Báo cáo thực hành vật lý Đại cương 2

- Khao sát sự phụ thuộc của suất điện động cảm ứng U xuất hiện cuộn cảm đặt trong từ trường B vảo: e - Tiết diện cuộn cảm A s Số vòng dây N: s _ Biến thiên của cả ứng từ B theo thời gi

ĐẠI HỌC QUOC GIA HA NO!

TRUONG DAI HOC KHOA HOC TỰ NHIÊN

LICH THUC HANH: SANG THU 4 TIET 1-4

HA NOI, NAM 2021

BÀI 1: SÓNG ĐỨNG TREN DAY LECHER

1 Mục đích

se Tao sóng đứng trên dây Lecher với các trường hợp:

o Đầu cuối của dây Lecher đoản mạch

o Đầu cuối của dâyLecher để hở

o_ Đầu cuối của dây Lecher mắc với một điện trở

* - Xác định bước sóng À

2 Cơ sở lý thuyêt

Năm 1890, E Lecher đưa ra thí nghiệm về sự lan truyền của sóng

điện từ trên hai dây dẫn tiết diện tròn đặt Song song với nhau (dây Lecher)

Dây Lecher được dùng rộng rãi để truyền sóng điện từ từ nơi phát đến nơi

thu, hoặc từ máy phát sóng điện từ tới các bức xạ sóng (anten)

Lý thuyết và thực nghiệm đều chứng tỏ rangnéu khoang cách b giữa hai dây dẫn của dây Lecher là nhỏ so với bước sóng của sóng điện từ, thì

sóng điện từ có thể lan truyền dọc theo dây Lecher với vận tốc bằng:

£ và ụÒ lần lượt là hằng số điện môi và từ môi tương đối của môi trường xung

quanh Nếu môi trường xung quanh là không khi thi v = c

Khi sóng lan truyền trên dây Lecher rất dài, được coi là vô hạn, thì sóng phản xạ từ các đầu cuối của dây nhỏ và có thể bỏ qua Trong kỹ thuật

vô tuyến điện, người ta thường dùng dây Lecher có chiều dài cỡ một hoặc

vài bước sóng Khi đó sóng phản xạ từ các đầu dây thể hiện rõ ràng Sóng

phản xạ kết hợp với sóng tới và tạo thành sóng đứng trên dây

Xét một đoạn dây Lecher một đầu được nuôi bởi một máy phát sóng

cao tần, đầu còn lại để hở hoặc đoản mạch, hoặc mắc với một điện trở

thuan.Khi một trường điện tần số cao được truyền vào vị trí x dây Lecher, một

sóng điện áp:

U = Uo sin(ut — kx) (1) VỚI: u) = 2z Í: tần số góc,

k= 2rr/À: sô sóng,

lan truyền theo hướng xX (từ trái qua phải) của đây Tần số và bước sóng của dây phù hợp với tần số và bước sóng của trường truyền

2.1 Dây Lecher với đầu cuối đoản mạch

Nếu các dây của dây Lecher được đoản mạch ở đầu cuối, thì hiệu điện thế U tại đó bằng không.Độ lệch pha giữa song tới và sóng phản xạ

là 180 o Chọn gốc tọa độ O đặt ở đầu dây (điểm tiếp xúc giữa dây và

nguồn cao tần) Giả sử sóngđiện áp tới tại điểm có tọa độ x có dạng:

Ul = Uo sin(wt — kx)

Khi đó sóng phản xạ tại điểm đó có dạng:

U2 = — Uo sin(wt + kx) Sóng tới kết hợp với sóng phản xạ tạo thành sóng đứng:

U = U1 + U2 = —2 Uo sin(kx) cos(wt) (2)

Điện áp giữa các dây được gắn liền với sự phân bó điện tích dọc theo dây

Sự dao động của các điện tích này sinh ra một dòng điện | có dạng sóng truyền

trong dây Tại đầu cuối của dây (đầu đoản mạch) luôn có dòng điện cô định chạy

qua.Vì vậy, không có sự thay đổi về pha giữa sóng tới và sóng phản xạ của cường

độ dỏng điện Nghĩa là, nêu phương trình của dòng tới có dạng:

I1 = lo sin(ut — kx) thì phương trình của dòng phản xạ có dạng:

I1 = lo sin(ut + kx) Phương trình tổng hợp của I1& I2có dạng:

| = 11 + 12 = 2 lo cos(kx) sin(wt) (3)

Từ các phương trình (2) và (3) ta thấy rằng các vị tri nút sóng của sóng điện áp

tương ứng với các vị trí bụng sóng của sóng dòng điện và các vị trí bụng sóng của

sóng điện áp tương ứng với các vị trí nút sóng của sóng dòng điện Vị trí của các

nút điện áp là

x = 0,—À/2, —À, =3M2, 4)

do đó, khoảng cách của chúng từ điểm đầu của dây là bội của À/2 Sóng điện từ

đứng trên dây Lecher tương ứng với dòng điện | và điện tích (+,-) trên các dây được

mô tả trên hình 1

2.2 Dây Lecher với đầu cuối hở mạch

Trong trường hợp này, có một hiệu điện thế không đổi ở cuối dây Lecher, tức là sóng điện áp tới và sóng điện áp phản xạ không có sự thay

đôi vê pha Trong khi đó, dòng điện ở đâu hở (đâu cuôi) luôn luôn bằng không, sóng dòng tới và sóng của dỏng phản xạ lệch pha nhau 180 ° Do

đó các phương trình tổng hợp của điện áp, cũng như dòng điện của các sóng tới và sóng phản xạ có dạng:

U = Ul + U2 = 2 Uo cos kx sinwt (5)

Va | = 11 + 12 = —2 lo sinkx coswt (6) Các phương trình này có thể thu được từ các phương trình (2) và (3) bằng cách hoán đổi giữa U và I

2.3 Dây Lecher có đầu cuối mắc với điện trở thuần

Sóng đứng không được hình thành nếu điểm cuối của dây Lecher được nối với điện trở thuần.Trong trường hợp này, sóng dòng điện và

sóng điện áp tới không bị phản xạ ở điểm cuối của dây

XỬ LÝ SÓ LIỆU

a) Dây lecher với đầu cuối đoản mạch

Bang 2 Vi tri cua cac nut dong va thé trén day Lecher doan mach

*Nhận xét : Khoảng cách giữa 2 nút điện áp U hoặc 2 nút dòng | =A/2

U với | lệch pha pi/2(vuông pha)

==>khoảng cách giữa nút điện áp U và dòng I sẽ là À/⁄4

BÀI 2: HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

1 Mục đích

- Khao sát hiện tượng cảm ứng điện từ

- Khao sát sự phụ thuộc của suất điện động cảm ứng U xuất hiện cuộn cảm đặt trong từ trường B vảo:

e - Tiết diện cuộn cảm A

s Số vòng dây N:

s _ Biến thiên của cả ứng từ B theo thời gian ( thông qua biến thiên

của dòng điện qua cuộn solenoid theo thời gian dl/dt)

2.Tóm tắt lý thuyết

Khi đặt một khung dây dẫn điện tạo thành mạch điện kín vào trong trường có

cảm ứng từ B biến đổi theo thời gian , trong khung dây sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng từ B biến đổi theo thời gian trong khung dây sẽ xuất hiện một dòng điện

cảm ứng ( hoặc suất điện động cảm ứng ) đó là hiện tượng cảm ứng điện từ

O=N.B.A Trong đó, ®: Là từ thông qua tiết diện A giới hjan bới vòng dây

A: Tiết diện của cuộn cảm

Ngược lại khi có dòng điện | chạy qua vòng dây thì trong vòng dây sẽ

xuất hiện một từ trường

Với cuộn Solenoid có số vòng dây Ne cảm ứng từ trong lòng cuộn dây đó là:

B=u + !2) Trong đó, M›: số vòng đây được quấn trên cuộn solenoid

L: chiêu dai ông dây

= #116 vưam

Do đó,

Ta JA, N, al (3)

L LG Biểu thức (3) thu được khi ta đặt cuộn cảm N1 có thiết diện A vào trong lòng cuộn

Na có chiêu dài L với dòng điện | biên thiên theo thời gian chạy qua cuộn N; (hình 1)

Biểu thức trên cho thấy suất điện động cảm ứng U tỷ lệ thuận với tiết diện cuộn cảm

A, số vòng dây của các cuộn cảm N¡, N; và tốc độ biến thiên dòng điện trong cuộn

Solenoid dl/dt

Trong bài thực hảnh nay, ta sé tién hành khảo sát hiện tượng cảm ứng của một cuộn dây N: đặt trong từ trường biến thiên của cuộn N: Qua đó, khảo sát sự phụ thuộc của suất điện động cảm ứng U xuất hiện trong cuộn cảm đặt trong từ trường biến thiên B vào tiết diện cuộn cảm A, số vòng dây N; và vào biến thiên của cảm ứng từ B theo thời gian thông qua biến thiên của dòng điện qua cuộn solenoid theo thời gian dl/dt

XỬ LÝ SÓ LIỆU

Bảng 2: Biên độ U theo tiết diện A của cuộn dây

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc điện áp U

vào tiết diện A

Nhận xét: Ta thấy suất điện động cảm ứng U tỉ lệ thuận với số vòng N1 của cuộn

dây theo hàm bac nhat

Đồ thị sự phụ thuộc của U() (màu đỏ) và l(t) (màu xanh)

Bang 3: Biên độ U theo tiết diện của N1 của cuộn dây

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc điện áp vào số

vòng của cuộn dây

Suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với số vòng dây cuộn cảm

Bảng4: Sự phụ thuộc của U(V) vào dl/dt (A/5)

Suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên dòng điện trong cuộn dl/dt

Bảng: Hệ số góc của các đường thẳng U(A), U(N1), U(d/dt)

BÀI 3: CHUYEN ĐỘNG CỦA ĐIỆN TỬ TRONG ĐIỆN TỪ TRƯỜNG, XÁC ĐỊNH

2.1 Sự chuyển động của điện tử trong điện trường

Xét một điện tích e chuyển động trong một điện trường đều nằm giữa hai bản tụ của

một tụ phẳng Lực điện trường tác dụng lên vật:

trong đó, e: là điện tích của vật,

E: là cường độ điện trường

Phương trình chuyển động của điện tích có dạng:

m dt = e.“E-{2)

với, m: khối lượng của điện tích,

v: vận tốc chuyển động của điện tích

Chọn trục Oy theo phương của E—› và tại thời điểm t = 0, điện tích ở gốc O với vận tốc v0 nằm trong mặt phẳng xOy Khi đó, điện tích chỉ chuyến động trong mặt phẳng xOy

Chiếu phương trình chuyển động 2 lần lượt xuống các trục Ox và Oy ta có:

"5mœ0._.x † ttg0).x 7)

coso)2 trong đó, ọ: là góc giữa vận tốc ban đầu v0 và trục Ox

Như vậy, quỹ đạo của điện tích chuyển động trong điện trường đều là một đường parabol Nêu ø = 0 ø , phương trình quỹ đạo của điện tích chuyên động trong điện

trường đều trở thành : E

e

Y “2 m(vo.) ©

Vì điện tử được gia tốc bởi 1 hiệu điện thể HA nên:

e UA =2 v2 (9) Rút v từ biểu thức (9) và thay vào phương trinh (8) ta duoc:

= — 2

y 4UA :X (10) Với UP là hiệu điện thế đặt giữa hai bản tụ và d = 5,5 cm là khoảng cách giữa hai bản tụ, do cấu trúc của ống Thomson, điện trường thực tế nhỏ hơn điện trường

lý thuyết và phải đưa vào một số hiệu chỉnh:

E thực tế = 0.75 Evythuyat = UP (11)

d

0,75

2.2 Sự chuyển động của điện tử trong từ trường

Xét một điện tích e chuyển động với vận v¬ trong từ trường ø—> của cặp

Helmholtz và v¬ vuông góc với B— Khi đó từ trường ø—>—sẽ tác dụng lên điện tích e một lực Loren:

̆? = e.[X+ B2] (12)

Vì yv¬ vuông góc với 8> nên độ lớn của lực Loren la:

F=e.v.B (13) , Lực Loren có vai trò của lực hướng tâm làm cho điện tử chuyên động theo quỹ đạo tròn theo phương trình:

Biểu thức (16) cho biết bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử phụ thuộc hiệu

điện thé anot UA và từ trường B của cặp cuộn Helmholtz

Từ trường tạo ra bởi cặp cuộn Helmholtz khi có dòng điện | chạy qua được xác định bởi:

(17)

với, 0=4Tr.10” (mT/A): độ từ thắm của chân không,

N: sô vỏng dây của cuộn Helmholtz,

R: bán kính cuộn Helmholtz

Trong bai thi nghiém nay, N = 320 vong va R = 6,7 cm

Từ biểu thức (16), điện tích riêng elm được xác định:

eé a

2.3 Sự chuyên động củagiệrBff trong khoảng không gian có đông thời điện

trường và từ trường đồng nhất vuông góc với nhau Bộ lọc vận tốc

Xét một điện tích chuyển động với vận tốc — trong điện trường E> và từ trường B>› Khi đó lực tông hợp tác động lên điện tích là:

E> = e.*E?+ e@ [W#B*] (19)

c Cho chùm điện tử đi qua vùng có điện trường E— và từ trường B> dat vudng góc với nhau sao cho lực điện *F> = e.*E? cùng phương nhưng ngược chiều với lực từ

*F> = e [¥4B*] Bằng cách điều chỉnh điện trường và từ trường để độ lớn của hai lực đó bằng nhau, nghĩa là:

XU’ LY SO LIEU m 2UaB ;

Bang 2 Toa d6 (x,y) tương ứng trên quỹ đạo chuyên động của điện tử trong điện trường với các hiệu điện thê Up khác nhau

Sự phụ thuộc của y vào x với các giá trị

=, hiéu dién thé Up khac nhau

x(cm)

Nhận xét: Up càng tăng thì độ dốc của đồ thị cũng tăng theo do chịu tác dụng của

lực điện trường F=e.E mà E = -

€ Fre © ta thay F tilé thuan voi U

Bang 3 Toa dé (x,y) tương ứng trên quỹ đạo chuyền động của điện tử trong điện trường với các dòng điện chạy trong cuộn Helmholzt khác nhau

Úp =

Up = 5kV Don vi

Tinh ban kinh

xA2ty42 |y

1 0 4,050625 | -0,225

Nhận xét i=0,25A R=13,409 cm

Ua(kV) (A) r_+ Ar (cm)

0,15 | 22,1075 0,2 | 17,439 0,25 | 13,409

BAI 4: BIEN THE

1 Muc dich

s - Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu điện thế thứ cấp của một máy biến thế không tải vào hiệu điện thế sơ cắp với các tỷ lệ số vòng dây giữa

hai cuộn khác nhau

s - Khảo sát sự phụ thuộc của dòng điện thứ cấp của máy biến thế hoạt động đoản mạch vào dòng điện sơ cấp với các tỷ lệ số vòng dây

giữa hai cuộn khác nhau

» - Sự khác biệt giữa biến thế cô lập và một biến thế tự ngẫu

* - Đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện trên cuộn thứ cấp của biến

thé “soft” và “hard” như hàm của trở tải

s - Xác định công suất đầu ra của máy biến thế trở tải theo dòng

chạy trong cuộn thứ cấp

» - Khảo sát các đường sức từ trên biến thế “soft” và “hard”

2 Cơ sở lý thuyết

Máy biến thế thông thường gồm có 2 cuộn dây cảm ứng liên kết với nhau thông qua một lõi sắt (lõi biến thé).Lõi biến thế được ghép từ các bản mỏng được sơn lớp cách điện hoặc được chế tạo từ những vật liệu từ mềm dẫn điện kém để giảm dòng Foucault Máy biến thế được sử dụng để thay đổi độ lớn hiệu điện thế của nguồn điện xoay chiều mà không làm thay đổi giá trị tần số

Các dây đầu vào được nối với cuộn sơ cấp, trong khi các dây đầu ra nối với cuộn thứ cập Dòng điện xoay chiều trong cuộn dây sơ cấp gây ra từ thông biến thiên chạy xung quanh lõi sắt từ Từ thông biến thiên trong lõi sắt làm xuất hiện

dòng điện xoay chiều trong cuộn dây thứ cấp

Uz/U: = Nz/N: (khi l; = 0) (1)

Đối với máy biến thế lý tưởng không có tải,ta có:

Với U¡, U; lần lượt là hiệu điện thế của cuộn sơ cắp và thứ cấp,

N¡, N› lần lượt là số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp

Sự biến đổi dòng trong biến thế lý tưởnghoạt động đoản mạch tuân theo công thức sau:

lz/ = N/N:; (khi U2 = 0) (2) Với I:, l; lần lượt là dòng của cuộn sơ cấp và thứ cập

Trong bài thí nghiệm đối với phần này, hiệu điện thế và dòng điện biến đổi được đo đối mới máy biến thế “soft” (cuộn sơ cấp và cuộn thứ cắp ở trên các phần riêng biệt) không tải Bên cạnh đó, biến thé cô lập và biến thế tự ngẫu được phân biệt

Mối liên hệ giữa hiệu điện thế đầu vào U; và hiệu điện thế đầu ra U; của máy biến thế ngoài phụ thuộc vào tỷ lệ số vòng dây N:: N: của hai cuộn dây, còn phụ

thuộc vào trở tải Hiệu điện thế U; giảm với sự tăng dòng l; trong cuộn thứ cập do

sự sụt điện áp tăng trên điện trở nội của nguồn điện này (tức cuộn dây thứ cap) Ngoài ra, đặc trưng I - V của máy biến thế có trở tải cũng phụ thuộc vào thiết

kế vật lý của máy biến thế Trong phần thí nghiệm này, mối liên hệ giữa hiệu điện thế và dòng điện thứ cấp của máy biến thế có trở tải được khảo sát trong các

trường hợp cuộn sơ cập và th cap quấn:

- Phân bố đối xứng ở cả hai phần của lõi sắt (tỷ lệ cố định, biến thế “hard”)

à tt

- Quán riêng biệt trên mỗi phần của lõi sắt (điện kháng cao, biến thế “soft”)

Trong ca hai trường hợp, các đường sức từ của máy biến thế được khảo sát bằng cách sử dụng các mạt sắt trên tấm nhựa phẳng đặt bên trên biến thé Công suất đầu ra của hai kiểu biến thế (“hard” & “soft”) được xác định thông qua biểu thức (giả sử tiêu hao thấp): P; = Uz.lz (3) Như vậy, từ đường đặc trưng l — P có thể xác định được công suất đầu ra cực đại

Bảng 2 Sự phụ thuộc của U; vào U; với các tỷ lệ N:/N: khác nhau

U; (V) với U; (V) với Us (V) voi Ui(V) | Ni/N2=300/300 | N./N2=300/150 | N./N2=150/300

Nhận xét: nhìn từ đồ thị ta thấy U; và U; tỷ lệ thuận với nhau theo hàm bậc nhất

(y=kx) và khi ta thay đổi số vòng dây trên mỗi cuộn thì U cũng thay đổi tuyến tính

U/U¿z=N¿/R: ; U và N tỷ lệ thuận Khi Na là sô vỏng dây của cuộn thứ câp nhỏ nhớ

N¿ là cuộn sơ cấp thì máy biến áp đó là máy hạ áp (U;<U;)

Tương tự có (N;>N;) thì là máy tăng áp (N:z=N:) có hiệu điện thế không đổi

Nhận xét: từ đồ thị ta thay |, và |; tỉ lệ thuận với nhau theo hàm bậc nhất Với I vàN

tỉ lệ nghịch Khi N;>N; thì ta thấy I;<lạ N/N; có tỉ số càng lớn thì thì ta thấy độ dốc

cảng cao tương ứng với hệ số góc cảng lớn

Bảng 4 Hiệu điện thế U; tại các giá trị l; khác nhau với biến thế “soft”

lz(A) 0 0,04 008| 0413| 017] 022| 0,26 0,3] 0,33 U2(V) 4 3,99 3,79 36| 347| 336/ 3,11 29| 265 P(W) 0 0,1596| 0,3032| 0,468 | 05899 | 0,7392| 0,8086| 0,87 | 0,8745 lz(A) 0,36 0,4 042| 0468| 0,48 05| 053| 055| 0,59 U2(V) 2,49 2,32 2,15 2] 1/71 165| 1436| 1,23 0,9 P(wW) | 0,8964 0,928 0,903| 0,936 | 08208| 0,825 | 0,7208| 0,6765| 0,531 Bảng 5.Hiệu điện thế U› tại các giá trị l khác nhau với biến thế “hard”

lz(A) 0 0,1 016] 022] 028] 034] 04| 045| 0,53 U2(V) 4,01 3,72 36| 3,35] 315] 3,01| 271| 25] 232 P(W) 0 0,372 0,576 | 0,737 | 0,882 | 1,0234 | 1,084 | 1,125 | 1,2296 Iz(A) 0,58 0,62 07| 075| 08| 0,86| 093 1 1,05 Uz(V) 2,18 2,05 18| 163| 147| 124| 11| 078| 066 P(W) 1,2644 1,271 1,26 | 1,2225 | 1,176 | 1,0664 | 1023| 0,78| 0,693

Su’ phu thu6éc ctia U2 vao l2 cia bién thé

(I;P„a.) của biến thế Hard là (0.62 ;1.271)

(I;Pmz.) của biến thế Soft là (0.4;0 936)

Phan biét bién thế cô lập và biến thế tự ngẫu

và các loại máy biến áp Có 2 cuộn dây

Máy biến áp tự ngẫu hoạt động theo nguyên lý từ trường biến thiên Có nghĩa

là, khi dòng điện xoay chiều có điện áp nhất định được đưa vào cuộn sơ cap sé tao

ra từ trường biến thiên nằm giữa các lõi dây Từ trường tạo ra một sức điện động làm biến thiên hiệu điện thế ở cuộn sơ cấp thành hiệu điện thế ở cuộn thứ cấp Điện

áp của dỏng điện xoay chiều dao động dựa vào sự chênh lệch giữa số vòng dây cuốn các cuộn sơ cấp và thứ cắp

Biến thể cô lập

Máy biến áp cô lập có cấu tạo gồm cuộn dây Sơ cấp và cuộn dây thứ cấp chỉ liên kết với nhau qua từ trường, 2 cuộn dây tách rời nên có sự độc lập vệ điện, hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ Bất kỳ điểm nào nằm trên cuộn thứ cấp đều

có hiệu điện thế bằng 0 so với mặt đất Do vậy, ưu điểm lớn nhát của biến áp cô lập

đó là giúp hạn chế nguy cơ rò rỉ điện ở phần vỏ thiết bị và đem lại sự an toàn trong quá trình sử dụng

Máy biến áp cô lập hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ Khi dòng điện xoay chiều có điện áp nhất định được đưa vào cuộn sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên nằm giữa các lõi dây Từ trường tạo ra một sức điện động cảm ứng ở phạm vi

cuộn thứ cấp dẫn đến sự hình thành dòng điện xoay chiều cách ly có hiệu điện thế xoay chiều Điện áp của dòng điện xoay chiều dao động dựa vào sự chênh lệch giữa số vòng dây cuốn các cuộn sơ cắp và thứ cấp