0 Messprinzip und Versuchsaufbau

Bei der Wärmepuls-Methode wird zur Bestimmung der thermischen Materialeigenschaften $C_p(T)$ und $k(T)$ im Gegensatz zu den bewährten stationären Messverfahren ein dynamischer Prozess - die zeitliche Entwicklung und räumliche Ausbreitung kleiner Störungen $\Delta T(x, t)$ des thermischen Gleichgewichts - gemessen und ausgewertet.

a) Wärmepuls b) thermodynamisches System c) Temperaturprofil
modell-eingang.gif
modell-system.gif
modell-ausgang.gif

Hierzu wird eine zylindrische Probe des zu untersuchenden Materials bei einer vordefinierten Basistemperatur $T_0$ ins thermische Gleichgewicht gebracht. Dabei steht nur eine der Zylinderflächen in thermischem Kontakt mit einem Kühlreservoir. An dem gegenüberliegenden Ende werden mittels einer steuerbaren Wärmepulsquelle kleine Störungen $\Delta T(x=0, t=0)$ dieses Gleichgewichts hervorgerufen (a). Die Ausbreitung dieser Störungen $\Delta T(x_0, t)$ entlang der Zylinderachse $x$ wird zeitaufgelöst gemessen (c).

Probenaufbau
probenaufbau-photo.jpg

Im realen Aufbau ist eine zylindrische Saphirprobe (Al2O3-Einkristall) senkrecht auf eine Grundplatte geklebt (GE 7031). Und steht so in gutem thermischen Kontakt mit dieser. Am oberen Ende der Probe ist der Pulswiderstand $R_H$ ≈ 100Ω thermisch kontaktiert und mit 4-Pol-Verdrahtung versehen.

Ein Chromel-Au/Fe Differenzthermoelement ist mittig am Saphir ($x_0$) und auf der Grundplatte ($L$) thermisch kontaktiert. Dessen Thermospannung $U_{th}$ ist für $\Delta T = T(x_0) - T_0 << T_0$ porportional zu $\Delta T$ und bei hinreichendem Temperaturausgleich zwischen Grundplatte und Probe, also $\Delta T = T(x_0) - T_0 = 0$, gleich Null. Zur Weiterleitung der Thermospannung zum Voltmeter (K 2010) werden Kupferdrähte verwendet.

Die Basistemperatur $T_0$ wird an der Grundplatte über einen Platin-SMD-Widerstand (PT-100) gemessen. Die Temperatur der Grundplatte kann in positiver Richtung über einen Heizwiderstand geregelt werden. Zur Regelungen in negativer Richtung wird der Probenaufbau verkapselt und evakuiert in einen Flüssighelium-Badkryostaten untergebracht, welcher für die FP-Aufgabe „nur“ mit Flüssigstickstoff (LN2) gefüllt ist. So können Messungen bei (Heizer-)geregelten Basistemperaturen $T_0$ zwischen 77,4K (Normaldruck-Siedepunkt von LN2) und max. 310 K (~40°C) durchgeführt werden. Der Heizer wird digital über einen PID-Temperaturkontroller (LS331) gesteuert.

Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 License.