Báo cáo nhóm 3 học phần vật lý i bóng đèn neon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Thiện

Hà Nam, ngày 13 tháng 1 năm 2024

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện thực hành vật lý, nhóm chúng em muốn gửi lời cảm ơn trân thành nhất đến thầy Nguyên Văn Thiện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Với sự nhiệt tình, nhiệt huyết của thầy đã giúp bọn em hoàn thành tốt các bài thực hành Vật Lý và hướng dẫn tận tâm về cách thức thực hiện báo cáo Những bước đầu của nhóm chúng em không thể thiếu sự hỗ trợ hết mình của thầy và nhóm em vô cùng biết ơn về điều đó

Trải qua quá trình nghiên cứu, nhóm em đã cố gắng hết sức và nỗ lực hết mình để đảm bảo sự thành công của chủ đề Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài nhóm không thể tránh những khó khăn, thử thách khi thực hiện chủ đề này Chúng em luôn trân trọng và cố gắng tiếp thu những ý kiến đóng góp từ thầy để có thể hoàn thiện chủ đề này một cách tốt nhất Những lời nhận xét từ thầy là nguồn động lực giúp nhóm phát triển và hoàn thiện hơn trong quá trình học tập Chúng em sẽ luôn không ngừng cố gắng và học hỏi những cái mới để có thể nâng cao vốn hiểu biết của bản thân để có thể vững bước trên con đường phía trước

Chúng em xin trân thành cảm ơn!

BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC

MỤC LỤC

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nhóm chọn đề tài “Bóng đèn neon” do các lý do sau:

 Việc nghiên cứu “Bóng đèn neon” giúp chúng ta hiểu rõ hơn hiện tượng “Tự cảm” trong bóng đèn.

 “Bóng đèn neon” là một vật rất gần gũi với chúng ta.

 Chủ đề này giúp cho chúng ta biết được cách lắp bóng đèn và nguyên lý hoạt động của bóng đèn neon.

 Hiểu rõ được tác dụng của chấn lưu điện tử.

II HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM

1 Thí nghiệm về hiện tượng tự cảm

Xét mạch điện gồm hai nhánh song song mắc với bộ nguồn (hình 1) : trong nhánh 1 có mắc một điện trở R nối tiếp với đèn Đ1 , trong nhanh 2 có mắc cuộn cảm L nói tiếp với đèn Đ2 Hai đèn Đ1 và Đ2 giống nhau Đóng

khóa K1 đèn Đ1 sáng lên ngay còn đèn Đ2 sáng lên từ từ Nếu điện trở trong hai nhánh bằng nhau thì sau một thời gian ngắn, hai đèn Đ1 và Đ2 sẽ sáng như nhau Sau đó, ta ngắt khóa K, đèn Đ1 tắt ngay, còn đèn Đ2 sáng bừng lên trước khi tắt

Hiện tượng trên được giải thích dễ dàng Khi đóng khóa K, trong mạch 2 từ thông gửi qua cuộn cảm L tăng từ giá trị  không đến một giá trị nào đó Trong mạch có xuất hiện một dòng tự cảm itc ngược chiều với dòng điện của nguồn phát ra, do đó đèn Đ2 sáng từ từ , chậm hơn so với Đ1 Trong nhánh 1, dòng tự cảm rất nhỏ so với trong nhánh 2 vì trong nhánh 1 không có cuộn cảm, do đó đèn Đ1 sáng lên ngay

Khi ngắt mạch, từ thông trong cuộn cảm L giảm đột ngột về giá trị không, dòng tự cảm itc lúc này cùng chiều với dòng điện của nguồn làm cho dòng điện tổng hợp trong mạch tăng lên và đèn Đ2 sáng bừng lên trước khi tắt.

Thí nghiệm trên xác nhận sự xuất hiện dòng điện tự cảm itc do từ thông biến thiên gây bởi chính dòng điện trong mạch.

2 Khái niệm hiện tượng tự cảm

Hiện tượng tự cảm (self-induction) là hiện tượng trong điện từ học, khi một dòng điện thay đổi trong một mạch dây dẫn, nó sẽ tạo ra một trường từ biến thiên xung quanh nó Điều này dẫn đến việc tạo ra một điện áp ngược hướng trong mạch, cản trở sự thay đổi trong dòng điện ban đầu Hiện tượng này là cơ sở cho nhiều ứng dụng trong điện học, từ tổng đèn huỳnh quang đến các mạch điện tử phức tạp.

Liên kết với bóng đèn neon: Bóng đèn neon hoạt động dựa trên nguyên tắc của hiện tượng tự cảm Khi một điện áp cao được áp dụng qua một ống đèn neon, dòng điện chạy qua khí neon trong ống tạo ra ánh sáng Khi dòng điện thay đổi, do hiện tượng tự cảm, một điện áp ngược hướng sẽ được tạo ra Khi điện áp đủ cao, nó có thể đảo ngược hướng dòng điện ban đầu và tắt bóng đèn Tuy nhiên, sau đó, một số tổn thất năng lượng sẽ làm giảm điện áp, cho phép dòng điện trở lại và bóng đèn sẽ sáng lại Điều này tạo ra hiệu ứng nhấp nháy mà ta thường thấy trong bóng đèn neon.

