TỔNG QUAN
Vật Lý là một môn khoa học thực nghiệm, và việc tăng cường hoạt động thực nghiệm cho học sinh là giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng dạy và học Trong chương trình Vật Lý 11 THPT, từ trường là một nội dung kiến thức quan trọng nhưng thường trừu tượng và khó hiểu Do đó, cần có các bộ thí nghiệm để giúp học sinh dễ dàng tiếp thu kiến thức Hiện nay, nhiều bộ thí nghiệm từ đơn giản đến hiện đại đã được sản xuất trong và ngoài nước để hỗ trợ giảng dạy nội dung này tại các trường Trung học phổ thông.
Hình 1.1 Bộ thí nghiệm đo lực từ, cảm ứng từ do Công ty Cổ phần Sách và
Thiết bị trường học TP Hồ Chí Minh (a) [1], Công ty TNHH Ngày Chủ Nhật
(SUNDAY) (b) [2] và Công ty Pasco (Mỹ) (c, d) sản xuất [3] h
Nhiều trường THPT hiện nay đã được trang bị bộ thí nghiệm khảo sát lực từ và cảm ứng từ, do Công ty Cổ phần Sách và Thiết bị trường học cung cấp.
Công ty TNHH Ngày Chủ Nhật và TP Hồ Chí Minh đã phát triển các bộ thí nghiệm để giảng dạy về từ trường trong chương trình Vật Lý 11 Bên cạnh đó, bộ thí nghiệm tương tự từ Công ty Pasco (Mỹ) cũng hỗ trợ giáo viên và học sinh thực hiện thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng, nhờ vào thiết kế nhỏ gọn và dễ sử dụng Tuy nhiên, việc thực hiện các thí nghiệm này yêu cầu thao tác thủ công tỉ mỉ và cẩn thận, đồng thời việc xử lý số liệu và vẽ đồ thị cũng tốn nhiều thời gian.
Hệ thống cân điện tử được sử dụng trong bộ thí nghiệm đo lực từ của sinh viên Trần Trọng Tân và Nguyễn Khánh thuộc Khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm TP.Hồ Chí Minh, như minh họa trong hình 1.2.
Nhóm sinh viên Trần Trọng Tân và Nguyễn Khánh đã thực hiện nghiên cứu khoa học về "Bộ thí nghiệm đo lực từ bằng hệ thống cân điện tử" Nghiên cứu này không chỉ mang tính ứng dụng cao mà còn góp phần phát triển các phương pháp đo lường chính xác trong lĩnh vực vật lý.
Năm 2016, tại trường Đại học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh, một khảo sát đã được thực hiện để nghiên cứu lực tác dụng lên dòng điện thẳng trong từ trường, dựa trên cường độ dòng điện và góc lệch giữa cường độ dòng điện và cảm ứng từ, cho kết quả đáng tin cậy Tuy nhiên, bộ thí nghiệm này vẫn còn hạn chế do chưa tự động hóa được việc thay đổi góc lệch và thiếu khả năng kết nối với máy vi tính để hiển thị số liệu, đồ thị và tương tác với người sử dụng.
Để chế tạo một bộ thí nghiệm có khả năng thao tác thủ công và khảo sát tự động, tôi đã chọn đề tài “Ứng dụng vi điều khiển Arduino và cảm biến lực trong việc khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng phục vụ giảng dạy Vật Lý 11 THPT” cho khóa luận tốt nghiệp Mục tiêu của đề tài là cập nhật các giá trị lực từ lên máy tính, giúp dễ dàng xử lý và vẽ đồ thị kiểm chứng với lý thuyết.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng đặt trong từ trường
Khi một dây dẫn thẳng có chiều dài l, mang dòng điện I đặt trong từ trường đều B
Khi dòng điện Il chạy qua dây dẫn, nó sẽ chịu tác dụng của lực từ F Lực từ F được đặt tại trung điểm M1M2 và có phương vuông góc với vectơ l và B.
