Charakterystyka transportu cieplnego w jednowymiarowych materiałach stałych

Ogólnym celem poniższego filmu jest przedstawienie przejściowej techniki elektrotermicznej. Metoda ta stanowi skuteczny sposób dokładnego pomiaru dyfuzyjności cieplnej materiałów stałych. Aby rozpocząć pomiar, próbkę zawiesza się pomiędzy dwiema miedzianymi elektrodami.

Pastę srebrową nakłada się na obszar kontaktu elektrody z próbką, aby zredukować termiczną i elektryczną rezystancję stykową do pomijalnego poziomu. Następnie całą próbkę umieszcza się w komorze próżniowej, aby ograniczyć przekazywanie ciepła do powietrza. Podczas pomiaru przez próbkę przepuszczany jest prąd skokowy w celu wywołania grzania Joule'a.

Profil czasowy indukowanego napięcia zostanie zarejestrowany przez oscyloskop. Wyższa dyfuzyjność cieplna próbki spowoduje szybszą ewolucję temperatury, co oznacza krótszy czas osiągnięcia stanu stacjonarnego. W związku z tym ta przejściowa zmiana temperatury napięcia może zostać wykorzystana do wyznaczenia dyfuzyjności cieplnej.

Teoretyczne dopasowanie znormalizowanego eksperymentalnego wzrostu temperatury przeprowadza się przy użyciu różnych wartości próbnych dyfuzyjności cieplnej próbki. Wartość zapewniająca najlepsze dopasowanie do danych eksperymentalnych przyjmuje się za właściwość termiczną próbek. Szczegółowe podstawy teoretyczne znajdują się w tekście rękopisu.

Techniki TD posiadają kilka zalet w porównaniu do metod stosowanych w przeszłości. Po pierwsze, rozszerzają one zakres materiałów, które możemy badać. Obecnie możliwe jest pomiar materiałów zarówno przewodzących, jak i nieprzewodzących.

Po drugie, znacznie poprawia to dokładność środowiskową oraz stabilność. Nasz student studiów magisterskich, Juan Lin, zaprezentuje procedurę w niniejszej pracy. Próbki ludzkich włosów z głowy, pobrane od zdrowej 30-letniej kobiety, posłużą do pokazania sposobu przygotowania eksperymentu oraz przetwarzania danych doświadczalnych.

W pierwszej kolejności należy zawiesić próbkę pomiędzy dwiema miedzianymi elektrodami. Następnie w miejscu styku próbki z elektrodą nanosi się pastę srebrową, aby zredukować termiczną i elektryczną rezystancję styku do poziomu pomijalnego. W kolejnym kroku za pomocą mikroskopu przeprowadza się wstępną kontrolę próbki.

Należy upewnić się, że pasta srebrowa nie zanieczyściła zawieszonej próbki poprzez przesiąkanie w głąb włosa. W przypadku zanieczyszczenia włosa pastą srebrową, jego właściwości termiczne ulegną drastycznej zmianie. Jeśli zauważone zostaną jakiekolwiek zanieczyszczenia, do eksperymentu należy przygotować nową próbkę.

Ponieważ próbki ludzkich włosów z głowy nie przewodzą prądu elektrycznego, na ich zewnętrzną powierzchnię nanosi się bardzo cienką warstwę złota o grubości około 40 nanometrów, aby uczynić je przewodzącymi. Wpływ złota na rozsyłalność cieplną zostanie odjęty od końcowego wyniku. Podczas przetwarzania danych eksperymentalnych należy umieścić próbkę w komorze próżniowej i odessać powietrze do poziomu od one to three milour, aby uzyskać pomijalne efekty przewodzenia gazowego.

Następnie przez próbkę przepuszczany jest skokowy prąd stały w celu wprowadzenia ogrzewania elektrycznego. Profil czasowy indukowanego napięcia zostanie zarejestrowany przez oscyloskop. Na koniec.

Do charakterystyki długości i średnicy próbek zostanie wykorzystany skaningowy mikroskop elektronowy. Dopasowanie teoretyczne znormalizowanego eksperymentalnego wzrostu temperatury przeprowadza się przy użyciu różnych wartości próbnych dyfuzyjności termicznej próbki. Wartość zapewniająca najlepsze dopasowanie do danych eksperymentalnych przyjmuje się jako właściwość termiczną próbek ludzkich włosów z głowy.

Dwie próbki zostały pokryte warstwą złota dwukrotnie i odpowiednio dwukrotnie przetestowane. Otrzymaliśmy cztery efektywne wartości dyfuzyjności cieplnej i z równania 12 w manuskrypcie wiemy, że pokrycie próbki warstwą złota zmieni jedynie rezystancję.

Punkt, w którym krzywa dopasowania przecina oś dyfuzyjności termicznej, stanowi wartość efektywnej dyfuzyjności termicznej przy nieskończonym oporze, co oznacza brak efektu złota. Po połączeniu tych dwóch punktów można określić zależność między rzeczywistą dyfuzyjnością termiczną, uwzględniającą efekt promieniowania, a wartością L²/D. Wykonujemy ekstrapolację liniową do punktu L = 0, co oznacza brak efektu promieniowania; dyfuzyjność termiczna w tym punkcie wynosi 1,42 × 10⁻⁷ m²/s.

Wartość ta odzwierciedla dyfuzyjność cieplną próbki bez wpływu promieniowania pod wpływem powłoki złota. Rzeczywistą przewodność cieplną można łatwo obliczyć za pomocą tego równania, jeżeli znane są gęstość oraz ciepło właściwe. Technika TD jest bardzo skuteczną i niezawodną metodą pomiaru sumarycznych właściwości fizycznych materiałów, obecnie również dla tego samego materiału przy zastosowaniu dwóch różnych długości.

Na koniec możemy zmierzyć sumaryczną przewodność oraz pewne wartości dyfuzyjności. Można również określić efektywność powierzchniową, jeśli znana jest gęstość i ciepło właściwe materiału.