Mesure de la conductivité thermique des métaux à température cryogénique

Cette étude concerne la mise au point d’un dispositif de caractérisation de la conductivité thermique des métaux à basse température. Le dispositif est basé sur une mesure en régime permanent du gradient thermique sur un barreau métallique de section connue : il est chauffé à une extrémité par une résistance électrique et refroidi à son autre extrémité par de l’azote liquide à 77K, qui impose la température globale de l’échantillon. Le gradient de température est alors mesuré (à l’aide de deux sondes de températures positionnées aux extrémités du barreau), pour différentes valeurs de flux thermique. A température cryogénique, les pertes thermiques les plus importantes sont les pertes conductives et convectives, les pertes par rayonnement étant négligeables. Pour éviter les échanges avec l’air, la solution a été de mettre le dispositif dans un vide poussé (1E-5 mBar). Nous présentons ici les détails du dispositif expérimental et de l’analyse des incertitudes qui nous a permis d’estimer l’incertitude de mesure du dispositif. Les mesures ont permis de mettre en évidence des écarts importants avec les données existantes de la littérature. On effectue les mesures pour différentes puissances pour obtenir plusieurs points permettant une régression linéaire qui nous amènera à déterminer la conductivité du barreau étudié. L’expression de la conductivité thermique λ est la suivante : λ = (L×P)/(S×ΔT). Où L est la longueur du barreau, S sa surface (section du barreau), P la puissance relevée et ΔT la différence de température aux extrémités du barreau. On a tracé ΔT en fonction de P pour éliminer les écarts d’étalonnage des Pt100 et la puissance résiduelle apportée par l’environnement à température ambiante. La conductivité s’écrit alors : λ = L/(S×Pente).

Où Pente est la pente de la droite de régression du nuage de points de mesure ΔT = f(P).

Erreur due à la méthode de la pente : Cette méthode est entachée d’un biais dû à la non prise en compte de la variation de la conductivité thermique en fonction de la température. Les mesures faites dans cette étude ont été faite point à point en corrigeant l’erreur de décalage de température.