, có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái và có độ lớn được xác định bởi:
𝐅 𝐁𝐈𝒍𝐬𝐢𝐧𝛂 (1) trong đó α là góc tạo bởi B và l Nếu lực từ F tác dụng lên N phần tử dòng điện Il thì độ lớn của F được xác định theo công thức:
Hình 2.1 Sơ đồ thể hiện lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua
Theo công thức (1), khi cảm ứng từ B và chiều dài đoạn dây dẫn không thay đổi, đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lực từ F và góc α có dạng hình sin (hình 2.2a) Nếu biểu diễn mối liên hệ giữa lực từ và sinα, đồ thị sẽ tạo thành một đường thẳng đi qua gốc tọa độ (hình 2.2b).
Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa lực từ F theo góc (a) hoặc theo sin (b) theo lý thuyết
2.1.3 Các đại lượng cần kiểm chứng, đo đạc
Mô hình thí nghiệm được thiết kế để kiểm chứng công thức (2) bằng cách đo lực tương tác F giữa từ trường B và đoạn dây dẫn N với các giá trị cường độ dòng điện I và góc α khác nhau Cảm ứng từ B được xác định qua đầu dò từ trường, trong khi lực F được đo bằng cảm biến lực (Loadcell) Cường độ dòng điện I và góc α được xác định bằng ampe kế và encoder Góc α giữa phương cảm ứng từ B và phương dòng điện I được thay đổi tự động bằng cách xoay nam châm điện quanh trục thẳng đứng Hệ thống thí nghiệm cũng cho phép người dùng thay đổi cường độ dòng điện qua khung dây dẫn để khảo sát đồ thị với các giá trị I khác nhau.
Vi điều khiển Arduino Nano
Arduino được ra mắt tại thị trấn Ivrea, Italia vào năm 2005, với mục đích hỗ trợ sinh viên trong quá trình học tập của Giáo sư Massimo Banzi, một trong những người sáng lập Arduino tại Viện Thiết kế Tương tác Ivrea (IDII) Tên gọi Arduino được lấy từ quán Bar di Re Arduino, nơi mà ông và các cộng sự thường xuyên lui tới trong quá trình phát triển vi điều khiển này.
2.2.2 Cấu tạo vi điều khiển Arduino Nano CH340
Hình 2.3 Vi điều khiển Arduino Nano CH340 (a) và sơ đồ chân (b) [5]
Arduino Nano CH340 là phiên bản nhỏ gọn của vi điều khiển Arduino, với kích thước 18,54 x 43,18mm và sử dụng vi xử lý 8bit ATmega328-AU Nó sở hữu 14 chân Digital (D0 đến D13) và 8 chân Analog (A0 đến A7) với độ phân giải 10bit Đặc biệt, Arduino Nano CH340 được trang bị 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
2.2.3 Chức năng mạch Arduino Nano CH340 trong mô hình Đặc điểm nổi bật của Arduino là KIT phát triển trên nền tảng chip AVR, hỗ trợ đa chức năng, trên Arduino có sẵn các chân cắm, tích hợp mạch nạp, có các h
Arduino là một nền tảng vi điều khiển nổi bật với hệ thống thư viện mở phong phú, cho phép kết nối linh hoạt với nhiều loại cảm biến và module hỗ trợ Ngôn ngữ lập trình của Arduino, dựa trên C/C++, giúp người dùng dễ dàng lập trình mà không cần kiến thức chuyên sâu về điện tử Với tính năng chuẩn hóa, Arduino trở thành lựa chọn lý tưởng cho cả những người mới bắt đầu và các chuyên gia.
Bảng 1 Các thông số kỹ thuật nổi bật của Arduino Nano CH340 ĐẶC TÍNH THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Vi xử lý ATmega328P – AU họ 8 – bit
IC nạp và giao tiếp UART CH340 Điện áp hoạt động 5V-DC
Tần số hoạt động 16 MHz
Mức điện áp giao tiếp GPIO TTL 5V-DC
Dòng tối đa mỗi chân I/O 40mA
Số chân Digital 14 chân, trong đó có 6 chân PWM
Số chân Analog 8 chân (độ phân giải 10 bit)
Dòng ra tối đa (5V) 500mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50mA
Bộ nhớ Bộ nhớ Flash là 32KB
Bộ nhớ SRAM là 2KB
Bộ nhớ EEPROM có dung lượng 1KB Thiết bị có 14 chân Digital (từ D0 đến D13) cho phép nhập xuất tín hiệu số, trong đó 6 chân D3, D5, D6, D9, D11 hỗ trợ chức năng cấp xung PWM 8 bit.
+ 4 chân giao tiếp SPI: D10 (SS), D11 (MOSI), D12 (MISO), D13 (SCK) h
+ ATmega328P cho phép truyền dữ liệu thông qua 2 chân D0 (RX) và D1 (TX)
Các chân Analog từ A0 đến A7 có tổng cộng 8 chân, mỗi chân có độ phân giải 10 bit (từ 0 đến 1023) Chúng được sử dụng để đọc tín hiệu điện áp trong khoảng 0 đến 5V, với giá trị mặc định là 5V.
2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác [7]
Trong đề tài khóa luận này, vi điều khiển Arduino Nano CH340 được lựa chọn do chức năng tương tự như Arduino Uno R3, dòng Arduino phổ biến nhất hiện nay Tuy nhiên, Arduino Nano CH340 có ưu điểm nhỏ gọn hơn và dễ dàng tích hợp vào bảng mạch điều khiển Cụ thể, Arduino Nano CH340 thực hiện nhiều chức năng quan trọng trong các dự án điện tử.
Chân Analog A0 nhận tín hiệu điện áp từ IC khuếch đại INA125P, và qua một hàm biến đổi, tín hiệu này được chuyển đổi thành giá trị lực tác dụng lên cảm biến.
+ Chân A4 và A5 giao tiếp với màn hình LCD1602 – I2C
+ Chân D2 đọc tín hiệu xung từ encoder để xác định góc quay của nam châm điện
+ Chân D3 đọc tín hiệu đóng/ngắt của công tắc hành trình để xác định vị trí chọn làm mốc của góc
+ Chân D6 nhận tín hiệu từ nút nhấn TARE – mặc định giá trị lực từ tại thời điểm nhấn nút có giá trị bằng 0
+ Chân D9 và D10 nhận tín hiệu từ nút nhấn UP và DOWN để chuyển đổi các danh mục hiển thị trên màn hình LCD
+ Chân D11 nhận tín hiệu từ nút nhấn START – khởi động quá trình đo h
+ Chân D12 nhận tín hiệu từ nút nhấn OFFSET – điều khiển nam châm quay về vị trí gốc tọa độ được chọn
+ Chân D8 xuất tín hiệu điều khiển relay đóng/ngắt nhằm kiểm soát quá trình quay của nam châm điện.
Cảm biến lực (Loadcell)
Cảm biến lực là một linh kiện điện tử bao gồm các điện trở đặc biệt gọi là “strain gauge” và một thanh kim loại chịu tải Các strain gauge được mắc thành mạch cầu Wheatstone và dán vào bề mặt cảm biến Khi một vật nặng được đặt lên cảm biến, thanh kim loại bị uốn cong do trọng lực, làm thay đổi giá trị của các điện trở strain gauge và tín hiệu điện áp đầu ra Giá trị lực tác dụng lên cảm biến được ghi nhận thông qua IC khuếch đại INA125P và vi điều khiển Arduino Nano CH340, dựa trên các thay đổi tín hiệu điện áp.
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lí mạch cầu Wheatstone của Loadcell (a) [7] và hình ảnh mô phỏng cấu tạo cảm biến lực – loadcell (b) [8] h
IC khuếch đại đo lường INA125P
IC khuếch đại đo lường INA125P là linh kiện lý tưởng để khuếch đại tín hiệu với điện áp tham chiếu chính xác Vì tín hiệu ngõ ra từ cảm biến lực rất nhỏ, việc khuếch đại là cần thiết trước khi đưa vào Arduino để xử lý Hai phương pháp phổ biến để khuếch đại tín hiệu ngõ ra của cảm biến lực bao gồm việc sử dụng IC INA125P hoặc module chuyển đổi ADC 24bit HX711.
Mạch 24 bit HX711 chuyển đổi giá trị analog từ cảm biến lực sang digital trước khi gửi về Arduino, dẫn đến tốc độ cập nhật dữ liệu chậm Để khắc phục, IC khuếch đại INA125P được sử dụng, cho phép ghi nhận tín hiệu analog trực tiếp từ cảm biến, khuếch đại và gửi về Arduino mà không cần chuyển đổi sang tín hiệu digital, từ đó cải thiện đáng kể tốc độ ghi.
Hình 2.5 IC khuếch đại đo lường INA125P (a) và sơ đồ chân (b).
Một số linh kiện khác
2.5.1 Động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều (direct – current motor) là loại động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều, biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học [9] Cấu tạo của động cơ gồm stator là các cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện và rotor là các cuộn dây được kết nối với nguồn điện một chiều h
Rotor trong động cơ DC quay liên tục theo một chiều nhờ bộ chỉnh lưu gồm cổ góp và chổi than, giúp đổi chiều dòng điện qua cuộn dây sau mỗi nửa chu kỳ Điều này dẫn đến việc từ trường của cuộn dây đảo cực liên tục, tạo ra một moment đẩy rotor quay liên tục Động cơ DC còn tích hợp bộ giảm tốc bên trong để giảm tốc độ quay và tăng lực kéo.
Hình 2.6 Mô hình nguyên lí hoạt động của động cơ DC
2.5.2 Mạch tạo dao động sử dụng IC555
IC NE555 là một linh kiện điện tử quan trọng, được sử dụng để tạo ra xung vuông Nó hoạt động như một máy phát xung với khả năng thay đổi tần số linh hoạt, cho phép điều chế độ rộng xung (PWM) và vị trí xung (PPM).
Hình 2.7 IC NE555 (a) và sơ đồ chân (b). h
Mạch dao động đa hài là một loại mạch điện tử dùng để thực hiện các chức năng hai trạng thái đơn giản như dao động thăng giáng Mạch này không có trạng thái ổn định, mà liên tục chuyển đổi giữa hai trạng thái mà không cần xung kích thích bên ngoài Cấu trúc của mạch dao động đa hài bao gồm một IC 555, hai điện trở R, hai diode và một tụ điện C, nhằm tạo ra xung vuông để điều khiển tốc độ quay của nam châm điện thông qua động cơ.
Động cơ DC hoạt động với điện áp không đổi, và để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ, cần kiểm soát điện áp cung cấp cho nó Hình 2.8 minh họa sơ đồ mạch nguyên lý của mạch dao động đa hài, cho thấy cách thức điều khiển điện áp để đạt được tốc độ mong muốn.
Để điều chỉnh thời gian cấp áp Ton và thời gian nghỉ Toff trong chu kỳ dao động của sóng vuông, cần thay đổi các giá trị của điện trở R1, R2 và điện dung C của tụ theo công thức cụ thể.
Hình 2.9 Đồ thị sóng vuông cấp cho động cơ DC hoạt động [10]
2.5.3 Hệ truyền động bánh răng
Mô hình này không chỉ sử dụng IC 555 để điều khiển tốc độ quay của nam châm điện mà còn tích hợp hệ thống truyền động bằng bánh răng Hệ thống này giúp truyền động hiệu quả giữa trục động cơ DC và trục nam châm điện, đồng thời cho phép thay đổi tỷ số truyền một cách linh hoạt.
Hình 2.10 Nam châm điện và bánh răng trục chính (a), hệ thống ba bánh răng truyền động của động cơ DC (b)
Trong mô hình này, yêu cầu là điều chỉnh tỉ số truyền giữa bánh răng của động cơ DC và bánh răng của trục nam châm điện để giảm tốc độ quay của nam châm điện mà không làm thay đổi chiều chuyển động của nó Do đó, bài toán chỉ cần được xem xét như sau:
Số răng của trục sơ cấp là 22, tương ứng với bánh răng gắn với động cơ DC, trong khi số răng của trục thứ cấp là 51, liên quan đến bánh răng gắn với trục nam châm điện Từ đó, ta có thể tính toán tỉ số truyền giữa hai trục này.
Giá trị này cho thấy rằng nam châm điện quay một vòng khi động cơ DC quay 2.32 vòng, điều này chỉ ra rằng tốc độ quay của nam châm điện thấp hơn so với tốc độ quay của động cơ DC.
Hình 2.11 Relay (a) và sơ đồ chân (b) [12]
Khi dòng điện đi qua cuộn dây của relay, từ trường được tạo ra sẽ hút lõi sắt non, dẫn đến việc thay đổi trạng thái công tắc Vì vậy, relay được sử dụng trong các thí nghiệm như một thiết bị đóng/ngắt mạch điện thụ động, giúp điều khiển hoạt động của động cơ DC.
Encoder là thiết bị mã hóa vòng quay, bao gồm một cặp diode dùng để thu và phát tín hiệu quang học từ một đĩa tròn được thiết kế với các lỗ hoặc điểm sơn có khoảng cách đều.
Hình 2.12 Mô hình nguyên lí hoạt động của encoder [14]
Nguyên lý hoạt động của encoder dựa trên việc đĩa tròn quay, khi đó diode thu sẽ không nhận được tín hiệu ở các vị trí bị che khuất bởi tín hiệu phát sáng từ diode phát Điều này tạo ra một chuỗi tín hiệu sáng/tắt gửi về bộ phận xử lý Nhờ vào nguyên tắc này, encoder được ứng dụng để đọc giá trị góc quay và vòng quay của đĩa quay, động cơ hoặc bất kỳ thiết bị nào cần xác định chính xác vị trí góc và vòng quay.
Hình 2.13 Màn hình LCD 16x02 (a) và module I2C (b)
Màn hình LCD 16x02 là thiết bị hiển thị nhỏ gọn sử dụng công nghệ tinh thể lỏng, chủ yếu để trình bày các ký tự và chữ số, thường được ứng dụng trong các dự án Arduino để hiển thị thông số từ cảm biến Màn hình này được chia thành các ô nhỏ, mỗi ô có khả năng hiển thị một ký tự theo mã ASCII Để kết nối với LCD 16x02, cần tối thiểu sáu chân, bao gồm RS, EN, D7, D6, D5, và D4 Tuy nhiên, khi sử dụng module I2C, chỉ cần kết nối hai chân SDA và SCL của LCD với hai chân tương ứng trên module, giúp đơn giản hóa quá trình kết nối.
Module này có khả năng hiển thị thông tin trên màn hình và được trang bị nút vặn để người dùng điều chỉnh độ tương phản theo ý thích.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Mô hình thí nghiệm
Mô hình này sử dụng hệ cơ học được làm từ vật liệu gỗ, nhờ vào giá thành hợp lý, dễ dàng tìm kiếm và khả năng đảm bảo độ bền, vững chắc Việc sử dụng gỗ còn giúp giảm thiểu rung lắc, từ đó tăng độ chính xác trong quá trình đo lường.
Hình 3.1 Khung máy và các thông số kích thước
Nam châm điện được thiết kế với lõi sắt hình chữ U và dây dẫn đồng có lớp cách điện quấn quanh Để đảm bảo nguồn điện cấp cho nam châm luôn ổn định trong quá trình vận hành, ngõ cấp điện vào được kết nối bằng hai cổ góp đồng, được đặt đồng trục với trục quay của nam châm, giúp tránh tình trạng vướng dây điện.
Hai cổ góp này cách điện với nhau và được kết nối với nguồn điện bên ngoài thông qua hệ thống chổi than Nhờ đó, nam châm sẽ nhận được điện năng liên tục trong suốt quá trình quay.
Hình 3.2 Nam châm chữ U được tích hợp cổ góp (a) và hệ thống chổi than kết nối với nguồn vào (b)
Động cơ DC tích hợp bộ giảm tốc và hệ truyền động bánh răng được sử dụng để điều khiển tốc độ quay của nam châm, với hệ truyền động bao gồm ba bánh răng cùng kích thước, mỗi bánh răng có 22 răng Trong đó, một bánh răng chủ động gắn với trục động cơ và hai bánh răng thụ động truyền động cho bánh răng 51 răng trên trục nam châm, với hệ số truyền đã được tính toán Hộp động cơ còn được trang bị một encoder để đọc góc quay của nam châm và một công tắc hành trình gửi tín hiệu về Arduino để ngắt động cơ khi cần thiết.
