thí nghiệm lồng faraday hiện tượng tạo điện tích

Đọc và ghi lại giá trị đồng hồ đo lúc này.KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Trình tự Giá trị đồng hồ đo VLần 1Lần 2Đặt bộ nạp điện tích vào bên trong lồng Faradaykhông chạm lồng 13 16Rút bộ nạp ra khỏi

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

-BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - EE2031

Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN VĂN THỰC

Sinh viên thực hiện: CHU TUẤN HÙNG

MSSV: 20212824

Mã lớp thí nghiệm: 727179

Lớp: KT Điều khiển-Tự Động Hoá 02 – K66

Kỳ học: 20211 BÀI 1: THÍ NGHIỆM LỒNG FARADAY - HIỆN TƯỢNG TẠO

ĐIỆN TÍCH

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên biết cách thực hiện và xác định được mối i quan hệ giữa điện tích cảm ứng trên lồng Faraday với điện tích trên vật mang điện đặt trong lồng, nghiệm chứng quy luật phân bố thông qua thực nghiệm

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thí nghiệm lồng Faraday cho phép giải thích hiện tượng dịch chuyển điện và kiểm chứng luật Gauss trong chương số 2 của giáo trình Lý thuyết trường điện từ Hiện tưởng dịch chuyển điện được nhà khoa học Micheal Faraday tiến hành từ năm 1837 với 02 quả cầu đồng tâm đặt lồng vào nhau, giữa chúng có khoảng không gian có thể điền đầy bằng dung dịch diện môi Quả cầu bên trong tích điện dương, quả cầu bên ngoài tích được nối đất Sau một khoảng thời gian thì quả cầu bên ngoài có điện tích đúng bằng điện tích của quả cầu bên trong và trái dấu

Hiện tưởng dịch chuyển điện đã được khái quát hóa bằng luật Gauss, cụ thể là “Tổng thông lượng đi ra khỏi mặt kín bằng tổng điện tích nằm bên trong mặt kín đó” Thí nghiệm sẽ giúp sinh viên hiểu rõ hiện tượng dịch chuyển điện và kiểm chứng lại luật Gauss trong điện trường tĩnh CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG

Đồng hồ đo điện áp (ES-9078)

Long Faraday (ES-9042A)

Bộ nạp điện tích (ES-9057B)

Que đo lấy mẫu điện tích (nếu có)

Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1.1 Quá trình tích điện do cảm ứng và quá trình tích điện do tiếp xúc

Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thí nghiệm Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp và lồng faraday nhằm khử toàn bộ điện tích trên các thiết bị này Kiểm tra giá trị đo trên đồng hồ đo điện áp Số chỉ đồng hồ đo phải bằng 0 để đảm bảo lồng faraday không có điện tích

Hình 7: Sơ đồ kết nối các thiết bị

Bước 2: Đặt điện áp ban đầu với giá trị 100V, sau đó giảm dần (nếu cần thiết) Bước 3: Đặt bộ nạp điện tích (đóng vai trò là vật mang điện) vào bên trong lồng Faraday Lưu ý không cho bộ nạp điện tích chạm vào lồng Faraday Ghi lại các giá trị trên đồng hồ đo Bước 4: Rút bộ nạp điện tích khỏi lồng Faraday Đọc và ghi lại giá trị đồng hồ đo Bước 5: Đặt bộ nạp điện tích vào bên trong và chạm vào lồng Faraday Bước 6: Rút bộ nạp điện tích khỏi lồng Faraday Đọc và ghi lại giá trị đồng hồ đo lúc này

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Trình tự Giá trị đồng hồ đo (V)

Lần 1 Lần 2

Đặt bộ nạp điện tích vào bên trong lồng Faraday

(không chạm lồng) 13 16 Rút bộ nạp ra khỏi lồng 0 0

Đặt bộ nạp điện tích vào bên trong và chạm vào lồng

Faraday 12 16 Rút bộ nạp ra khỏi lồng 8 11

NHẬN XÉT:

