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
Trang 1ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - EE2031Kỳ học: 20221
BUỔI 3: THÍ NGHIỆM LỒNG FARADAY – HIỆNTƯỢNG 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
Trang 2BÀI 1 THÍ NGHIỆM LỒNG FARADAY – HIỆNTƯỢNG 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 dịchchuyển điện và kiểm chứng luật Gauss trong chương số 2 của giáotrình Lý thuyết trường điện tử Hiện tượng dịch chuyển điện đượcnhà khoa học Micheal Faraday tiến hành từ năm 1837 với 02 quảcầu đồng tâm đặt lồng vào nhau, giữa chúng có khoảng không giancó thể điền đầy bằng dung dịch diện môi Quả cầu bên trong tíchđiện 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 củaquả cầu bên trong và trái dấu
- Hiện tượng dịch chuyển điện đã được khái quát hóa bằng luậtGauss, cụ thể là “Tổng thông lượng đi ra khỏi mặt kín bằng tổngđiện tích nằm bên trong mặt kín đó” Thí nghiệm sẽ giúp sinh viênhiểu rõ hiện tượng dịch chuyển điện và kiểm chứng lại luật Gausstrong 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 dotiếp xúc.
a, Các bước tiến hành
Trang 3- 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 faradaynhằm khử toàn bộ điện tích trên các thiết bị này Kiểm tra giá trị đotrên đồng hồ đo điện áp Số chỉ đồng số đó phải bằng 0 để đảm bảolồng faraday không có điện tích.
- Bước 2: Đặt điện áp ban đầu với giá trị 100V, sau đó giảm dần (nếucần thiết)
- Bước 3: Đặt bộ nạp điện tích (đóng vai trò là vật mang điện) vàobên trong lồng Faraday Lưu ý không cho bộ nạp điện tích chạm vàolồng 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 trịđồng hồ đo
- Bước 5: Đặt bộ nạp điện tích vào bên trong và chạm vào lồngFaraday.
- Bước 6: Rút bộ nạp điện tích khỏi lồng Faraday Đọc và ghi lại giá trịđồng hồ đo lúc này.
b, Kết quả thí nghiệm
Lần đo Không chạm Rút bộ nạp lần 1 Chạm Rút bộ nạp lần 2
Trang 4Giải thích điện áp chênh lệch giữa tấm lồng Faraday và tấm nền ởngoài 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 truyềnđiện tích từ bộ nạp điện tích sang lồng Faraday khi cho bộ nạp tiếp xúc với lồng.
1.2 Bảo toàn điện tícha, Các bước tiến hành
- Bước 1: Cọ xát 02 bộ nạp tích điện vào nhau nhằm loại bỏ hoàntoàn điện tích trên mỗi bộ nạp tích điện Sau đó tiến hành nạp điệncho 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 lồngFaraday, Đọc và ghi lại giá trị (độ lớn và dấu) điện áp trên đồng hồđo
- Bước 3: Nối đất các bộ nạp tích điện
Trang 5- Bước 4: Đặt cả 02 bộ nạp tích điện vào bên trong lồng Faraday saocho các bộ nạp tích điện tiếp xúc với nhau, nhưng không chạm vàolồng 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 Đọcvà ghi lại giá trị điện áp trên đồng hồ đo sau mỗi lần bỏ một bộ nạptích điện.
b, Kết quả thí nghiệm
Trình tự
Giá trị đồng hồ đo (V)Lần 1 Lần 2 Lần 3Lần lượt cho từng bộ nạp vào
lồng (trắng trước, xanh sau) 23 -24 32 -37 25 -30Đặt cả 2 bộ nạp vào lồng -1 -8 -4Bỏ lần lượt từng bộ nạp ra
khỏi lồng (trắng trước, xanh
Trang 6hòa dẫn đến độ lớn điện tích tổng cộng giảm.
Đánh giá, nhận xét định luật bảo toàn điện tích trong thí nghiệmnày.
- 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 lạitrong 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 nghiệmtrên 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 chấtvật lý của các loại vật liệu khác nhau thể hiện trong điện trườngtĩnh
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
Trang 7+ : hằng số điện môi của chất điện môi
- Nếu có N tụ điện mắc song song với nhau, giá trị điện dung tươngđương được tính theo công thức:
= +++…+
- Lưu ý: Trong các thí nghiệm đo điện dung của tụ điện, đồng hồ đođiện áp sẽ có mô hình tương đương gồm một vôn kế có tổng trở lớnvô cùng mắc song song với một tụ điện ( là điện dung bên trongcủa đồng hồ đo (25pF)) và điện dung ký sinh của đầu que đo) (xemhình 9) Do giá trị điện dung rất nhỏ hơn so với giá trị của tụ điệncần 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
Trang 8- 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 điệnphẳng
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 thínghiệm 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 giữaquả cầu kim loại và thiết bị tụ điện phẳng
- Bước 2: Khử điện tích dư trên đồng hồ đo điện áp và trên bản cựccủa tụ điện
- Bước 3: Đặt khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 3 cm Sửdụng que đo lấy mẫu điện tích để truyền điện tích từ quả cầu kimloại sang bản cực của tụ điện bằng cách chạm que đo vào quả cầukim 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 lầnchạm que đo điện tích vào bản cực của tụ điện
Lần 1 2 3 4 5 6 7 8 9 103c
m 1122
99
Trang 9Bước 5: Lặp lại các bước từ 1 đến 4 nhưng với khoảng cách 2 bảncực của tụ điện là 6cm.
Lần 1 2 3 4 5 6 7 8 9 106c
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 thínghiệm Giữ khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 6cm, nối2 bản cực tụ điện với nguồn áp 2000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất chođồng hồ đo điện áp.
- Bước 2: Nối đất que đo lấy mẫu điện tích và sử dụng que đo này vàlồng Faraday để xác định giá trị mật độ điện tích tại các vị trí khácnhau trên bản cực của tụ điện.
Vị trí Lần 1 Lần 2Giá trị đồng hồ đo (V)Lần 3 Lần 4 Lần 5Tâm 15 16 14 16 17
Rìa 10 11 10 10 12
Trang 10Nhận xét sự thay đổi giá trị mật độ điện tích theo các vị trí khácnhau 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 trịmật độ điện tích tại điểm giữa của bản cực của tụ tại mỗi vị tríkhoảng cách 2 bản cực
Vị trí Giá trị đồng hồ đo (V)
d=3cm d=4cm d=5cm d=7cm d=8cmTâm 31 23 18 12 10
Nhận xét về sự thay đổi của điện tích theo giá trị điện dung củatụ
- 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 thínghiệm Giữ khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 6cm, nối2 bản cực tụ điện với nguồn áp 3000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất chođồng hồ đo điện áp.
Trang 11- Bước 2: Giữ nguyên khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện Thayđổi 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 củatụ
Giá trị điện áp 3000V 2000V 1000VGiá trị đồng hồ đo (V) 60 45 21
Nhận xét sự thay đổi điện tích trên bản cực theo giá trị điện ápcủa 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 thínghiệm.
Trang 12-Bước 2: Đặt khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ là 1cm Nối tụ điệnvào 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 8Giá trị đồng hồ đo
Nhận xét sự thay đổi điện áp theo giá trị điện dung của tụ.- Điện áp tỉ lệ nghịch với giá trị điện dung.