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
Trang 1Lớp: KT Điều khiển & Tự động hoá 03 – K66
Trang 22 Cơ sở lý thuyết:
Thí nghiệm lồng Faraday cho phép giải thích hiện tượng dịch chuyển điệnvà kiểm chứng luật Gauss trong chương số 2 của giáo trình Lý thuyết trườngđiện từ Hiện tưởng dịch chuyển điện được nhà khoa học Micheal Faraday tiếnhành từ năm 1837 với 02 quả cầu đồng tâm đặt lồng vào nhau, giữa chúng cókhoảng không gian có thể điền đầy bằng dung dịch diện môi Quả cầu bêntrong tích điện dương, quả cầu bên ngoài tích được nối đất Sau một khoảngthời gian thì quả cầu bên ngoài có điện tích đúng bằng điện tích của quả cầubên trong và trái dấu.
Hiện tượng dịch chuyển điện đã được khái quát hóa bằng luật Gauss, cụ thểlà “Tổng thông lượng đi ra khỏi mặt kín bằng tổng điện tích nằm bên trongmặt kín đó” Thí nghiệm sẽ giúp sinh viên hiểu rõ hiện tượng dịch chuyển điệnvà 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
Trang 3điện tích trên các thiết bị này Kiểm tra giá trị đo trên đồng hồ đo điện áp 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)- 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 lồngFaraday Ghi lại các giá trị trên đồng hồ đo.
- Bước 4: Rút bộ nạp điện tích khỏi lồng Faraday Đọc và ghi lại giá trịđồng 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 3Đặt bộ nạp điện tích vào bên trong lồng
Trang 4Rút 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 tronglồng 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 mộtlưỡng cực, khi đó các điện tích cùng dấu với bộ nạp sẽ bị đẩy ra xa vàtheo dây nối đất đi ra ngoài qua đó lồng bị nhiễm điện trái dấu với bộnạp điện tích.
- Điện áp chênh lệnh giữa tấm lồng Faraday và tấm nền ở ngoài tại bước6 và lồng Faraday bị nhiễm điện do có sự truyền điện tích từ bộ nạp điệntích 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 điệntích trên mỗi bộ nạp tích điện Sau đó tiến hành nạp điện cho mỗi bộ nạpđiện 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 chocác bộ nạp tích điện tiếp xúc với nhau, nhưng không chạm vào lồngFaraday 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 vàghi lại giá trị điện áp trên đồng hồ đo sau mỗi lần bỏ một bộ nạp tích
4
Trang 5Trình tự Giá trị đồng hồ đo (V)Lần 1 Lần 2 Lần 3Lần 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
Trang 6Nhận xét:
- Khi lần lượt cho từng bộ nạp vào lồng ở bước 2, điện tích trên bộ nạpsinh điện thế trên lồng trong, giá trị điện tích quyết định giá trị điệnthế lồng trong hay cũng chính là giá trị hiển thị trên đồng hồ đo 2 bộnạp được nạp điện tích bằng cách ma sát, trắng sẽ mang điện tíchdương, xanh sẽ mang điện tích âm và có độ lớn bằng nhau Bởi nếucho 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 dầnxảy 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 bộnạp tích điện âm ra trước (xanh) nên điện tích còn lại trong lồng haytrên bộ nạp mang điện dương, và có độ lớn nhỏ hơn so với bước 2 dođã 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 đồnghồ đo chỉ 0.
6
Trang 7Bài 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 thíchđược 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 đolần 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 theotừng vị trí trên bề mặt của vật dẫn Đối với vật dẫn kim loại, tùy theo hìnhdáng của vật mang điện mà trên bề mặt của nó, sự phân bố điện tích sẽkhông đều, ví dụ tại các bề mặt góc nhọn, hàm mật độ điện tích mặt sẽthường 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
Trang 84 Trình tự thí nghiệm:
- Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thínghiệm Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp và lồng faraday nhằmkhử toàn bộ điện tích trên các thiết bị này.
- Bước 2: Đặt 02 quả cầu kim loại cách nhau 50cm Nối quả cầu kimloại 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 củalồng 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 bềmặt của quả cầu thứ nhất.
- Hình 2: Sơ đồ kết nối các thiết bị
- Bước 5: Di chuyển quả cầu thứ nhất đến gần quả cầu thứ 2 sao chokhoảng cách giữa chúng là 1cm Bật bộ nguồn áp tĩnh điện, tiến hànhđo và ghi lại giá trị điện tích tại cùng các vị trí đã đo trong bước 4trên bề mặt quả cầu thứ nhất.
- Bước 6: Nối đất quả cầu thứ nhất Đo và ghi lại điện tích tại cùng cácvị trí đã đo trong bước 4 trên bề mặt quả cầu thứ nhất.
8
Trang 9- Bước 7: Di chuyển quả cầu thứ nhất ra xa quả cầu thứ hai, sao chokhoảng cách giữa chúng là 50cm Đo và ghi lại điện tích tại cùng cácvị trí đã đo trong bước 4 trên bề mặt quả cầu thứ nhất.
9
Trang 10nhiều điện tích dương được nối đất nên điện tích dương theo dây đixuống đất Quả cầu 2 sẽ ngày càng tích điện âm với độ lớn lớn hơncho đến khi tương đương với trị số quả cầu 1 Vì vậy tại bước nàychỉ có quả cầu 2 biến đổi, quả cầu 1 gần như không có sự thay đổi vềđiện thế.
- Lý do khi nối đất quả cầu thứ 2 mà điện tích vẫn tồn tại trên quả cầunày: Vì như đã giải thích bên trên, quả cầu tồn tại sự phân cực, gầnquả cầu 1 có nhiều điện tích âm do hưởng ứng với quả cầu 1 tíchđiện dương, còn phía còn lại điện tích dương bị đẩy ra theo dâyxuống 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 bàithí nghiệm, giải thích được mối quan hệ giữa C, Q, V, giải thích được tính chất vậtlý của các loại vật liệu khác nhau thể hiện trong điện trường tĩnh.
Trang 11- 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 môhình tườn đương gồm một vôn kế có tổng trở lớn vô cùng mắc song song với một tụ điệnCE (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.
- Tụ điện 30pF
- Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất
11
Trang 12- Máy tính cài đặt phần mềm ScienceWorkshop interface4 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 đồnghồ đo điện áp, giữ khoảng cách đủ xa giữa quả cầu kim loại và thiết bị tụđiện phẳng.
- PBước 2: Khử điện tích dư trên đồng hồ đo điện áp và trên bản cực của tụđiện.
- Bước 3: Đặt khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 3cm Sử dụng queđo lấy mẫu điện tích để truyền điện tích từ quả cầu kim loại sang bản cựccủa tụ điện bằng cách chạm que đo vào quả cầu kim loại, sau đó chạm vào 1bản cực của tụ điện.
- Bước 4: Đọc và ghi lại giá trị điện áp trên đồng hồ đo sau mỗi lần chạm que
12
Trang 13đo 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 củatụ 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
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
Trang 14với 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 lồngfaraday để xác định giá trị mật độ điện tích tại các vị trí khác nhau trên bảncực của tụ điện Nhận xét sự thay đổi giá trị mật độ điện tích theo các vị tríkhác nhau trên bản cực của tụ.
- Bước 3: Thay đổi khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện, đo giá trị mật độđiện tích tại điểm giữa của bản cực của tụ tại mỗi vị trí khoảng cách 2 bảncực 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 độđiện tích
Tại gần mép
14
Trang 15- 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 điệnvới 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 trịđiện 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 Nhậnxét sự thay đổi điện tích trên bản cực theo giá trị điện áp của tụ.
15
Trang 16Khoảng cách giữa hai bản cực tụ điện: 6cm
Giá trị mật độđiện tích