Đồng hồ đo cho giá trị khác 0 khi đặt bộ nạp điện tích vào bên trong lồng Faraday tại bước 3 là do hiện tượng dịch chuyển điện (điện hưởng) Khi đặt bộ nạp điện tích vào bên trong thì lồng Faraday trở thành một lưỡng cực, khi đó các điện tích cùng dấu với bộ nạp

sẽ bị đẩy ra xa và theo dây nối đất đi ra ngoài qua đó lồng bị nhiễm điện trái dấu với bộ nạp điện tích

Điện áp chênh lệnh giữa tấm lồng Faraday và tấm nền ở ngoài tại bước 6 và lồng Faraday bị nhiễm điện do có sự truyền điện tích từ bộ nạp điện tích sang lồng Faraday khi cho bộ nạp tiếp xúc với lồng

1.2 Bảo toàn điện tích

Buớc 1: Cọ xát 02 bộ nạp tích điện vào nhau nhằm loại bỏ hoàn toàn điện tích trên mỗi

bộ nạp tích điện Sau đó tiến hành nạp điện cho mỗi bộ nạp điện tích (tương tự như trong thí nghiệm trên)

Bước 2: Lần lượt cho từng bộ nạp điện tích vào bên trong lồng Faraday Đọc và ghi lại giá trị (độ lớn và dấu) điện áp trên đồng hồ đo

Bước 3: Nối đất các bộ nạp tích điện

Bước 4: Đặt cả 02 bộ nạp tích điện vào bên trong lồng Faraday sao cho các bộ nạp tích điện tiếp xúc với nhau, nhưng không chạm vào lồng Faraday Đọc và ghi lại giá trị điện

áp trên đồng hồ đo

Bước 5: Bỏ lần lượt từng bộ nạp tích điện ra khỏi lồng Faraday Đọc và ghi lại giá trị điện

áp trên đồng hồ đo sau mỗi lần bỏ một bộ nạp tích điện

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Trình tự Giá trị đồng hồ đo (V)

Lần lượt cho từng bộ nạp vào lồng

(Xanh trước, trắng sau) -15 15 -44 43 -38 37 Đặt cả 2 bộ nạp vào lồng -1 -1 -1

Bỏ lần lượt từng bộ nạp ra khỏi lồng

(Xanh trước, trắng sau) 15 0 31 -3 36 2

NHẬN XÉT:

Khi lần lượt cho từng bộ nạp vào lồng ở bước 2, điện tích trên bộ nạp sinh điện thế trên lồng trong, giá trị điện tích quyết định giá trị điện thế lồng trong hay cũng chính là giá trị hiển thị trên đồng hồ đo 2 bộ nạp được nạp điện tích bằng cách ma sát, trắng sẽ mang điện tích dương, xanh sẽ mang điện tích âm và có độ lớn bằng nhau Bởi nếu cho tiếp xúc trở lại sẽ cho trung hòa hay chính là bảo toàn điện tích Đặt cả 2 bộ nạp vào lồng khi đang tiếp xúc nhau, 2 bộ nạp sẽ dần dần xảy ra sự trung hòa dẫn đến độ lớn điện tích tổng cộng giảm

Bỏ lần lượt từng bộ nạp ra cụ thể là trắng trước xanh sau.Do bỏ bộ nạp tích điện âm ra trước (xanh) nên điện tích còn lại trong lồng hay trên bộ nạp mang điện dương, và có độ lớn nhỏ hơn so với bước 2 do đã có sự dịch chuyển điện tích giữa 2 bộ khi cho tiếp xúc ở bước 4.Sau đó, bỏ nốt bộ trắng ra thì trong lồng không còn điện tích nên đồng hồ đo chỉ

0

BÀI 2: THÍ NGHIỆM VỀ CÁC DẠNG PHÂN BỐ DIỆN TÍCH

MỤC TIÊU

Bài thí nghiệm này giúp sinh viên biết cách tiến hành thí nghiệm trên bộ thiết bị, đo được mật độ điện tích, giải thích được mối quan hệ giữa mật độ điện tích mặt với hình dạng vật the