Hình 3.3 Hệ động cơ và truyền động của bộ thí nghiệm
3.1.4 Hệ đồng hồ và biến trở điều chỉnh dòng điện
Hình 3.4 Hệ đồng hồ đo và điều chỉnh chiều, cường độ dòng điện qua nam châm (số 1) và khung dây (số 2)
Ampe kế có giới hạn đo 2A và độ chia nhỏ nhất 0.1A được gắn trên bộ khung để xác định cường độ dòng điện qua nam châm điện và khung dây dẫn Thiết bị này được kết nối với hai biến trở, cho phép thay đổi cường độ dòng điện, giúp người dùng dễ dàng khảo sát lực từ ở các giá trị cường độ dòng điện và cảm ứng từ khác nhau Ngoài ra, hai công tắc đảo cực được kết nối với ampe kế để đảo chiều dòng điện, hỗ trợ người làm thí nghiệm trong quá trình nghiên cứu.
23 thế khảo sát thí nghiệm trên khi thay đổi chiều của từ trường bên trong nam châm cũng như chiều của lực từ.
Mạch điện tử
3.2.1 Nguyên lí hoạt động của mạch điện tử
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lí của hệ điện tử trong mô hình
3.2.2 Chức năng của từng bộ phận trong hệ thống
Trong mô hình này, Arduino Nano CH340 hoạt động như bộ xử lý trung tâm, chịu trách nhiệm đọc dữ liệu từ các cảm biến và hiển thị thông tin trên màn hình LCD Bộ thí nghiệm hỗ trợ hai chế độ hoạt động: thủ công và tự động.
Trong chế độ thủ công, Arduino Nano đọc giá trị từ cảm biến lực (loadcell) và giá trị góc từ encoder, hiển thị trên màn hình LCD để người dùng ghi nhận và xử lý dữ liệu, từ đó vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực và góc quay Ở chế độ tự động, Arduino ghi nhận và lưu trữ các giá trị lực và góc quay, cho phép người dùng trích xuất dữ liệu qua phần mềm Microsoft Excel hoặc Origin để xử lý và tạo đồ thị.
Mạch điện tử hoàn chỉnh
Hình 3.6 Mạch điện tử sau khi hàn linh kiện
Mạch điện tử được thiết kế bằng phần mềm OrCAD và gia công tại phòng thí nghiệm Hình 3.6 hiển thị các linh kiện được đánh số thứ tự từ trái sang phải.
Bảng 2 Bảng thống kê các linh kiện trong mạch điện tử
Số thứ tự Tên linh kiện
1 Domino cấp nguồn vào xoay chiều
2 Diode chỉnh lưu cầu RS507L
4 Domino ngõ vào của cảm biến lực – Loadcell h
5 IC khuếch đại đo lường INA125P
14 Pin cắm chân các nút bấm
18 IC tạo dao động NE555
23 Domino ngõ ra của động cơ DC
24 Domino ngõ vào của encoder
25 Domino ngõ vào của công tắc hành trình
3.3.1 Cách sử dụng mạch điện tử
Tiếp theo, hệ điện tử được kết nối với các linh kiện và nguồn nuôi theo các bước sau:
+ Bước 1: Kết nối 4 dây ngõ ra của cảm biến lực với domino số 4
+ Bước 2: Kết nối chân pin của LCD 16x02 – I2C với đế pin số 7
+ Bước 3: Kết nối chân pin của các nút bấm với đế pin số 14 h
+ Bước 4: Kết nối 2 chân cực của động cơ DC với domino số 23
+ Bước 5: Kết nối 3 chân (+, –, signal) của encoder với domino số 24
+ Bước 6: Kết nối 2 chân cực của công tắc hành trình với domino số 25 + Bước 7: Cấp nguồn xoay chiều cho mạch điện tử vào domino số 1.
Kết quả đo đạc
3.4.1 Khảo sát từ trường bên trong nam châm chữ U a B ố trí h ệ đ o – ti ế n hành đ o
Mục tiêu của bộ thí nghiệm là khảo sát lực tác dụng lên dòng điện thẳng trong từ trường đều, yêu cầu đảm bảo từ trường giữa hai bản kim loại của nam châm chữ U là đồng nhất Tuy nhiên, độ lớn cảm ứng từ tại các vị trí trong vùng từ trường không đồng đều, vì vậy cần khảo sát độ lớn cảm ứng từ ở tất cả các điểm trong vùng này Các bước thực hiện sẽ được tiến hành để thu thập dữ liệu chính xác.
Bước đầu tiên trong quá trình khảo sát từ trường là xác định vùng cần nghiên cứu, với hình dạng là một hình hộp có kích thước 12x10x9cm, nằm giữa hai bản kim loại của nam châm như được mô tả trong hình 3.7.
Hình 3.7 Vùng từ trường khảo sát bên trong nam châm điện
+ Bước 2: Nối nam châm với nguồn điện và lần lượt điều chỉnh biến trở cho cường độ dòng điện qua nam châm có giá trị 0.5A và 1.0A
+ Bước 3: Chia vùng từ trường này thành các ô nhỏ có thể tích 1cm 3 , chọn gốc tọa độ đo là ô trong cùng, ở mép trên của bản kim loại như hình 3.7
Để thực hiện quy trình, trước tiên, đặt hệ đo như trong hình 3.7 và quay nam châm về vị trí 0 0, nơi mà nam châm vừa chạm công tắc hành trình khi di chuyển từ trái sang phải Tiếp theo, tiến hành reset giá trị cảm ứng từ đã được ghi nhận bởi máy đo về giá trị 0.
Hình 3.8 Đầu dò đo cảm ứng từ trước (a) và sau khi reset (b) h
Bước 6: Tiến hành khảo sát cảm ứng từ B tại ô mốc đã chọn, sau đó lần lượt đo cảm ứng từ ở tất cả các ô trong khu vực bằng cách di chuyển các thanh trượt trên các hệ tọa độ x, y, z như hình minh họa.
Hình 3.9 Hệ đo cảm ứng từ đã được lắp đặt và tiến hành đo bằng cách di chuyển hệ theo ba trục x, y, z
Bước 7: Cập nhật dữ liệu vào bảng và tiến hành vẽ đồ thị độ lớn cảm ứng từ bên trong nam châm điện bằng phần mềm Mathematica 11.3 Kết quả khảo sát cho thấy.
Tiến hành thí nghiệm khảo sát theo các bước trên, các số liệu thu được sẽ được đưa vào phần mềm Mathematiaca 11.3 và vẽ thành đồ thị như sau: h
Đồ thị ba chiều trong hình 3.10 thể hiện sự biến đổi của độ lớn cảm ứng từ giữa hai bản kim loại của nam châm khi dòng điện chạy qua nam châm với cường độ 0.5A (a) và 1.0A.
Chiều cảm ứng từ giữa hai bản kim loại của nam châm hướng từ cực Bắc sang cực Nam Dựa vào các đồ thị, giá trị cảm ứng từ tại các điểm trong từ trường không đồng đều, nhưng chênh lệch không lớn trong vùng không gian giữa hai bản kim loại Khung dây dẫn trong thí nghiệm được đặt đồng trục với trục quay của nam châm, với chiều dài 4cm và cao 1cm, tạo thành vùng từ trường thực tế kích thước 5x5x1cm Theo quy tắc bàn tay trái, khung dây có dòng điện sẽ chịu hai lực từ ngược chiều, và giá trị cảm biến lực thu được là hiệu độ lớn của hai lực này Từ đó, tính toán độ lớn trung bình cảm ứng từ trong hai vùng không gian cao 5cm và 14cm.
Tổng số giá trị cảm ứng từ N tại độ cao z trong vùng từ trường khảo sát có thể được tính toán Từ biểu thức (6), chúng ta có thể xác định cảm ứng từ trung bình trong không gian 5x5x1cm ở vị trí trung tâm.
Đối với tọa độ i, j, đầu dò khảo sát độ lớn cảm ứng từ theo trục x, y Dựa vào biểu thức (7) và bảng giá trị khảo sát cảm ứng từ B ở phần phụ lục, chúng ta có thể tính toán giá trị cảm ứng từ trung bình tại hai độ cao z = 5cm và z = 14cm, như được trình bày trong bảng 3.
