Caratterizzazione dei Trasporti termali in materiali solidi monodimensionali

L'obiettivo generale del seguente video è presentare la tecnica elettrotermica transitoria. Questa tecnica rappresenta un metodo efficace per misurare con precisione la diffusività termica dei materiali solidi. Per iniziare la misurazione, il campione viene sospeso tra due elettrodi di rame.

Una pasta di argento viene applicata sull'area di contatto dell'elettrodo del campione per ridurre le resistenze termiche ed elettriche di contatto a un livello trascurabile. L'intero campione viene quindi alloggiato in una camera a vuoto per ridurre il trasferimento di calore con l'aria. Durante la misurazione, una corrente a gradino viene inviata attraverso il campione per indurre il riscaldamento JUUL.

Il profilo temporale della tensione indotta verrà registrato dall'oscilloscopio. Una maggiore diffusività termica del campione determinerà un'evoluzione più rapida della temperatura, ovvero un tempo più breve per raggiungere lo stato stazionario. Pertanto, questa variazione transitoria della tensione in funzione della temperatura può essere utilizzata per determinare la diffusività termica.

L'adattamento teorico dell'aumento di temperatura normalizzato sperimentale viene effettuato utilizzando diversi valori sperimentali della diffusività termica del campione. Il valore che fornisce il miglior adattamento ai dati sperimentali viene assunto come proprietà termica dei campioni. Si prega di consultare il manoscritto per il dettagliato fondamento teorico.

Le tecniche TD presentano diversi vantaggi rispetto a quelle utilizzate in passato. In primo luogo, ampliano l'ambito dei materiali misurabili. Ora è possibile misurare sia materiali conduttivi che non conduttivi.

In secondo luogo, migliora significativamente l'accuratezza ambientale e la stabilità. Il nostro studente laureando, Juan Lin, mostrerà la procedura in questo lavoro. Vengono utilizzati campioni di capelli umani prelevati da una donna sana di 30 anni per illustrare come impostare l'esperimento ed elaborare i dati sperimentali.

Per prima cosa, sospendere il campione tra due elettrodi di rame. Successivamente, applicare una pasta di argento nell'area di contatto tra il campione e l'elettrodo per ridurre le resistenze di contatto termico ed elettrico a un livello trascurabile. In seguito, utilizzare il microscopio per effettuare un controllo preliminare del campione.

Dobbiamo assicurarci che la pasta di argento non abbia contaminato il campione sospeso penetrando ulteriormente lungo la lunghezza del capello. Una volta che il capello è contaminato con la pasta di argento, le proprietà termiche cambieranno drasticamente. Se si notano contaminazioni, è necessario preparare un nuovo campione per l'esperimento.

Poiché i campioni di capelli umani non sono elettricamente conduttivi, viene depositato all'esterno del campione uno strato molto sottile di film d'oro di circa 40 nanometri per renderlo conduttivo. Questo effetto dell'oro sulla diffusività termica verrà sottratto dal risultato finale. Durante l'elaborazione dei dati sperimentali, posizionare ora il campione nella camera a vuoto e pompare fino a una pressione compresa tra uno e tre millibar, ottenendo effetti trascurabili di conduzione gassosa.

Una corrente continua in gradino viene quindi inviata attraverso il campione per introdurre un riscaldamento elettrico. Il profilo temporale della tensione indotta verrà registrato dall'oscilloscopio. Infine.

Un microscopio elettronico a scansione verrà utilizzato per caratterizzare la lunghezza e il diametro dei campioni. L'adattamento teorico dell'aumento di temperatura sperimentale normalizzato viene effettuato utilizzando diversi valori sperimentali della diffusività termica del campione. Il valore che fornisce il miglior adattamento dei dati sperimentali viene assunto come proprietà termica dei campioni di capello umano.

Due campioni vengono rivestiti due volte con un film d'oro e testati rispettivamente due volte. Abbiamo quattro valori efficaci di diffusività termica e, dall'equazione 12 del manoscritto, sappiamo che rivestire il campione con un film d'oro modificherà soltanto la resistenza.

Il punto in cui la curva di interpolazione interseca l'asse della diffusività termica rappresenta il valore della diffusività termica efficace quando la resistenza è infinita, ovvero quando non vi è alcun effetto dell'oro. Combinando questi due punti, è possibile evidenziare la relazione tra la vera diffusività termica, compreso l'effetto della radiazione, e L quadro su D. Si esegue un'estrapolazione lineare fino al punto in cui L è uguale a zero, il che significa assenza di effetto radiativo, e la diffusività termica in tale punto è pari a 1,42 × 10⁻⁷ m²/s.

Questo valore riflette la diffusività termica del campione senza l'effetto della radiazione e dell'influenza del rivestimento in oro. La conducibilità termica reale può essere facilmente calcolata mediante questa equazione se sono noti la densità e il calore specifico. La tecnica TD è un approccio molto efficace e robusto per misurare le proprietà fisiche complessive dei materiali, ora applicabile allo stesso materiale utilizzando due lunghezze diverse.

Infine, possiamo misurare la connettività totale, una certa diffusività e l'efficienza superficiale, se sono fornite la densità e il calore specifico del materiale.