báo cáo thí nghiệm trường điện từ ee2031 bài thí nghiệm số 3

Sốchỉ đồng hồ đo phải bằng 0 để đảm bảo lồng faraday không có điện tích.Hình 1: 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- B

Kỳ h c : 2022.2 ọ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

-BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - EE2031

Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN VĂN THỰC Sinh viên thực hiện: NGÔ vĂN SANG MSSV: 20212946

Lớp: KT Điều khiển & Tự động hoá 03 – K66

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 3

Bài 1: Thí nghiệm lồng Faraday – Hiện tượng tạo điện tích

1 Mục tiêu:

Xác định được mỗi 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

2 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 tượng 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

3 Các thiết bị sử dụng:

- Đồng hồ đo điện áp (ES-9078)

- Lồng Faraday (ES-9042A)

- Bộ nạp điện tích (ES-9057B)

- Que đo lấy mẫu điện tích (nếu có)

- Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối đất

4 Trình tự và kết quả thí nghiệm:

a 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

2

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 1: 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 điệnt ích 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

Trình tự Giá trị đồng hồ đo (V)

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Đặt bộ nạp điện tích vào bên trong lồng

Đặt bộ nạp điện tích vào bên trong và chạm

3

Rút bộ nạp ra khỏi lồng 10 14 27

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

b Bảo toàn điện tích:

- Bước 1: Cọ xát 2 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

4

Trình tự Giá trị đồng hồ đo (V)

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần lượt cho từng bộ nạp vào lồng

(Xanh trước, trắng sau) -15 14 -44 41 -38 36

Bỏ lần lượt từng bộ nạp ra khỏi lồng

(Xanh trước, trắng sau) 14 0 32 -1 37 1

5

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 xanh trước, trắng 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

6

Bài 2: Thí nghiệm về dạng phân bố các điện tích

1 Mục tiêu:

Biết các tiến hành 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 thể

2 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 Nếu sự phân bố điện tíchρS

trên bề mặt là không đều thì hàm mật độ điện tích mặt ρSsẽ 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

3 Thiết bị cần sử dụng:

- Đồng hồ đo điện áp (ES-9078)

- Bộ nguồn điện áp tĩnh điện (ES-9077)

- 02 quả cầu kim loại (ES-9059B)

- Lồng Faraday (ES-9042A)

- Que đo lấy mẫu điện tích

- Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất

7

4 Trình tự 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 quả cầu thứ nhất

o

- Hình 2: 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 1cm 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: Nối 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

8

- 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

5 Kết quả thí nghiệm:

Thí nghiệm với hai quả cầu kim loại:

Khoảng cách giữa hai quả

cầu (cm) 1 cm 50 cm 1 cm 50 cm 1 cm 50 cm Điện áp quả cầu 1 tích điện

Điện áp quả cầu 2 nối đất

Nhận xét:

- Do vật có dạng hình cầu nên điện tích trên mọi vị trí trên quả cầu 1 là như nhau

- Khi đưa quả cầu 2 lại gần quả cầu 1: 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

9

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

- 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

Bài 3: Thí nghiệm về điện dung và điện môi

1 Mục tiêu:

Biết cách 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

2 Cơ sở lý thuyết:

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

Trong đó:

- C: điện dung của tụ điện phẳng

- A: tiết diện của tấm bản cực kim loại

10

- d: khoảng cách giữa hai bản cực

- ε: 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:

Lưu ý: trong các thí nghiệm đo điện dung của tụ điện, đồng hồ đo điện áp sẽ có mô hình tườn đương gồm một vôn kế có tổng trở lớn vô cùng mắc song song với một tụ điện

CE (C là điện dung bên trong của đồng hồ đo (25pF)) và điện dung ký sinh của đầu queE

đo) (xem hình 9) Do giá trị điện dung C rất nhỏ hơn so với giá trị của tụ điện cần đoE

trong thí nghiệm nên có thể bỏ qua

3 Các thiết bị sử dụng:

- Đồng hồ đo điện áp (ES-9078)

- Lồng 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

11

- Máy tính cài đặt phần mềm ScienceWorkshop interface

4 Trình tự và kết quả thí nghiệm:

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

Đo 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 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

- PBước 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 3cm Sử dụng que

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

12

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 6cm So sánh các giá trị điện áp trong 2 lần thực hiện thí nghiệm

Điện áp nguồn: 2000V

Khoảng cách hai bản cực tụ điện:

3cm Khoảng cách hai bản cực tụ điện:6cm

Nhận xét:

- Khi ta tăng điện tích Q cho tụ thì hiệu điện thế U giữa hai bản tụ cũng tăng (Q tỉ lệ thuận với U theo quan hệ tuyến tính khi C không đổi)

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 các giữa 2 bản tụ của tụ điện bằng 6cm, nối hai bản cực tụ điện

13

với nguồn áp 2000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp.

- 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

Điện áp nguồn: 2000V

Khoảng cách giữa hai bản

Giá trị mật độ

điện tích

Tại gần mép

14

Nhận xét:

- Giá trị mật độ điện tích ở gần mép bản tủ 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 theo quan hệ tuyến tính khi V không đổi)

Đo 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 các giữa 2 bản tụ của tụ điện bằng 6cm, nối hai bản cực tụ điện với nguồn áp 3000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp

- Bước 2 Giữ nguyên khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện Thay đổi giá trị điện áp đặt vào 2 bản cực của tụ từ 3000V (1 chiều) xuống 2000V (1 chiều), 1000V (1 chiều)

- Bước 3: Đo giá trị mật độ điện tích tại điểm giữa của bản cực của tụ Nhận xét sự thay đổi điện tích trên bản cực theo giá trị điện áp của tụ

15

Khoảng cách giữa hai bản cực tụ điện: 6cm

Giá trị mật độ

điện tích

Tại gần mép

Nhận xét:

- Khi điện áp của nguồn tăng mà khoảng cách giữa hai bản tụ không đổi điều

đó dẫn đến mật độ điện tích trên mỗi bản tụ tăng lên

(Q tỉ lệ thuận với V theo quan hệ tuyến tính khi C không đổi)

16