توصيف النقل الحراري في المواد الصلبة ذات بعد واحد

الهدف العام من الفيديو التالي هو التعريف بتقنية القياس الكهروحراري العابر. وتعد هذه التقنية وسيلة فعالة لقياس الانتشارية الحرارية للمواد الصلبة بدقة. ولبدء عملية القياس، يتم تعليق العينة بين قطبين من النحاس.

يتم وضع عجينة الفضة على منطقة تلامس قطب العينة لتقليل مقاومات التلامس الحرارية والكهربائية إلى مستوى مهمل. بعد ذلك، يتم وضع العينة بأكملها في غرفة مفرغة من الهواء لتقليل انتقال الحرارة إلى الهواء. وأثناء عملية القياس، يتم تمرير تيار متدرج عبر العينة لتحفيز تسخين JUUL.

سيتم تسجيل المخطط الزمني للجهد المستحث بواسطة راسم الإشارات (oscilloscope). ستؤدي الانتشارية الحرارية الأعلى للعينة إلى تطور أسرع في درجة الحرارة، مما يعني وقتاً أقصر للوصول إلى الحالة المستقرة. وبناءً على ذلك، يمكن استخدام هذا التغير العابر في درجة حرارة الجهد لتحديد الانتشارية الحرارية.

يتم إجراء الملاءمة النظرية لارتفاع درجة الحرارة التجريبي المُطبع باستخدام قيم تجريبية مختلفة للانتشار الحراري للعينة. وتُعتبر القيمة التي تحقق أفضل ملاءمة للبيانات التجريبية هي الخاصية الحرارية للعينات. يرجى مراجعة المخطوطة للاطلاع على الخلفية النظرية المفصلة.

تتمتع تقنيات TD بعدة مزايا مقارنة بالتقنيات التي كانت مستخدمة في الماضي. أولاً، فهي توسع نطاق المواد التي يمكننا قياسها؛ حيث بات بمقدورنا الآن قياس المواد الموصلة وغير الموصلة على حد سواء.

ثانياً، فإنه يحسن بشكل كبير من الدقة البيئية والاستقرار. سيقوم طالب الدراسات العليا لدينا، Juan Lin، بعرض الإجراء في هذا العمل. تُستخدم عينات من شعر الرأس البشري تم جمعها من أنثى صحية تبلغ من العمر 30 عاماً لتوضيح كيفية إعداد التجربة ومعالجة البيانات التجريبية.

أولاً، يتم تعليق العينة بين قطبين نحاسيين. بعد ذلك، تُوضع عجينة الفضة عند منطقة تلامس العينة مع القطب لتقليل مقاومات التلامس الحرارية والكهربائية إلى مستوى ضئيل. ثم يُستخدم المجهر لإجراء الفحص الأولي للعينة.

يجب التأكد من أن معجون الفضة لم يلوث العينة المعلقة من خلال التسرب إلى أسفل طول الشعرة. فبمجرد تلوث الشعرة بمعجون الفضة، ستتغير الخصائص الحرارية بشكل جذري. وفي حال ملاحظة أي تلوث، يجب تحضير عينة جديدة للتجربة.

بما أن عينات شعر الرأس البشري ليست موصلة للكهرباء، يتم طلاء طبقة رقيقة جداً من غشاء الذهب بسمك حوالي 40 nanometers على السطح الخارجي للعينة لجعلها موصلة كهربائياً. وسيتم طرح تأثير الذهب هذا على الانتشار الحراري من النتيجة النهائية. وعند معالجة البيانات التجريبية، يتم الآن وضع العينة في غرفة التفريغ وضخ الهواء منها لتصل إلى 1-3 milour، مما يؤدي إلى آثار توصيل غازية مهملة.

يتم بعد ذلك تمرير تيار مستمر (DC) متدرج عبر العينة لإحداث تسخين كهربائي. وسيقوم راسم الإشارات (oscilloscope) بتسجيل المخطط الزمني للجهد المستحث. وفي الختام.

سيتم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح لتوصيف طول وعرض العينات. ويتم إجراء الملاءمة النظرية لارتفاع درجة الحرارة التجريبي المعياري باستخدام قيم تجريبية مختلفة للانتشار الحراري للعينة. وتُعتبر القيمة التي تعطي أفضل ملاءمة للبيانات التجريبية هي الخاصية الحرارية لعينات شعر الرأس البشري.

تم طلاء عينتين بطبقة من الذهب مرتين واختبارهما مرتين على التوالي. لدينا أربع قيم للانتشار الحراري الفعال، ومن المعادلة 12 في المخطوطة، نعلم أن طلاء العينة بطبقة من الذهب سيغير المقاومة فقط.

النقطة التي يتقاطع فيها منحنى الملاءمة مع محور الانتشارية الحرارية هي قيمة الانتشارية الحرارية الفعالة عندما تكون المقاومة لانهائية، وهو ما يعني عدم وجود تأثير الذهب. ومن خلال الجمع بين هاتين النقطتين، يمكن الكشف عن العلاقة بين الانتشارية الحرارية الحقيقية، بما في ذلك تأثير الإشعاع، و L² over D. نقوم بإجراء استقراء خطي للنقطة التي تكون فيها L تساوي صفر، وهو ما يعني عدم وجود تأثير إشعاعي، وتكون الانتشارية الحرارية عند تلك النقطة 1.42 × 10⁻⁷ m²/s.

تعكس هذه القيمة الانتشارية الحرارية للعينة دون تأثير الإشعاع تحت تأثير طلاء الذهب. وبالنسبة للموصلية الحرارية الفعلية، يمكن تقديرها بسهولة باستخدام هذه المعادلة إذا كانت الكثافة والحرارة النوعية معلومتين. وتعد تقنية TD نهجاً فعالاً وقوياً لقياس الخصائص الفيزيائية للمواد، وذلك من خلال استخدام طولين مختلفين لنفس المادة.

أخيراً، يمكننا قياس مجموع الموصلية، وبعض الانتشارية. وكذلك فاعلية السطح إذا كانت كثافة المادة وحرارتها النوعية معلومتين.