thí nghiệm lồng faraday hiện tượng tạo điện tích và thí nghiệm về điện dung và điện môi bài 1 3

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM- 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

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - EE2031

Kỳ học: 20221

BUỔI 3: THÍ NGHIỆM LỒNG FARADAY – HIỆN TƯỢNG TẠO ĐIỆN TÍCH VÀ THÍ NGHIỆM VỀ ĐIỆN

DUNG VÀ ĐIỆN MÔI (BÀI 1+3)

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Thực

Sinh viên thực hiện: An Ngọc Hà MSSV: 20212781

Mã lớp thí nghiệm:

Lớp: EE2 - 10 - K66

Hà Nội – 2/2023

BÀI 1 THÍ NGHIỆM LỒNG FARADAY – HIỆN

TƯỢNG TẠO ĐIỆN TÍCH

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

- 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 tử Hiện tượng 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

III KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

* 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

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

a, Các bước tiến hành

- 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 số đó phải bằng 0 để đảm bảo lồng faraday không có điện tích

- 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

b, Kết quả thí nghiệm

Lần đo Không chạm Rút bộ nạp lần 1 Chạm Rút bộ nạp lần 2

1 19 0 15 15

c, Câu hỏi

Giải thích đồng hồ đo cho giá trị khác không khi đặt bộ nạp điện

tích vào bên trong lồng Faraday tại bước 3:

- 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

Giải thích điện áp chênh lệch giữa tấm lồng Faraday và tấm nền ở

ngoài tại

bước 6 Vì sao lồng Faraday bị nhiễm điện

- 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

a, Các bước tiến hành

- 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

b, Kết quả thí nghiệm

Trình tự

Giá trị đồng hồ đo (V) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần lượt cho từng bộ nạp vào

lồng (trắng trước, xanh sau) 23 -24 32 -37 25 -30 Đặt cả 2 bộ nạp vào lồng -1 -8 -4

Bỏ lần lượt từng bộ nạp ra

khỏi lồng (trắng trước, xanh

sau) -10 0 -18 0 -12 0

c, Câu hỏi

Giải thích mối quan hệ giá trị độ lớn, dấu của điện tích trong thí

nghiệm

- 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.

Đánh giá, nhận xét định luật bảo toàn điện tích trong thí nghiệm

này

- Bỏ lần lượt từng bộ nạp ra cụ thể là trắng trước xanh sau Do

bỏ bộ nạp tích điện dương ra trước (trắng) nên điện tích còn lại trong lồng hay trên bộ nạp mang điện âm, 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 xanh 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 ĐÍCH THÍ NGHIỆM

- 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:

C =

- 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

+ : 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 tương đương gồm một vôn kế có tổng trở lớn

vô cùng mắc song song với một tụ điện ( 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 rất nhỏ hơn so với giá trị của tụ điện cần đo trong thí nghiệm nên có thể bỏ qua

III KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

* 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 biển thiên (ES-9079)

- Các tẩm điện môi

- Tụ điện 30pF

- Đầu kẹp thí nghiệm, dây nổi tiếp đất

- Máy tính cài phần mềm interface

1.2 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

- 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 3 cm 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

Lần 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3c

m 11

2 2

3 5

4 6

5 3

6 2

6 9

7 8

8 8 9 9

Bước 5: Lặp lại các bước từ 1 đến 4 nhưng với khoảng cách 2 bản cực của tụ điện là 6cm

Lần 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

6c

m 13 24 37 47 54 61 68 76 87 99

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

- Khi ta tăng điện tích Q cho tụ thì hiệu điện thế U giữa hai bản

tụ cũng tăng

- Suy ra mối quan hệ giữa Q và U là tuyến tính, U 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 6cm, nối

2 bản cực tụ điện 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

Vị trí Lần 1 Lần 2Giá trị đồng hồ đo (V)Lần 3 Lần 4 Lần 5 Tâm 15 16 14 16 17 Rìa 10 11 10 10 12

Nhận xét sự thay đổi giá trị mật độ điện tích theo các vị trí khác

nhau trên bản cực của tụ

- Điện tích trên bản tụ phẳng tập trung ở rìa, càng xa tâm càng nhiều điện tích

- 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

Vị trí Giá trị đồng hồ đo (V)

d=3cm d=4cm d=5cm d=7cm d=8cm Tâm 31 23 18 12 10

Nhận xét về sự thay đổi của điện tích theo giá trị điện dung của

tụ

- Do C tỉ lệ nghịch với d (C = ) nên khi d tăng thì C giảm, mà theo số liệu

thì Q cũng giảm Suy ra C và Q có mối quan hệ tuyến tính, C tỉ

lệ thuận với Q

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 6cm, nối

2 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

Giá trị điện áp 3000V 2000V 1000V Giá trị đồng hồ đo (V) 60 45 21

Nhận xét sự thay đổi điện tích trên bản cực theo giá trị điện áp

của tụ

- V và Q có mối quan hệ tuyến tính Q 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

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

-Bước 3: Thay đổi khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ cho đến 8cm Đọc và ghi lại giá trị trên đồng hồ đo với mỗi giá trị khoảng cách

Khoảng cách (cm) 1 2 3 4 5 6 7 8

Giá trị đồng hồ đo

(V)

1 0

1 8

2 9

3 5

4 6

5 7

6 4

7 9

Nhận xét sự thay đổi điện áp theo giá trị điện dung của tụ

- Điện áp tỉ lệ nghịch với giá trị điện dung