báo cáo thí nghiệm môn trường điện từ

- Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đấtHình 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

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trường Điện- Điện tử

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

Một dây dẫn mang dòng điện và một từ trường có lực tương tác lẫn nhau Nếu sợi dây thẳng và từ trường đều thì lực từ này được tính theo tích hữu hướng:

Fm = ILB

cường độ từ cảm (hay còn gọi là cảm ứng từ) Độ lớn của lực này được tính theo:

- Nguồn một chiều có khả năng cấp dòng tới 5A

- Ămpe kế một chiều có thể đo dòng tới 5A

Bước 2: Tăng dòng điện lên 0,5 A Xác định khối lượng mới của tổ hợp nam châm –

bộ đỡ Ghi kết quả vào cột Khối lượng trong Bảng 1

Bước 3: Trừ khối lượng của tổ hợp khi có dòng với khối lượng của tổ hợp khi không

có dòng Ghi kết quả vào cột Lực trong Bảng 1

Bước 4: Tăng dòng từ 0,5 A lên tối đa 5 A, mỗi lần có dòng điện mới thì thức hiện các bước từ 2 – 3

nhau

vậy lực tỉ lê nthuận với dòng điên

BÀI 2 QUAN HỆ GIỮA LỰC TỪ VÀ CHIỀU DÀI CỦA DÂY

DẪN MANG DÒNG ĐIỆN

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ hiểu quan hệ tuyến tính giữa lực từ

và chiều dài của dây dẫn mang dòng điện

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

Một dây dẫn mang dòng điện và một từ trường có lực tương tác lẫn nhau Nếu sợi dây thẳng và từ trường đều thì lực từ này được tính theo tích hữu hướng:

Fm = ILB

cường độ từ cảm (hay còn gọi là cảm ứng từ) Độ lớn của lực này được tính theo:

sợi dây mang dòng điện

- Nguồn một chiều có khả năng cấp dòng tới 5A

- Ămpe kế một chiều có thể đo dòng tới 5A

- Cân có khả năng đo lực với độ chính xác lên tới 0,01g khối lượng tương đương.

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

- Lắp đặt và bố trí thiết bị như Hình 2.

Hình 2Bước 1: Xác định chiều dài của lá dây dẫn Ghi kết quả vào cột Chiều dài trong Bảng 2

Bước 2: Khi không có dòng điện,xác định khối lượng của tổ hợp nam châm – bộ đỡ Ghi kết quả vào góc trên bên trái Bảng 2

Bước 3: Tăng dòng điện lên 2 A Xác định khối lượng mới của tổ hợp nam châm – bộ

đỡ Ghi giá trị này vào cột “Khối lượng” của Bảng 2

Bước 4: Trừ khối lượng của tổ hợp khi có dòng với khối lượng của tổ hợp khi không

có dòng Ghi kết quả vào cột Lực trong Bảng 2

Bước 5: Tắt dòng điện.Thay lá dây dẫn khác Lặp lại các bước từ 1 – 4

- Lực từ do được từ thực nghiêmn có kết quả gần đúng với tính toán lý thuyết, môt nsố

sai sai số ảnh hưởng đến kết qủa đo như sai số dụng cụ, sai số hê nthống

Chứng tỏ, mối quan hê ngiữa lực từ và chiều dài dây dẫn là tuyến tính tức Fm tỷ lê nthuận với L

- Đô n lớn của lực này được tính theo:

Fm ILBsinθ =

với θ là góc nhỏ hơn giữa từ trường và dây dẫn

nhau Chiều dài dây dẫn càng dài thì lực tương tác với nam châm càng mạnh, và lực F sẽ mạnh Vì vậy lực tỉ lê nthuận với chiều dài dây dẫn

BÀI 4 QUAN HỆ GIỮA LỰC TỪ VÀ GÓC

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ hiểu quan hệ tuyến tính giữa lực từ

và gócgiữa từ trường và dây dẫn

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

Một dây dẫn mang dòng điện và một từ trường có lực tương tác lẫn nhau Nếu sợi dây thẳng và từ trường đều thì lực từ này được tính theo tích hữu hướng:

Fm = ILB

cường độ từ cảm (hay còn gọi là cảm ứng từ) Độ lớn của lực này được tính theo:

- Nguồn một chiều có khả năng cấp dòng tới 5A

- Ămpe kế một chiều có thể đo dòng tới 5A

- Cân có khả năng đo lực với độ chính xác lên tới 0,01g khối lượng tương đương

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

- Lắp đặt và bố trí thiết bị như Hình 2

Hình 2Bước 1: Khi không có dòng điện, xác định khối lượng của tổ hợp nam châm – bộ đỡ.Ghi kết quả vào Bảng 4

điện lên 1 A Xác định khối lượng mới của tổ hợp nam châm – bộ đỡ Ghi giá trị thu được vào cột Khối lượng trong Bảng 4

Bước 3: Trừ khối lượng của tổ hợp khi có dòng với khối lượng của tổ hợp khi không có dòng Ghi kết quả vào cột Lực trong Bảng 3

90 71.55 0.63 -90 70.31 -0.61

Nhận xét:

số

sai sai số ảnh hưởng đến kết qủa đo như sai số dụng cụ, sai số hê nthống

- Từ đồ thị, đường thực nghiệm gần đúng với đường hàm sin Chứng tỏ, mối quan hệ giữa lực từ Fm và góc giữa từ trường và dây dẫn là không tuyến tính

- Đô n lớn của lực này được tính theo:

Fm = ILBsinθ với θ là góc nhỏ hơn giữa từ trường và dây dẫn

lẫn nhau Góc giữa dây dẫn và từ trường càng lớn dẫn đến sinθ càng lớn thì lực tương tác với nam châm càng mạnh, và lực F sẽ mạnh

- Góc 90° thì lực lớn nhất còn góc -90° thì lực nhỏ nhất

Buổi 2

LAPLACE DẠNG SAI PHÂN BẰNG MATLAB.

1- POISSON: Giải thích 5 kết quả ở các toạ độ V(i,j) khác nhau.

Phương trình Poisson:

∆V=-ρ/ε

Đưa về dạng sai phân trong chương trình:

V(i, j) = (1/4)*( V(i+1, j)+V(1-1,j)+V(i, j+1)+V(i, j-1))+ rotd*h*h/4

Nhận xét : Các giá trị điện thế ban đầu V0=0 hay V0~=0 tại các nút điện thế thì

sau hữu hạn các bước lặp tại các nút V(i,j)~=0 với mọi điểm bên trong biên củakhông gian

Từ việc gọi hàm bằng lệnh V=POISSON(m,n,h,rotd,delta,V0) ta có:

Tổng quát : Các lệnh V(m1:m2, n1:n2) cho ta biết được vùng giá trị của điện thếtrong từ hàng “m1” đến hàng “ m2 ” và từ cột “n1” đến cột “ n2” trong phân bốđiện thế của toàn vùng

Vùng 1:V(1:7,1:5)

Vùng 2:V(1:7,1:9)

Vùng 3:V(1:7,6:9)

Vùng 4:V(3:5,2:6)

Vùng 5:V(1:7,2:8)

2-LAPLACE:

(1) Khi = 0 , miền phẳng hình chữ nhật ABCD là một mặt đẳng thế có điện

thế V=0

Từ kết quả thực hành của phương trình LAPLACE :

Ta có phương trình Laplace : ∆ = 0 đưa về dạng sai phân

có: V(i, j) = (1/4)*( V(i+1, j)+V(1-1, j)+V(i,

j+1)+V(i, j-1))

Do ban đầu , điều kiện biên bên trong và bên ngoài đều có V0=0(V) với mọiV(i,j) nên khi giải phương trình Laplace của điện trường tĩnh dưới dạng sai phânbằng phương pháp tính lặp thì V(i, j)=0 dù lặp vô số lần

(2) Phương trình Laplace ∆ = 0 muốn có nghiệm V(i, j)~=0 thì phải thay đổi

điều kiện ban đầu V0~=0 ở bên trong biên và V0=0 ở bên ngoài biên.

-Giữ nguyên điên thế ngoài biên V0=0.

-Thay đổi điện thế bên trong biên V0~=0 (V0=1000V)

Ví dụ: V = laplace(n,m,h,delta,V0)

Buổi 3

BÀI 1: THÍ NGHIỆM LỒNG FARADAY

HIỆN TƯỢNG TẠO ĐIỆN TÍCH

A MỤC TIÊU -

Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên biết cách thực hiện và xác địnhđược mối quan hệ giữa điện tích cảm ứng trên lồng Faraday với điện tích trên vậtmang điện đặt trong lồng, nghiệm chứng quy luật phân bố thông qua thực nghiệm

B - CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thí nghiệm lồng Faraday cho phép giải thích hiện tượng dịch chuyển điện và kiểmchứng luật Gauss trong chương số 2 của giáo trình Lý thuyết trường điện từ Hiệntưởng dịch chuyển điện được nhà khoa học Micheal Faraday tiến hành từ năm 1837với 02 quả cầu đồng tâm đặt lồng vào nhau, giữa chúng có khoảng không gian có thểđiền đầy bằng dung dịch diện môi Quả cầu bên trong tích điện dương, quả cầu bênngoài tích được nối đất Sau một khoảng thời gian thì quả cầu bên ngoài có điện tíchđúng 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 “Tổngthông lượng đi ra khỏi mặt kín bằng tổng điện tích nằm bên trong mặt kín đó” Thínghiệm sẽ giúp sinh viên hiểu rõ hiện tượng dịch chuyển điện và kiểm chứng lại luậtGauss trong điện trường tĩnh

- Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất

D TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM -

1.1 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 điệntích trên các thiết bị này Kiểm tra giá trị đo trên đồng hồ đo điện áp Số chỉđồng 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 tronglồng Faraday Lưu ý không cho bộ nạp điện tích chạm vào lồng Faraday Ghilại các giá trị trên đồng hồ đo

- Bước 4: Rút bộ nạp điện tích khỏi lồng Faraday Đọc và ghi lại giá trị đồng hồđo

- 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

1.2 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 bộnạp tích điện tiếp xúc với nhau, nhưng không chạm vào lồng Faraday Đọc vàghi 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 lạigiá trị điện áp trên đồng hồ đo sau mỗi lần bỏ một bộ nạp tích điện

E – KẾT QUẢ ĐO, ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT

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

Từ bảng số liệu đo được ta thấy :

- Khi bộ nạp được đưa vào mang điện tích đã sinh ra điện thế ở lồng trong của thiết

bị Từ đó ta đo được giá trị 4 lần bước 3 như bảng

- Khi rút bộ nạp ra mất đi điện tích, điện thế lồng trong bằng 0, phù hợp với kết

quả đo ở bước 4.

- Đến bước 5, đưa bộ nạp trở lại và chạm vào lồng, điện tích từ bộ nạp truyền gần như toàn bộ sang lồng trong của thiết bị, ta đo được giá trị điện thế xấp xỉ bằng với bước 3

- Khi rút bộ nạp ra khỏi lồng ở bước 6, giá trị trên đồng hồ gần như không đổi vì độ lớn điện tích trên lồng trong tương đương với điện tích trên bộ nạp trước đó nên sinh

ra một điện thế tương đương

Lý do đo được giá trị khác không khi đặt bộ nạp điện tích vào trong lồng

Faraday tại bước 3:

- Bộ nạp điện tích được tích điện hay chưa điện tích, điện tích đấy sinh ra 1 điện thế

ở lồng trong sinh ra 1 hiệu điện thế giữa lồng trong 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

5

-4

9

4

-4

- Khi lần lượt cho từng bộ nạp vào lồng ở bước 2, điện tích trên bộ nạp sinh điện thếtrên 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 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

- 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:

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

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

điện cần đo trong thí nghiệm nên có thể bỏ qua

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

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1.1 Đo điện dung của đồng hồ đo điện áp (ES-9078) và điện dung ký sinh của

đầu que đo

- Bước 1: Nối tụ điện 30pF vào nguồn điện 1 chiều để nạp điện cho tụ Điều

chỉnh điện áp của nguồn 1 chiều (nhỏ hơn 100V)

- Bước 2: Sau khi nạp đầy điện tích cho tụ Lắp tụ điện 30pF vào hai đầu que đo

- Bước 3: Tính giá trị điện dung của đồng hồ đo theo công thức:

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

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 (2mm) Sử dụng

que đo 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

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 (4mm) So sánh các giá trị điện áp trong 2 lần thực hiện thí nghiệm

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 điệnvới 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 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 cựccủa 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 trịđiện dung của tụ

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 điệnvới 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

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.