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trên mỗi bề mặt của vật dẫn kim loại, sự phân bố của điện tích được đo lần lượt bằng các hàm mật độ điện tích mặt ps Nếu sự phân bố điện tích trên bề mặt là không đều thì hàm mật độ điện tích mặt ps sẽ thay đổi theo từng vị trí trên bề mặt của vật dẫn Đối với vật dẫn kim loại, tùy theo hình dáng của vật mang điện mà trên bề mặt của nó, sự phân bố điện tích sẽ không đều, ví dụ tại các bề mặt góc nhọn, hàm mật độ điện tích mặt sẽ thường lớn hơn tại các vị trí bề mặt có góc tù

THIẾT BỊ CÂN SỬ DỤNG

Đồng hồ đo điện áp (ES-9078)

Bộ nguồn điện áp tĩnh điện (ES-9077)

02 quả cầu kim loại (ES-9059B)

Long Faraday (ES-9042A)

Que đo lấy mẫu điện tích

Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thí nghiệm Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp và lồng faraday nhằm khử toàn bộ điện tích trên các thiết bị này

Bước 2: Đặt 02 quả cầu kim loại cách nhau 50cm Nối quả cầu kim loại thứ nhất với bộ nguồn áp tĩnh điện, đặt điện áp 2000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất thiết bị nguồn áp tĩnh điện với cùng điểm nối đất của lồng faraday và đồng hồ đo

Bước 3: Nối đất quả cầu kim loại thứ 2

Bước 4: Đo và ghi lại giá trị điện tích tại các vị trí khác nhau trên bề mặt của quá cầu thứ nhất

Hình 8: Sơ đồ kết nối các thiết bị

Bước 5: Di chuyển quả cầu thứ nhất đến gần quả cầu thứ 2 sao cho khoảng cách giữa chúng là l cm Bật bộ nguồn áp tĩnh điện, tiến hành đo và ghi lại giá trị điện tích tại cùng các vị trí đã đo trong bước 4 trên bề mặt quả cầu thứ nhất

Bước 6: Nổi đất quả cầu thứ nhất Đo và ghi lại điện tích tại cùng các vị trí đã đo trong bước 4 trên bề mặt quả cầu thứ nhất

Bước 7: Di chuyển quả cầu thứ nhất ra xa quả cầu thứ hai, sao cho khoảng cách giữa chúng là 50cm Đo và ghi lại điện tích tại cùng các vị trí đã đo trong bước 4 trên bề mặt quả cầu thứ nhất

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

a.Thí nghiệm với hai quả cầu kim loại

Trình tự

Giá trị đồng hồ đo (V) Lần 1 Lần 2

A B C D A B C D

Đo giá trị điện tích tại các vị trí khác nhau cố

định A, B, C, D trên bề mặt quả cầu 1 8 10 9 9 9 9 8 9

Di chuyển sao cho quả cầu 1 cách quả cầu 2

1cm, thực hiện lại bước 4 11 10 9 8 10 9 9 10 Nối đất quả cầu 1, thực hiện lại bước 4

5 3 2 0 5 2 1 0

Di chuyển sao cho quả cầu 1 cách quả cầu

250cm rồi thực hiện lại bước 4 0 0 0 0 0 0

0 0

NHẬN XÉT

Tại bước 4, 2 quả cầu cách nhau 50 cm nên coi như không ảnh hưởng gì đến nhau, giá trị hiển thị trên đồng hồ đo chỉ điện thế trên bề mặt quả cầu khi quả cầu được nối với bộ nguồn áp tĩnh điện Giá trị điện thế này bằng nhau tại mọi điểm trên quả cầu Phù hợp với

lý thuyết

Đến bước 5 cho 2 quả cầu cách nhau 1 cm Quả cầu thứ 1 nhiễm điện dương, quả cầu thứ

2 theo thế hưởng ứng sinh ra hiện tượng phân cực, với phía gần quả cầu 1 có nhiều điện tích âm, phía còn lại có nhiều điện tích dương được nối đất nên điện tích dương theo dây

đi xuống đất Quả cầu 2 sẽ ngày càng tích điện âm với độ lớn lớn hơn cho đến khi tương đương với trị số quả cầu 1 Vì vậy tại bước này chỉ có quả cầu 2 biến đổi, quả cầu 1 gần như không có sự thay đổi về điện thế, tại vị trí A, gần quả cầu 2 sẽ có chỉ số dao động lớn hơn do tính phân cực của quả cầu 1 ảnh hưởng bởi quả cầu tích điện âm 2