3 Suất điện động tự cảm

Tự cảm là hiện tượng phát sinh suất điện động cảm ứng do chính sự biến thiên của dòng điện trong mạch đó gây ra Suất điện động này được gọi là suất điện động tự cảm Theo định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ, biểu thức của suất điện động tự cảm

Trong đó d là từ thông do dòng điện trong mạch biến thiên sinh ra và gửi qua điện tích của mạch đó Ta có nhận xét là từ thông  tỉ lệ thuận với cảm ứng từ B do dòng điện trong quá mạch sinh ra và cảm ứng từ B đó lại tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện I của mạch

Kết quả là, d tỉ lệ thuận với I Do đó ta có thể đặt:

 = LI (1)

Trong đó L là một hệ số tỉ lệ phụ thuộc hình dạng, kích thước của mạch điện và bán chất của môi trường trong đó ta đặt mạch điện vào L, được gọi là hệ số tự cảm của mạch Thay  từ biểu thức (1)

vào biểu thức có tc ta được:

ⅆ t= d

dt=−L d Id t (2)

Như vậy: suất điện động tự cảm tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của cường độ dòng điện trong mạch Dấu trừ (-) trong công thức (2) chứng tỏ: suất điện động tự cảm bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự biến đổi của cường độ dòng điện trong mạch.

4 Ý nghĩa và đơn vị của hệ số tự cảm

Từ công thức định nghĩa của hệ số tự cảm (1), ta rút ra:

L= ∅I

Trong hệ SI, đơn vị của hệ số tự cảm là Henry, viết tắt là H, ta có:

1 H= 1Wb1 A

Vậy: Henry là hệ số tự cảm của một mạch kín khi dòng điện cường độ 1Ampere chạy qua thì sinh ra trong chân không từ thông bằng 1Vêbe qua mạch đó

Ngoài Henry, đôi khi người ta còn dùng thêm ước số như: MiliHenry viết tắt là mH (1mH = 10-3 H)

MicroHenry viết tắt là H ( H =10-6 H)

5 Hệ số tự cảm L của một ống dây điện thẳng dài

Thực tế một ống dây điện thẳng được coi là dài vô hạn nếu độ dài của ống dây lớn hơn đường kính khoảng 10 lần Nếu gọi độ dài của ống dây là lm, tiết diện của ống dây là S, số vòng dây là N thì người ta đã chứng minh được hệ số tự cảm L của ống dây bằng:

L=μ μ0N02V =μ μ0( N2

l2 )S l (3)

Trong đó N0 là số vòng trên một đơn vị chiều dài, V là thể tích của ống trụ.

Trong kỹ thuật, các ống dây thường dùng đều có lõi sắt Độ từ thẩm  của lõi sắt ấy có thể tới hàng ngàn, hàng vạn.

6 Dòng điện tự cảm khi ngắt mạch

Khi mở cầu dao của một mạch điện có chứa máy phát điện hay động cơ điện, ta thường thấy hồ quang điện xuất hiện giữa hai cực của cầu dao.

Nguyên nhân do khi ngắt mạch, dòng điện giảm đột ngột về giá trị không, do đó các cuộn dây của máy điện có xuất hiện một dòng điện tự cảm khá lớn Dòng điện này phóng ra lớp không khí giữa hai cực cầu dao và có thể gây nguy hiểm cho hệ thống điện Để khử hồ quan điện khi ngắt mạch, người ta đặt cầu dao trong đầu, hoặc dùng khí phụt mạnh v.v dập tắt hồ quang.

III BÓNG ĐÈN NEON

1 Cấu tạo của bóng đèn neon

Đèn neon được cấu tạo từ các thành phần chính sau:

 Ống thủy tinh: Bộ phận này thường có chiều dài từ 0,3 - 2,4m tùy từng loại Bên trong được tráng một lớp bột huỳnh quang (giúp phát ra ánh sáng trắng) đồng thời được hút không khí, sau đó bơm thủy ngân và khí trơ (thường là Neon hoặc Argon) vào Bên ngoài ống sẽ được tráng một lớp

Barioxit để phát xạ điện tử khi bị đốt nóng bằng hai điện cực dẫn từ hai đầu ống vào.

 Khí hiếm: Thường là bơ ôxi (neon), xenon, argon hoặc các khí hiếm khác Khí hiếm này được bơm vào trong ống thủy tinh, tạo ra môi trường để phát sáng.

 Điện cực: Được tạo thành từ dây điện cuộn quanh bên trong ống thủy tinh Dòng điện được thông qua dây điện này để ion hóa khí hiếm và tạo ra hiệu ứng sáng.

 Chấn lưu và tắc te: Đây là hai bộ phận rời gắn trên máng đèn, có tác dụng khởi động và giúp cho đèn sáng ổn định.

Khi áp dụng điện vào điện cực, dòng điện sẽ nhảy qua khí hiếm trong ống thủy tinh, tạo ra hiệu ứng sáng nổi bật và phát sáng đặc

biệt của đèn neon.