Bảng 3 Độ lớn cảm ứng từ trung bình ở cạnh trên (z = 5cm) và cạnh dưới
3.4.2 Khảo sát lực từ tác lên dòng điện thẳng a B ố trí h ệ đ o – ti ế n hành đ o
Hình 3.11 Bố trí hệ đo lực từ
Hệ đo được bố trí như hình 3.11 gồm:
+ Một hệ cân điện tử sử dụng cảm biến lực – Loadcell tích hợp cùng mạch điện tử với vi điều khiển Arduino
Khung dây dẫn có kích thước 4x10cm với 200 vòng dây, kết hợp với hệ nút bấm cầm tay kết nối mạch điện tử, bao gồm các nút UP, DOWN, START, OFFSET, TARE, đã được đề cập ở mục 2.2.3 Ngoài ra, một bộ nguồn ngoài cũng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nam châm và khung dây dẫn.
+ Bộ khung cơ khí có tích hợp hai ampe kế đo cường độ dòng qua nam châm, khung dây
Tiếp theo, quy trình khảo sát độ lớn lực từ phụ thuộc vào góc quay được tiến hành theo các bước sau: h
+ Bước 1: Kết nối nam châm và khung dây dẫn thẳng với nguồn điện một chiều
+ Bước 2: Nhấn nút OFFSET để nam châm quay về vị trị 0 0 , vị trí cần gạt của nam châm chạm công tắc hành trình
+ Bước 3: Đặt khung dây lên cân lực sao cho mặt phẳng khung dây song song với mặt phẳng của nam châm tại vị trí góc quay bằng 0 0
+ Bước 4: Điều chỉnh núm vặn đồng hồ 1 sao cho kim điện kế lần lượt chỉ 0.5A và 1.0A là các giá trị cường độ dòng điện qua nam châm
+ Bước 5: Điều chỉnh núm vặn đồng hồ 2 sao cho kim điện kế lần lượt chỉ 0.5A và 1.0A là các giá trị cường độ dòng điện qua cuộn dây
Để bắt đầu quá trình đo lực từ, trước tiên nhấn nút TARE để đặt giá trị lực từ tại vị trí ban đầu bằng 0 Sau đó, nhấn nút START để chuyển sang chế độ 2, lúc này hệ thống sẽ bắt đầu đo và nam châm sẽ quay quanh trục Trong suốt quá trình quay, giá trị lực từ và góc α sẽ được đo liên tục và lưu trữ vào bộ nhớ của Arduino để hiển thị ở bước tiếp theo.
Hình 3.12 LCD hiển thị chuyển sang mode 2 và ghi nhận kết quả đo
Sau khi hoàn thành phép đo trong chế độ thủ công, màn hình LCD sẽ tự động chuyển sang chế độ 3, hiển thị các giá trị lực từ và góc quay tương ứng Điều này giúp người thực hiện thí nghiệm dễ dàng quan sát, xử lý số liệu và vẽ đồ thị thủ công Ngoài ra, dữ liệu cũng có thể được trích xuất từ Serial Monitor trong Arduino IDE và chuyển sang Microsoft Excel để vẽ đồ thị kiểm chứng ở chế độ tự động.
Hình 3.13 LCD chuyển sang mode 3 và hiển thị các giá trị đã ghi nhận b K ế t qu ả đ o
Sau khi thực hiện thí nghiệm khảo sát theo các bước đã nêu, dữ liệu thu thập được sẽ được nhập vào phần mềm Microsoft Excel để vẽ đồ thị.
Hình 3.14 Đồ thị sự phụ thuộc giá trị lực từ F vào góc quay α (a) và đồ thị sự phụ thuộc của lực từ theo sinα (b) khi Inam châm = 0.5A
Hình 3.15 trình bày đồ thị sự phụ thuộc của giá trị lực từ F vào góc quay α (a) và đồ thị sự phụ thuộc của lực từ theo sinα (b) khi dòng điện Inam châm là 1.0A Phân tích kết quả cho thấy mối liên hệ giữa lực từ và góc quay, cũng như ảnh hưởng của sinα đến giá trị lực từ.
Từ các đồ thị, có thể thấy rằng lực từ F phụ thuộc vào góc quay α, với lực từ F theo sinα thể hiện dạng tương ứng với đồ thị lý thuyết Độ lớn F tuân theo quy tắc hàm sin, và F theo sinα tạo thành đường thẳng đi qua góc tọa độ Trong hai đồ thị hình 3.14 và hình 3.15, độ lớn Fmax tại Ikhung dây = 1A gần gấp đôi độ lớn Fmax của giá trị khác.