Khi nối đất quả cầu 1 tại bước 6, điện tích tự do theo thế ra ngoài, tại các vị trí C,D mất điện tích nên điện thế xấp xỉ bằng 0, ở 2 vị trí A,B do ảnh hưởng bởi tính phân cực từ quả cầu 2 tích điện âm nên vẫn có những điện tích tại đây sinh ra điện thế Nhưng nếu để đủ lâu 2 quả cầu sẽ dần dần trung hòa về điện

Đến bước 7, khi cho 2 cầu ra xa nhau cách 50 cm, không còn giữ được sự phân cực, quả cầu 1 được nối đất trở nên trung hòa về điện, điện thế tại mọi vị trí đều bằng 0

Lý do khi nối đất quả cầu thứ 2 mà điện tích vẫn tồn tại trên quả cầu này: Vì như đã giải thích bên trên, quả cầu tồn tại sự phân cực, gần quả cầu 1 có nhiều điện tích âm do hưởng ứng với quả cầu 1 tích điện dương, còn phía còn lại điện tích dương bị đẩy ra theo dây xuống đất

b Thí nghiệm với quả cầu rỗng, có lỗ trên đỉnh

Trình tự

Giá trị đồng hồ đo (V) Lần 1 Lần 2

A B C D A B C D Đọc và ghi lại giá trị bên ngoài quả cầu

9 10 8 9 8 9 8 9

Đưa que thử vào trong quả cầu rồi đo

0 0

NHẬN XÉT:

Điện thế tại mọi vị trí bên ngoài quả cầu đều bằng nhau

Điện thế bên trong quả cầu bằng 0 với mọi lần đo

c Thí nghiệm với quả cầu có mũi nhọn

Trình tự

Giá trị đồng hồ đo (V) Lần 1 Lần 2

A B C D A B C D Đọc và ghi lại giá trị bên ngoài quả cầu

12 9 7 5 11 9 6 7

NHẬN XÉT:

Điện tích phân bố không đều trên bề mặt vật, từ đó lý giải giá trị đo được tại các vị trí khác nhau không bằng nhau bằng nhau

Điện tích tập trung nhiều tại các vị trí nhọn, và phân bố ít tại các vị trí cong trơn, lý giải tại sao tại A lại có điện thế cao nhất, còn các vị trí như C,D có điện thế nhỏ hơn phù hợp với lý thuyết

BÀI 3: THÍ NGHIỆM VỀ ĐIỆN DUNG VÀ ĐIỆN MÔI

MỤC TIÊU

Phần thí nghiệm này giúp sinh viên biết cách tiến hành thí nghiệm trên bộ thiết bị, đo được các thông số trong nội dung bài thí nghiệm, giải thích được mối quan hệ giữa C, Q, V, giải thích được tính chất vật lý của các loại vật liệu khác nhau thể hiện trong điện trường tĩnh

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Đối với tụ điện phẳng, ta có quan hệ sau:

C =

Trong đó:

o C: điện dung của tụ điện phẳng

o A: tiết diện của tấm bản cực kim loại

o d: khoảng cách giữa 2 bản cực e: hằng số điện môi của chất điện môi

Nếu có N tụ điện mắc song song với nhau, giá trị điện dung tương đương được tính theo công thức:

C = C + C + C + … + CTĐ 1 2 3 N

Hình 9: Mô hình tương đương của đồng hồ đo điện áp trong các thí nghiệm đo điện dung

tụ điện Lưu ý: Trong các thí nghiệm đo điện dung của tụ điện, đồng hồ đo điện áp sẽ có mô hình tương đương gồm một vôn kế có tổng trở lớn vô cùng mắc song song với một tụ điện CE (CE là điện dung bên trong của đồng hồ đo (25pF)) và điện dung ký sinh của đầu que đo)

(xem Hình 9) Do giá trị điện dung Ca rất nhỏ hơn so với giá trị của tụ điện cần đo trong thí nghiệm nên có thể bỏ qua

CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG

Đồng hồ đo điện áp (ES-9078)

Long Faraday (ES-9042A)

Bộ nạp điện tích và que đo lấy mẫu điện tích (ES-9057B)

Bộ nguồn điện áp tĩnh điện (ES-9077)

02 quả cầu kim loại (ES-9059B) Thiết bị tụ điện biến thiên (ES-9079)

Các tấm điện môi Tụ điện 30pF

Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất

Máy tính cài phần mềm Science WorkshopR interface

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1.1 Đo điện dung của đồng hồ đo điện áp (ES-9078) và điện dung ký sinh của đầu que đo Bước 1: Nối tụ điện 30pF vào nguồn điện 1 chiều để nạp điện cho tụ Điều chỉnh điện áp của nguồn 1 chiều (nhỏ hơn 100V)

Bước 2: Sau khi nạp đầy điện tích cho tụ Lắp tụ điện 30pF vào hai đầu

que đo của đồng hồ đo điện áp Đọc và ghi lại giá trị điện áp trên đồng hồ (V ) E

Bước 3: Tính giá trị điện dung của đồng hồ đo theo công thức:

CE =

1.2 Kiểm chứng mối quan hệ giữa C, V và Q đối với tụ điện phẳng

a Do V trong điều kiện C không đổi, Q thay đổi

Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thí nghiệm Nối quả cầu kim loại với nguồn điện áp 2000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp, giữ khoảng cách đủ xa giữa quả cầu kim loại và thiết bị tụ điện phẳng

Hình 10: Sơ đồ mô phỏng quá trình kết nối các thiết bị

Bước 2: Khử điện tích dư trên đồng hồ đo điện áp và trên bản cực của tụ điện

Bước 3: Đặt khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 2cm Sử dụng que Sem đo lấy mẫu điện tích để truyền điện tích từ quả cầu kim loại sang bản cực của tụ điện bằng cách chạm que đo vào quả cầu kim loại, sau đó chạm vào 1 bản cực của tụ điện

Bước 4: Đọc và ghi lại giá trị điện áp trên đồng hồ đo sau mỗi lần chạm que đo điện tích vào bản cực của tụ điện

Bước 5: Lặp lại các bước từ 1 đến 4 nhưng với khoảng cách 2 bản cực của tụ điện là 4cm

So sánh các giá trị điện áp trong 2 lần thực hiện thí nghiệm

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Khoảng cách hai bản cực tụ điện: 2cm Khoảng cách hai bản cực tụ điện: 4cm

Lần đo Điện áp (V) Lần đo Điện áp (V)

NHẬN XÉT:

Điện áp của tụ điện tăng khi điện tích được truyền vào tụ điện tăng (V tỉ lệ thuật với

Q khi C không đổi)

b Đo Q trong điều kiện C thay đổi, V không đổi

Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thí nghiệm Giữ khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 6cm, nối 2 bản cực tụ điện với nguồn áp 2000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp

Hình 11: Sơ đồ mô phỏng quá trình kết nối các thiết bị

Bước 2: Nối đất que đo lấy mẫu điện tích và sử dụng que đo này và lồng faraday để xác định giá trị mật độ điện tích tại các vị trí khác nhau trên bản cực của tụ điện

Nhận xét sự thay đổi giá trị mật độ điện tích theo các vị trí khác nhau trên bản cực của tụ Bước 3: Thay đổi khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện, đo giá trị mật độ điện tích tại điểm giữa của bản cực của tụ tại mỗi vị trí khoảng cách 2 bản cực Nhận xét về sự thay đổi của điện tích theo giá trị điện dung của tụ

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Điện áp nguồn : 2000V

Khoảng cách giữa

hai bản tụ

NHẬN XÉT:

Giá trị mật độ điện tích ở gần mép bàn tụ lớn hơn tại tâm bản tụ, suy ra điện tích sẽ tập trung chủ yếu ở ngoài mép bản tụ

Khi khoảng cách giữa hai bản tụ càng lớn thì giá trị điện dung sẽ càng nhỏ mà điện áp nguồn không đổi dẫn đến mật độ điện tích trên mỗi bản tụ sẽ giảm đi (Q tỉ lệ thuận với C khi V không đổi)

c Do Q trong điều kiện V thay đổi, C không đổi

Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thí nghiệm Giữ khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 6cm, nối 2 bản cực tụ điện với nguồn áp 3000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp