不良导体导热系数的测定

学生实验报告

成绩：指导教师：

班别：实验时间： 20##-10-26

实验人：学号：同组实验人：

第二篇：实验6 FD-TC-B导热系数测定仪

F D—T C—B导热系数测定仪说明书

一、概述

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对导热系数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常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；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个稳定的温度分布，然后进行测量。在动态法中，待测样品温度分布是随时间变化的。

本实验仪是用稳态法测不良导体导热系数的实验仪器，FD—TC—B型是FD—TC—I I型改进型，加热盘原手工操作改为单片机自适应控制测温传感器，读数显示为摄氏度，精度是0.1℃，散热盘测温传感器由另一单片机控制，读数精度也为0.1℃。该仪器结构牢固、测控方便，已广泛应用于大专院校普通物理热学实验。

二、用途

(1)测量不良导体的导热系数，本仪器附有橡皮样品供教学测试用。

(2)学习用物体散热速率求热传导速率的实验方法。

(3)学习温度传感器的应用方法。

三、仪器组成与技术指标

1．仪器组成(如图1所示)

(1)热源：电热管、加热铜板；

(2)样品架：样品支架、样品板；

(3)测温部分：单片电脑测温及控制仪。

(4)橡皮样品、导热硅脂(配件)

2．技术指标

A、温控仪与测温仪

（1）温度计显示工作温度：0℃一100℃

（2）恒温控制温度：室温一80℃。

(3)控制恒温显示分辨率：O．1℃

B、温度传感器DS18B20的结构与技术特性

(控温及测量用)．

(1)温度测量范围：－55℃～＋125℃

(2)测温分辨率：0.0625℃

(3)引脚排列、(如图2所示)：

图2

(4)封装形式：TO一9 2

详细应用软硬件请参阅相关资料

C．不良导体导热系数测量

不确定度： ≤l O％

四、安装步骤

(1)取下固定螺丝，将样品放在加热盘与散热盘中间，然后固定；调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，不宜过紧或过松；

(2)插好加热板的电源插头；再将2根连接线的一端与机壳相连，另一端的传感器分别插在加热盘和散热盘的小孔中(注意：要一一对应，不可互换) ；

（3）开启电源后，左边表头显示从FDHC→当时温度→b= = · = 其含义是告知用户，请设定控制温度。右边表头显示散热盘的测量温度。

五、实验方法

(1)设定加热器控制温度：按升温键左边表显示由B00.0可上升到B80.0摄氏度。一般设定7 5—8 0℃较为适宜。根据室温选择后，再按确定键，显示变为AX X．X之值，即表示加热盘此刻的温度值，加热指示灯闪亮，打开电扇开关，仪器开始加热。

(2)加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度，可以每隔一分钟，记录一次，待在1 0分钟内加热盘和散热盘的温度都基本保持不变，可以认为已经达到稳定状态了。

(3)按复位键停止加热，，取走样品，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好，再设定温度到8 O℃加快加热C盘的温度上升(按升温键和确定键)使散热盘在原温度上升2 0℃左右即可以了。

(4)移去加热盘，让散热盘在风扇作用下冷却，每隔1 O秒(或者稍长时间，如2 0秒或者3 0秒)记录该盘的温度。作散热曲线，计算散热盘的冷却速率。

当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度θ1和θ2不变，这时可以认为加热盘C通过样品传递的热流量与散热盘P向周围环境的散热量相等。因此可以通过散热盘P在稳定温度θ2时的散热速率来求出热流量△Q/△t。

在达到稳态的过程中，P盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘P的散热速率表达式应作面积修正：

（7）

其中为散热盘P的半径，为其厚度。

由(3)式和(7)式可得：（其中为样品盘B的半径，为其厚度）

（8）

所以样品的导热系数为：

（9）

六、注意事项

(1)该测定仪用单片电脑控制，最高控制温度为80℃，读数误差为0.1℃。电加热时加热指示灯闪亮，随着与设定值的接近，闪亮变慢，超过设定温度1℃即自动关加热电源，低于设定温度自动开启。

(2)加热盘和散热盘侧面两个小孔安装数字式温度传感器，不可插错。近电源开关的接插件为加热传感器，应插入加热盘的小孔内，另一个传感器插入散热盘的小孔，特别注意插小孔之前涂上少许导热硅脂或者硅油，使其接触良好。

(3)使用前将加热盘与散热盘及样品的表面擦干净，可以涂上少量硅油或者导热硅脂，以保证接触良好。在固定安装加热盘、散热盘和样品时三个调节螺丝不宜过紧过松，用力要均匀(手感一致)。

(4)在实验过程中，需移开加热盘时，请先关闭加热电源，移开热圆筒时，手应握固定轴转动，以免烫伤手；实验结束后，切断总电源，保管好测量样品，不要使样品两端面划伤，以至影响实验的精度。

稳态法测量不良导体的导热系数

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的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。

测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。

本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。

实验原理

1898年C．H．Le e s．首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。

设稳态时，样品的上下平面温度分别为，根据傅立叶传导方程，在时间内通过样品的热量满足下式：

（1）式中为样品的导热系数，为样品的厚度，S为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状。设圆盘样品的直径为，则由（1)式得：

（2）

实验装置如图1所示、固定于底座的三个支架上，支撑着一个铜散热盘P，散热盘P可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品B，样品B上放置一个圆盘状加热盘C，其面积也与样品B的面积相同，加热盘C是由单片机控制的自适应电加热，可以设定加热盘的温度。

当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度和不变，这时可以认为加热盘C通过样品传递的热流量与散热盘P向周围环境散热量相等，因此可以通过散热盘P在稳定温度时的散热速率来求出热流量。

实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度和后，将样品B抽去，让加热盘C与散热盘P接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的值20℃或者20℃以上后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度随时间t的下降情况，求出散热盘在时的冷却速率，则散热盘P在时的散热速率为：

（3）其中m为散热盘P的质量，c为其比热容。

在达到稳态的过程中，P盘的上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比，为此，稳态时铜盘P的散热速率的表达式应作面积修正：

（4）

其中为散热盘P的半径，为其厚度。由(2)式和(4)式可得：

（5）

所以样品的导热系数为：

（6）

实验仪器

FD－TC－B型导热系数测定仪装置如图1．所示，它由电加热器、铜加热盘C、橡皮样品圆盘B、铜散热盘P、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。

实验内容

(1)取下固定螺丝，将橡皮样品放在加热盘与散热盘中间，橡皮样品要求与加热盘散热盘完全对准；要求上下绝热薄板对准加热和散热盘。调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松：

(2)按照图1所示，插好加热盘的电源插头；再将2根连接线的一端与机壳相连，另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中，要求传感器完全插入小孔中，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好。在安放加热盘和散热盘时，还应注意使放置传感器的孔上下对齐 (注意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换)

(3)接上导热系数测定仪的电源，开启电源后，左边表头首先显示从FDHC，然后显示当时温度，当转换至b= = ·=时，用户可以设定控制温度。设置完成按“确定”键，加热盘即开始加热。右边显示散热盘的当时温度。

(4)加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度，可每隔一分钟记录一次，待在1 0分钟或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变，可以认为已经达到稳定状态了。

(5)按复位键停止加热，取走样品，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好，再设定温度到80℃，加快散热盘的温度上升，使散热盘温度上升到高于稳态时的值20℃左右即可。

（6)移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔1 0秒(或者3 0秒)记录一次散热盘的温度示值，由临近值的温度数据中计算冷却速率。也可以根据记录数据做冷却曲线，用镜尺法作曲线在点的切线，根据切线斜率计算冷却速率。