实验教材整合 - 图文(6)

实验四、导热系数的测定

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。是来源于C.H.Lees在1898年首先使用的平板法测量不良导体的导热系数。在动态法中，待测样品温度分布是随时间变化的。本实验是用稳态法测量。

预习要点

1、导热系数、传热速率、散热速率的定义。

2、传热速率和散热速率相等的条件是什么？本实验满足吗？

一、 实验目的

用稳态法测出不良导热体的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。

二、实验原理

傅里叶导热方程指出，在物体内部，取两个垂直于热传导方向，彼此相距为h，温度分别为T1和T2

的平行面（设T1>T2），如果平面的面积均为S，在δt时间内通过面积S的热量?Q满足下述表达式：

T?T?Q???S?12 （1） ?th式中δQ/δt为热流量，?即为物质的导热系数。?在数值上等于相距单位长度的两平面，温度差为1个

单位时，在单位时间内通过单位面积的热量，故导热系数的单位为W/(m.K)，过去常用的非SI制单位是卡每秒厘米开（尔文）：Cal/(S.cm.K)，它与SI单位的换算关系是：1Cal/(S.cm.K)=418W/(m.K)。

如图1所示，A为发热盘，B为样品，P为散热盘。当传热达到稳态时，样品上下表面的温度T1和T2的值将保持不变，这时可以认为发热盘A通过圆盘样品B上平面传入的热量与由散热盘P向周围环境散热的速率相等。由式（1）可知：通过B盘的传热速率为：

?Q2T?T???π?RB?12 （2） ?thBP

其中，RB为圆盘样品半径，hB为样品的厚度。

P盘在温度为T2时的散热速率为：

图1

?Q?T?C?m??t?t （3）

T?T2式中，m为P盘的质量，C为其比热容，以得到：

?T?t为P盘在温度为T2时的冷却速率。由（2）（3）两式可

T?T2??π?RB2所以有：

T1?T2?T?C?m?hB?t （4）

T?T2??T ??Cm???t?

?hB1??? （5） 2?T?Tπ?RT?T2?12B26

只要测出散热盘P的质量，样品的厚度、半径以及温度变化，就可以求出样品的导热系数。

但在达到稳态的过程中，即测传热速率时，P盘的上表面并未暴露在空气中（如图2），而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：

??T?Q?Cm???t?t?所以，样品的导热系数为

2?(πRP?2πRPhP)??2?T?T2?(2πRP?2πRPhP)

??Cm???T??t??(RP?2hP)4hB1?? （6） 2?T?T2?(2RP?2hP)T1?T2π?dB式中RP为散热盘P的半径，hP为其厚度。

另外，材料的结构变化与杂质多寡对导热系数都有明显的影响。同时，导热系数一般随温度而变化，所以不同的材料成份、不同的温度下的导热系数是不同的。

A 二、实验仪器

FD－TC－B导热系数测定仪

四、实验内容 1、注意事项

主体部分：热源：电热管（铜加热盘A）、铜散热盘P、样品支架、

样品B、温控仪与测温仪

（1）为了准确测定加热盘和散热盘的温度，实

图2 FD－TC－B导热系数测定仪装置图 验中应该在两个传感器上涂些导热硅脂或者硅

油，以使传感器和加热盘、散热盘充分接触；另

外，加热橡皮样品的时候，为达到稳定的传热，调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘紧密接触，注意也不要将螺丝旋太紧，以影响橡皮样品的厚度。

（2）导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用，减小样品侧面与底面的放热比，增加样品内部的温度梯度，从而减小实验误差，所以整个实验过程中，风扇一定要打开。 2、实验步骤

（1）用游标卡尺分别测出散热盘P和橡皮样品B的直径和厚度（3～5次，求平均值）

（2）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；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，注意：螺丝不宜过紧或过松（手感一致，盘间无空气缝隙）；

（3）按照图1 所示，插好加热盘的电源插头；两条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（本实验室已插好，注意别拔出来；加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换），并在传感器上抹一些硅油或导热硅脂（实验室已抹好），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小孔上下对齐。

（4）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＝＝2＝，可以设定控制温度至所需值（约高出室温15℃左右）。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。打开风扇。

（5）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10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。记录稳态温度T2。

（6）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T2值约10℃左右即可。

（7）移去加热盘，让散热盘在风扇作用下冷却，每隔30秒记录一次散热盘的温度示值，至低于散热盘的

稳态温度T2 约5个数据为止。 3、数据处理

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（1）由临近T2值的温度数据中计算冷却速率?T?t。也可以根据记录数据作冷却曲线，作曲线在T2点的

T?T2切线，根据切线斜率计算冷却速率。（可对比两种方法的结果）

（9）根据测量得到的稳态时的温度值T1和T2，以及在温度T2时的冷却速率，由公式（6）计算不良导体

样品的导热系数及百分误差。

附： 1、散热盘质量：m=0.9kg

2、紫铜C＝385J/kg·K

3、橡皮样品在20℃时的导热系数为0.13～0.23W/(m2K)

五、思考题

1、实验中如何实现A盘、样品B和P盘间的传热达到稳态？ 2、风扇的作用是什么？

3、求导热系数时，为什么要将（5）修正为（6）？

4、根据你的测量，数据处理（1）中算冷却速率的两种方法，哪种误差小？

5、应用稳态法是否可以测量良导体的导热系数？如可以，对实验样品有什么要求？实验方

法与测不良导体有什么区别？

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实验五、铁磁材料的磁滞回线和基本磁化曲线的测量

在各类磁介质中，应用最广泛的是铁磁物质。在20世纪初期，铁磁材料主要用在电机制造业和通讯器件中，如发电机、变压器和电表磁头，而自20世纪50年代以来，随着电子计算机和信息科学的发展，应用铁磁材料进行信息的存储和纪录，例如现以成为家喻户晓的磁带、磁盘，不仅可存储数字信息，也可以存储随时间变化的信息；不仅可用作计算机的存储器，而且可用于录音和录像，已发展成为引人注目的系列新技术，预计新的应用还将不断得到发展。而磁滞回线和基本磁化曲线反映了铁磁材料磁特性的主要特征。因此，对铁磁材料性能的研究，无论在理论上或实用上都有很重要的意义。

预习要点

1、 什么是磁滞现象、基本磁化曲线和磁滞回线?

2、 什么是矫顽力、剩磁感应强度、最大磁感应强度及磁滞损耗？ 3、旋哪个旋钮可改变磁场强度H和磁感应强度B？ 4、如何判断铁磁材料的两种材料类型？

一、实验目的

1．了解铁磁质在磁场中磁化的原理及其磁化规律；

2．测定矫顽力，剩磁感应强度，最大磁感应强度及磁滞损耗等参数； 3．观测样品的磁滞回线，绘出基本磁化曲线和μ-H曲线。

三、实验原理

磁场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态，称为磁滞现象。若用交流电对铁磁材料进行磁化，铁磁质中的磁感应强度B与磁场强度H（H与B类似，也是描述磁场的物理量）不是同步变化，磁感应强度B总是落后于磁场强度H。其B-H曲线是一闭合曲线，称为磁滞回线。如图1中闭合曲线SRDS?R?D?S。 本实验通过对铁磁样品的磁化，观测磁滞回线，测出矫顽力和磁滞损耗等参数，并以此来判断样品的材料类型。

1．铁磁材料的磁滞特性

当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器中的铁心），磁场强度H从零开始增加时，磁感应强度B随之从零缓慢上升，如曲线oa所示，继之B随H迅速增长，如曲线ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至HS时，B达到饱和值BS，这个过程的oabS曲线称为起始磁化曲线。