2 Nguyên tắc hoạt động của bóng đèn neon

Khi khởi động nguồn điện, một điện áp cao xuất hiện dẫn đến sự chênh lệch khá lớn giữa 2 đầu cực của bóng đèn Từ đây, một điện trường trong ống sẽ được sinh ra và tạo nên dòng điện Ban đầu, điện tích âm trong ống thủy tinh còn nhỏ nhưng sau đó tăng lên do sự di chuyển và va chạm với các phân tử khí Sự tăng vọt của điện tích sẽ làm dòng điện dẫn giữa hai đầu cực đèn đạt mức lớn nhất Lúc này nếu nguồn điện không được tắt sẽ dẫn đến hiện tượng ion hóa mạnh và làm cháy đèn.

Để điều khiển được quá trình này, người ta dùng một cuộn dây có điện kháng L rất lớn (còn gọi là cuộn tăng áp) Cuộn dây này sẽ được nối với tắc te để tạo ra một điểm tiếp nhiệt Vậy nên khi dòng điện đi qua điểm tiếp nhiệt, tắc te sẽ nóng lên rồi dãn nở làm cho các lá tiếp điểm tách ra và tự động ngắt mạch điện.

Khi mạch điện bị ngắt, trong cuộn dây L sẽ sinh ra một sức điện tự động cảm (SĐTĐC) Khi SĐTĐC của cuộn L càng lớn thì sẽ hình thành một điện áp cao giữa hai đầu bóng đèn dẫn đến hiện tượng phóng điện Quá trình phóng điện này sẽ tạo ra những ion, tác động lên lớp bột huỳnh quang Tại đây, chùm tia tử ngoại sẽ xuất

hiện và nhờ sự biến đổi của lớp bột huỳnh quang sẽ trở thành ánh sáng.

Sau khi đèn sáng, điện áp trên 2 đầu đèn giảm đi, tắc te không hoạt động nữa Cùng với đó, điểm tiếp nhiệt sẽ ở trạng thái nguội dẫn đến SĐTĐC cũng không còn Lúc này, cuộn dây L chỉ là một

điện kháng bình thường trong mạch.

IV SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN ĐÈN HUỲNH QUANG (ĐÈN NEON)1 Sơ đồ mạch điện bóng đèn huỳnh quang (Đèn neon)

Sơ đồ mạch điện đèn neon

5 Một nguồn xoay chiều 220V

2 Cấu tạo của chấn lưu điện từ trong mạch

Cấu tạo bên trong chấn lưu điện tử gồm có: cuộn dây, lõi tụ, hộp sắt, bản mạch điện tử

 Cuộn dây: dùng để chặn dòng điện cao tần trong mạch điện  Lõi tụ hoạt động trên nguyên lý nạp và phóng dòng điện  Hộp sắt: chứa các bộ phận linh kiện điện tử.

 Bản mạch điện tử dùng để dẫn dòng điện.

3 Công dụng của chấn lưu điện từ trong mạch

 Kiểm soát, hạn chế dòng điện áp cao tránh hỏng đèn

 Khi khởi động đèn cần điện thế lớn hơn làm việc nên chấn lưu có tác dụng cung cấp cho đèn điện thế khởi động chính xác và nhanh chóng nhất.

 Điện thế nguồn 220v quá lớn sẽ làm hỏng đèn ngay khi khởi động nên phải thông qua chấn lưu biến dòng điện này thành điện năng đèn có thể dùng được.

V KẾT LUẬN

Hiện tượng tự cảm trong bóng đèn huỳnh quang là một hiện tượng vật lý đặc biệt, đã thu hút sự quan tâm và nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và kỹ sư từ lâu Kết luận về hiện tượng này không chỉ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về cách hoạt động của bóng đèn

huỳnh quang mà còn đem lại những ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Một trong những điểm quan trọng của hiện tượng tự cảm trong bóng đèn huỳnh quang là khả năng tự kích hoạt và tự duy trì dòng điện trong bóng đèn sau khi nguồn điện ngoại cấp bị cắt Điều này xuất phát từ quá trình ion hóa của khí huỳnh và các chất phát quang bên trong bóng đèn, tạo ra các ion và electron tự do Các electron này sẽ va chạm với phân tử khí huỳnh và các chất phát quang, kích thích chúng phát quang, tạo ra ánh sáng Quá trình này tạo ra một chu trình tự cảm, khiến cho bóng đèn có thể tự duy trì sự phát sáng trong một khoảng thời gian ngắn sau khi nguồn điện ngoại cấp bị cắt.

Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng hiện tượng tự cảm có thể tạo ra một lượng nhiệt độ nhất định và có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của bóng đèn Do đó, trong một số ứng dụng, cần xem xét kỹ lưỡng về mặt kỹ thuật và an toàn khi áp dụng hiện tượng này.

Tổng kết lại, hiện tượng tự cảm trong bóng đèn huỳnh quang là một hiện tượng vật lý hấp dẫn, mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng trong thực tế Tuy nhiên, việc hiểu rõ về cơ chế hoạt động cũng như các yếu tố ảnh hưởng là cần thiết để tối ưu hóa việc áp dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO