测量金属导线热导率的新方法

2011-01-24林良羽

物理通报 2011年1期

关键词：铜线热导率电学

林良羽

(浙江海洋学院海洋科学学院浙江舟山 316000)

竺哲欣

(浙江理工大学材料科学与工程系浙江杭州 310018)

竺江峰

(浙江海洋学院物理实验教学中心浙江舟山 316000)

引言

目前，各高校测量物体热导率时，普遍使用稳态法与动态法；两种方法适用范围广(适用于气体、固体甚至液体).但实验必须使用配套仪器，并且所用时间长，往往测一组数据要花几个小时；更重要的是两种方法要求被测物体具有与实验仪器相匹配的标准形状，对一些不规则物体(例如金属导线)，则鞭长莫及[1，4～6].而笔者采用的电学法可弥补了传统实验方法的不足．

1 材料原理与方法

1.1 实验器材

直流稳压电源，ZX21型电阻箱5个，滑动变阻器，电流计，铜线(漆包线)，导线，开关，米尺，螺旋测微器，温度计，冰块，水箱.

1.2 实验原理

(1)用自组双臂电桥测低值电阻(铜线电阻)[3]

电路如图1.

图1

(1)

时，r大小可忽略，且有

(2)

(3)

其中Rx即为所测铜导线的电阻.

(2)粗细均匀的导体电导率的计算

对于粗细均匀的导体，当导体的材料与温度一定时，导体电阻R与它的长度l成正比与它的横截面积S成反比，即满足公式[2]

(4)

式中比例系数ρ即电阻率，单位为Ω·m.

若导体为圆柱体，d为导体直径，则横截面积

ρ可表示为

(5)

电阻率倒数

(6)

即电导率，单位为Ω-1·m-1．

(3)维德曼-夫兰兹定理[7]

一定温度下金属的热导率λ和电导率σ的比值是一个常量，即

(7)

式中,T为热力学温度，k是玻尔兹曼常量，e是电子电荷.故有

联立式(5)、(6)、(7)可得

(8)

1.3 实验方法

用米尺测量铜线长度，用螺旋测微器测出铜线直径d．

按图1连接电路(电源断开).把铜导线(Rx)置于冰水混合物中，去掉导线两端绝缘漆，将去绝缘漆部分露出水面并保持干燥．

实验完成后，处理数据.算出铜线的热导率，并求出实验相对误差．

2 数据处理

2.1 数据记录

温度T=273.15 K时，铜的热导率λ0=401.0 W·m-1·K-1[8]

铜线长度l=(2.150±0.000 5) m

铜线直径d=(0.490±0.005)×10-3m

表1 273.15 K下铜导线电阻测量值

2.2 数据处理

(1)铜线电阻Rx平均值

Rx5+Rx6+Rx7+Rx8+Rx9)=

0.185+0.186+0.187+0.177+

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0.183) Ω=0.183 Ω