图1铁磁物质B与H的关系曲线 图2 铁磁材料的基本磁化曲线

如果在达到饱和状态之后使磁场强度H减小，这时磁感应强度B的值也要减小。图1表明，当磁场从HS逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“0”点，而是沿另一条新的曲线SR下降。比较线段OS和SR可知，H减小B相应也减小，但B的变化滞后于H的变化，这种现象称为磁滞。即当H＝0时，磁感应强度B值并不等于0，而是保留一定大小的剩磁Br。 图 3 铁磁材料μ与H并系曲线 图 4 不同铁磁材料的磁滞回线

当磁场反向从0逐渐变至－HD时，

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磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，可以施加反向磁场。即当反向磁场强度等于某一定值HD时，磁感应强度B值才等于0，HD称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力。 当初始状态为H＝B＝0的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图2所示，这些磁滞回线顶点的连线称为铁磁材料的基本磁化曲线。基本磁化曲线上点与原点连线的斜率称为磁导率(单位是亨利/米，H/m)，由此可近似确定铁磁材料的磁导率μ＝B/H，它表示材料磁化性能强弱。

从磁化曲线上可以看出，因B与H非线性，铁磁材料的磁导率μ不是常数，而是随H而变化，如图3所示。当铁磁材料处于磁饱和状态时，磁导率减小较快。曲线起始点对应的磁导率称为初始磁导率，磁导率的最大值称为最大磁导率，这两者反映μ-H曲线的特点。

当铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时将会发热，要消耗额外的能量，因为反复磁化时磁体内分子的状态不断改变，所以分子振动加剧，温度升高。使分子振动加剧的能量是产生磁场的交流电源供给的，并以热的形式从铁磁材料中释放，这种在反复磁化过程中能量的损耗称为磁滞损耗，理论和实践证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。

由于铁磁材料磁化过程的不可逆性及具有剩磁的特点，在测定磁化曲线和磁滞回线时，首先须将铁磁材料预先退磁，以保证外加磁场H?0时，B?0。理论上，要消除剩磁Br，只需改变磁化电流方向，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽力即可。实际上，矫顽力的大小通常并不知道，因而无法确定退磁电流的大小。我们从磁滞回线得到启示，如果使铁磁材料磁化达到磁饱和，然后不断改变磁化电流的方向，与此同时逐渐减小磁化电流，直至为零。则该材料的磁化过程就是一连串逐渐缩小而最终趋于原点的环状曲线，如图（5）所示. 图5 退磁示意图

各种不同铁磁材料有不同的磁滞回线，主要是磁滞回线的宽、窄不同和矫顽力

大小不同。铁磁材料的两种典型的磁滞回线如图4所示，其中软磁材料的磁滞回线狭长、矫顽力小、剩磁和磁滞损耗均较小，磁滞特性不显著，可以近似地用它的起始磁化曲线来表示其磁化特性，这种材料容易磁化，也容易退磁，是制造变压器、继电器、电机、交流磁铁和各种高频电磁元件的主要材料。而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，磁滞回线所包围的面积肥大，磁滞特性显著，因此硬磁材料经磁化后仍能保留很强的剩磁，并且这种剩磁不易消除，可用来制造永磁体。

2．实验电路

本实验用变压器代替圆形螺绕环，如图6所示，励磁电流I1的取样电阻R1由十只0.5Ω的电阻串联而成，阻值可用开关K2选取。励磁线圈的电源电压U1分十一档。

由安培环路定理、欧姆定律和法拉第电磁感应定律可推知，对一定的变压器、电容C2和电阻R1、R2，磁

场强度H由U1确定，磁感应强度B由U2确定。因此，旋转旋钮K2,即改变U1 、U2，H和B亦随着改变。（推导见附录）

图6 实验电路

三、实验仪器

TH-MHC型磁滞回线实验仪，示波器，TH-MHC型智能磁滞回线测试仪。

分别将U1和U2接示波器的“X轴”和“Y轴”，即可

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图7测试仪面板图

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