báo cáo thí nghiệm trường điện từ ee2031 thí nghiệm lồng faraday hiện tượng tạo điện tích

BÀI 1: THÍ NGHIỆM LỒNG FARADAY - HIỆN TƯỢNG TẠO ĐIỆN TÍCHI.MỤC TIÊUKhi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên biết cách thực hiện và xác địnhđược mối quan hệ giữa điện tích cảm ứn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - EE2031

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Thực Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Tú

S

Mã lớp thí nghiệm: 712477

Hà Nội, 3/2022

BÀI 1: THÍ NGHIỆM LỒNG FARADAY - HIỆN TƯỢNG TẠO ĐIỆN TÍCH

I.MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên biết cách thực hiện và xác định được mối 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 II.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

III.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 tiếp đất

IV.TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

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 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 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

2 Bảo toàn điện tích

- Bước 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

V KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:

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

Trình tự Giá trị đồng hồ đo (V)

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4

• Nhận xét:

-Khi đưa bộ nạp đã được tích điện vào lồng Faraday, do lồng được nối đất

có điện thế bằng 0 nên có sự chênh lệch điện thế ở lồng trong của thiết bị

Từ đó ta đo được giá trị bước 3 như trong bảng

-Khi rút bộ nạp ra mất đi điện tích, không có sự chênh lệch điện thế, kết quả

đo ở bước 4

-Đến bước 5, đưa bộ nạp chạm vào lồng, điện tích từ bộ nạp truyền sang lồng trong của thiết bị, khi đưa bộ nạp ra khỏi lồng ở bước 6, do lồng bị nhiễm điện nên đồng đồ vẫn hiện thị giá trị đo

• Giải thích:

-Lý do đo được giá trị khác không khi đặt bộ nạp điện tích vào trong lồng Faraday tại bước 3: Khi bộ nạp điện tích được tích điện, điện tích đấy sinh ra

1 hiệu điện thế giữa lồng trong và lồng ngoài, từ đó máy đo hiển thị giá trị khác 0

-Giải thích điện áp chênh lệch tại bước 6 và lý do lồng Faraday nhiễm điện:

Có hiện tượng điện áp chênh lệch tại bước 6 vì đã có điện thế được sinh ra bởi điện tích trên lồng trong thiết bị, Lồng bị nhiễm điện hay được truyển điện tích do bước 5 ta đã cho bộ nạp chạm vào trong lồng

2 Bảo toàn điện tích

Lần đo Đưa bộ Đưa bộ Đưa cả 2 Đưa 1 bộ Đưa bộ

nạp điện nạp điện bộ nạp nạp điện nạp điện tích dương tích âm vào tích ra tích còn

ngoài

• Nhận xét:

-2 bộ nạp được nạp điện tích bằng cách ma sát, trắng sẽ mang điện tích dương, xanh sẽ mang điện tích âm, do chất lượng thiết bị nên độ lớn điện tích trên 2 bộ nạp có thể khác nhau

-Đặt cả 2 bộ nạp vào lồng khi đang tiếp xúc nhau, 2 bộ nạp sẽ dần dần xảy

ra sự trung hòa về điện

-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 3: THÍ NGHIỆM VỀ ĐIỆN DUNG VÀ ĐIỆN MÔI

I.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

II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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

ɛ

=

Trong đó:

- C: điện dung của tụ điện phẳng

- A: tiết diện của tấm bản cực kim loại

- d: khoảng cách giữa 2 bản cực

- ɛ: 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:

CTĐ=C +C +C +…+C1 2 3 N

Hình 2: 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 C (C là điện dung bên trong của đồng hồ đo (25pF)) và điện dung kýE E

sinh của đầu que đo) (xem Hình 2) Do giá trị điện dung C rất nhỏ hơn so với E

giá trị của tụ điện cần đo trong thí nghiệm nên có thể bỏ qua

III.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

- Máy tính cài phần mềm ScienceWorkshop interfaceR

IV.TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

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

a 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 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 3: 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 4cm 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

đo điện tích vào bản cực của tụ điện

• Kết quả thực nghiệm:

Lần chạm Giá trị(V)

• Nhận xét: Trong điều kiện C không đổi, U thay đổi tỉ lệ thuận với Q

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 3cm, nối 2 bản cực tụ điện với nguồn áp 2000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp

Hình 4: 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 thành 5cm, 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:

Khoảng cách 2 bản tụ Giá trị mật độ điện tích Giá trị mật độ điện tích

tại viền tại tâm

• Nhận xét:

- Giá trị mật độ điện tích tăng khi khoảng cách giữa vị trí lấy mẫu tới tâm bản cực tăng

- Trong trường hợp V không đổi, C thay đổi thì Q cũng thay đổi

c 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 cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 3cm, nối 2 bản cực tụ điện với nguồn áp 3000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp

Hình 5: Sơ đồ mô phỏng quá trình kết nối các thiết bị

- 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

• Kết quả thí nghiệm:

Hiệu điện

Giá trị

điện tích

iều kiện C không đổi,

V không đổi thì

Q thay đổi

tỉ lệ thuận với

V

d Đo V trong điều kiện C thay đổi, Q không đổi.

- Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thí nghiệm

Hình 6: Sơ đồ mô phỏng quá trình kết nối các thiết bị

- Bước 2: Đặt khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ là 2mm Nối tụ điện vào nguồn áp 1 chiều với giá trị điện áp 30V

- Bước 3: Thay đổi khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ Đọc và ghi lại giá trị trên đồng hồ đo với mỗi giá trị khoảng cách Nhận xét sự thay đổi điện áp theo giá trị điện dung của tụ

•

•

Kết quả thí nghiệm:

Khoảng cách(cm) 1 2 3 4

Nhận xét:

Trong điều

kiện Q

không đổi, hiệu điện thế U tỉ lệ thuận với

khoảng

cách giữa

hai bản

cực của tụ điện