研究性报告-不良导体热导率的测量 北航物理实验

文档是一篇稳态法侧不良导体的热导率实验,系统的阐述了不良导体的热导率测量方法,详细的分析了误差来源,数据处理详细,老师评分较高

研究性报告

题 目：稳态法侧不良导体热导率 学生姓名：许见超 随意 学 院：交通工程与科学学院 专 业：土木工程 班 级：101361

学 号：10131212 10131205

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研究性报告—稳态法测量不良导体得热导率

文档是一篇稳态法侧不良导体的热导率实验,系统的阐述了不良导体的热导率测量方法,详细的分析了误差来源,数据处理详细,老师评分较高

研究性报告

稳态法测不良导体的热导率

10131212 许见超 10131205随意

一、 摘要

由于温度不均匀，热量从温度高的地方向温度低的地方转移，这种现象叫做热传导。导热系数是表征

物质热传导性质的物理量。按傅里叶定律，其定义为单位温度梯度（在1m长度内温度降低1K）在单位时间内经单位导热面所传递的热量；材料结构的变化与所含杂质对导热系数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常需要由实验具体测定。测量导热系数的方法一般分为两类：一类是稳态法，另一类是动态法。在稳态法中，先利用热源在待测样品内部形成一稳定的温度分布，然后进行测量。在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如呈周期性的变化等。本实验采用稳态法进行测量。其基本原理是先对测试样品进行加热，使其内部形成稳定的温度分布，然后进行具体温度的测量，进而通过公式得出热导率。

二、关键词

稳态法 傅里叶导热方程式 热电偶温差计 不良导体 热导率

三、实验基本要求

1．了解热传导现象；

2．学习用稳态法测非良导体的导热系数；﹒

3．学会用作图法求冷却速率。

四、仪器简介

【实验装置】

A—带电热板的发热盘 B—螺旋头 C—螺旋头 D—样品支架 E—风扇 F—热电偶 G—杜瓦瓶 H—数字电压表 P—散热盘

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五、实验原理

当物体内部温度不均匀时，就有热量从高温向低温传递，用导热系数k表示物体导热能力的强弱。本实验采用稳态平板法测量不良导体的导热系数。

在本方法中，样品制成平板形，其上端面与一稳定的均匀发热体相接触，下端面与一均匀地散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿上下方向垂直传递， 横向由侧面散去的热量可以忽略不计，也就是说，可以认为，样品内，只在垂直样 品平面的方向上有温度梯度，在同一平面上，各处的温度相同。设稳态时，样品的 上下平面温度分别为θ1、θ2，则根据热传导基本公式，在时间Δt热量ΔQ为：

Q k

1 2

hB

S t

式中k为样品的导热系数，hB为样品的厚度，S为样品平面的面积，本实验样品呈圆形。设圆盘样品的半

2

径为RB，即S RB，代入上式得：

Q t

k

1 2

hB

RB （1-1）

2

本实验装置如图14-1所示，固定于底座的三足支架上，支撑着一铜散热盘P。散热盘P可借装在底座内的小电扇，达到有效的稳定的散热。在散热盘上安放着面积相同的圆盘形样品B，样品B上置一圆筒形发热体，发热体底盘C的面积也与样品B的平面相同。发热体的热源由电热板提供。当传热达到稳定状态时，θ1和θ2的值不变，这时可以认为发热体底盘C通过样品传递的热流量与散热盘P向周围环境散热的速率相等。因此可通过散热盘P在稳定温度θ2时的散热速率来求出热流量

Q t

。实验时，当读得稳态时

的θ1、θ2后，即可将样品B抽去，让发热体底盘C直接与散热盘P相接触。当散热盘的温度上升到高于稳态时的θ2值十摄氏度左右（即热电偶的示值大于稳态时θ2值0.42mV左右）后，再将发热体移开，记

| 2

mc

t

| 2

录散热盘温度θ随时间t下降情况，求出盘P在θ2的冷却速率 t的质量，c为其比热容）就是散热盘在θ2时的散热速率。因此有：

Q t=

Q

mc

t

，则（m为散热盘P

| 2

（1-2）

但需注意，这里的 t是黄铜盘的全部面积暴露在空气中的冷却速率，其散热表面积为2πRP2+2πRPh（其P中RP 与hP 分别为黄铜盘P的半径与厚度）。然而，在观测样品稳态传热时，P 盘的上面（面积为πRP2）是被样品覆盖着的。考虑到物体的冷却速率与它的表面积正比，则稳态时铜盘散热速率的表达式应修正为：

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（1-3）

将（1-3）式代入（1-1）式得热导率k的表达式为：

（1-4）

.实验内容

1：用游标卡尺多次测量铜盘，样品的直径，厚度，用电子天平测铜盘的质量。

2：在杜瓦瓶中装冰水混合物，按电路图连接电路。（注意：在安放散热盘和发热体时要注意使放热电偶的小孔上下对齐，并与杜瓦瓶等在同一侧。）

3：打开加热器开关，打开风扇，为缩短达到稳态的时间，可先将热板电源电压打在220V档，当几分钟后θ1=4.00mV再将开关拨至110V档。然后每隔2分钟读一下温度，当10min内，样品圆盘上、下表面温度θ1、θ2示值都不变时，即可认为达到稳定状态，记录此时的θ1、θ2值。

4：抽出样品，关闭风扇，让底盘C与散热盘P直接接触，加热P盘，当温度上升十摄氏度左右时（即热电偶示值大于稳态时θ2值0.42mV左右）移去发热体。

5：让P盘自然冷却，每隔30s读一次P盘的温度（读电压表示数）示值，由邻近θ2值的温度数据中

| 2

求出冷却速率 t

。

6：整理实验器材，结束实验。 :注意事项

1．在做稳态法时，要使温度稳定约需1小时左右，为缩短时间，可先将热板电源电压打在220V档，几分钟后θ1=4.00mV即可将开关拨至110V档，同时每隔2分钟记下样品上下圆盘A和P的温度θ1和θ2的数值，待θ2的数值在10分钟内不变即可认为已达到稳定状态，记录此时的θ1、θ2值。

2．圆筒发热体A盘侧面和散热盘P的侧面，都有供安插热电偶的小孔，安放发热盘时此二小孔都应与杜瓦瓶在同一侧，以免路线错乱。热电偶插入小孔时，插到洞孔底部，保证接触良好。热电偶冷端插入浸于冰水中的细玻璃管内，玻璃管内也要灌入适当的硅油。

3．样品圆盘B和散热盘P的几何尺寸，可用游标卡尺多次测量取平均值。散热盘的质量m约1kg，可用电子天平称量。

4．本实验选用铜—康铜热电偶，温差100℃时，温差电动势约4.2mV，故应配用量程0～10mV的数字电

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压表，并能测到0.01mV的电压（也可用灵敏电流计串联一电阻箱来替代）。

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