程简单，省时，有专用的绘图工具，图 像明确，直观，操作简单，过程迅速，仪器先进，误差较小。3小结从实验中我们了解到稳态法和非稳态法测导热系数各