不良导体导热系数的测定实验报告.doc

非金属固体材料导热系数的测量 2004/04 图1、热线法测定非金属固体材料导热系数的原理示意图 试样 热线 用热线法测量不良导体导热系数是一种广泛使用的方法，国家对此制定了标准——“非金属固体材料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297-1998）。基本原理如图1所示，在匀质均温的物体内部放置一电阻丝，即热线，对其以恒定功率加热时，热线及其附近试样的温度将随时间变化。根据时间与温度的变化关系，可以确定该试样的导热系数。[1] [原理简述] 由热传导理论[2]可知，恒定功率的热线对匀质物体进行热传导时，可以用一维柱坐标系的热传导方程对物体的温度场进行描述： （1） 边界条件为： (t=0，r≥0)，(t0，r=?)，(t0，r=0)[3] （2） 根据热传导方程和边界条件得到解为： （3） 其中各物理量含义为，t：热线的加热时间，单位为s；r：距热线的距离，单位为m；q：热线单位长度的加热功率，单位为W/m；：加热时间t，距离热线距离r处的温升，单位为K；α：试样的热扩散率，单位为m2/s；λ：试样的导热系数，单位为W/（m·K），对于非金属固体材料，该系数一般小于2 W/（m·K）。 假设→0，即r→0或αt→∞，利用Euler公式，忽略展开后二次项以后的各项。如果在不同时间t1、t2，测的同一点r处的温升为、，则： （4） 根据（4）可以得到试样的导热系数 [4] （5） （5）式中，I、U分别热线的通电电流（单位为A）和电压（单位为V），L为有效加热长度（单位为m）。因此，当等时间间隔测量试样的温升时，ln(t2/t1)和呈线性关系，据此计算试样的导热系数。 [实验设计] 实验装置如图2所示。试样为环氧树脂，有效长度220mm，直径28mm。加热丝为钨杆，直径1mm，RWu=0.01650Ω，加热电流3~5A。温度测量利用电阻——温度系数（αR=0.00393℃-1）线性比较好的铜丝进行，关系式为： 100Ω/0.1%/0.1A V 0.01Ω/0.1%/10A V 1.2mA 5A 双向开关 双向开关 图2、实验装置图 RCu=R0(1+αR t) （6） R0为0℃时的电阻值。铜丝直径0.21mm，为保证基本不产生热效应，宜选择小工作电流（2mA），当试样温度变化时，铜丝电压也随之变化。增加铜丝绕制匝数或减小直径，可以获得较大变化的电压值。 [实验步骤] 由于热丝加热和铜丝电阻测量均采用恒流供电，因此要确定工作电流大小。特别注意：调节电流时，恒流源不能开路调节（否则Pout??，电源会烧毁）。 将加热丝和采样小电阻串入大电流恒流源，120mV电压表检测大恒流源输出和加热丝工作状态（实验要求加热功率变化小于±1%）。将测温铜电阻和采样大电阻串入小电流电路，120mV电压表检测小恒流源输出和铜丝电阻变化。 确定各连线没有问题后，先接通测温电路，再接通加热电路，稳定10分钟左右后开始记录数据，时间间隔自定，电流稳定性观测间隔约5~10分钟，铜丝电阻测量一般取2~5分钟记录一点，工作过程1~1.5小时。尽可能保持环境稳定。 [数据处理] 1．数据记录 初始温度t=___℃；单位时间间隔的加热电流、电压，铜丝电流、电压；结束温度t=___℃ 2．实验报告要求： 记录实验仪器规格。 根据初始时环境温度，铜丝的电阻——温度系数、电流和电压值确定的铜丝的R0。 写出求解环氧树脂导热系数的过程（包括公式推导、数据代入过程等），可以用坐标纸或计算机处理数据。 分析加热功率是否满足波动小于±1%。 分析改变实验条件，如加热电流、测温电流等，对实验数据的影响。 总结实验的特点及可能产生误差的原因，解决设想。 你是否愿意将此实验该为计算机采集？请与老师联系E-mail: gpl@mail.tsinghua.edu.cn 参考文献 国家质量技术监督局，“非金属固体材料导热系数的测定——热线法”（GB/T 10297—1998）。 奥齐西克编著，俞昌铭译，《热传导》，高等教育出版社，1983。 朱鹤年编著，《物理实验研究》，清华大学出版社，1994。 杨述武主编，《普通物理实验（四、综合及设计部分）》，高等教育出版社，2000。