Khóa luận tốt nghiệp Sư phạm Vật lý: Nghiên cứu, chế tạo đệm từ trường dùng cho các thí nghiệm bảo toàn động lượng

Nếu như chế tạo thành công hệ thống đệm từ trường từ các nam châm vĩnh cửu cóthê đạt được những đặc điểm giống như mô hình tàu chạy trên đệm từ thì chúng ta có thé sử dụng hệ thông đệm t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SU PHAM TP HO CHÍ MINH

KHOA VAT LY

PHAN THUY DUNG

LUAN VAN TOT NGHIEP DAI HOC

TP.H6 Chi Minh, Nam 2013.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HÒ CHÍ MINH

KHOA VAT LÝ

PHAN THUY DUNG

Ngành: SƯ PHAM VAT LY (VAT LÝ)

Mã số: 102

NGƯỜI HƯỚNG DÁN KHOA HỌC

TS NGUYEN LAM DUY

TP.H6 Chí Minh, Năm 2013.

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến thay hướng dẫn TS Nguyễn

Lâm Duy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm đẻ tài tốt

nghiệp này.

Đề hoàn thành đề tài khóa luận nảy, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình từ

các thầy cô trong khoa Vật Lý Tôi chân thành cảm ơn các thầy cô quản lý các

phòng thí nghiệm: “Vat lý đại cương nâng cao” và “V6 tuyến điện” đã tạo điều kiện thuận lợi dé tôi sử dụng các thiết bị thí nghiệm cũng như phòng thí nghiệm trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

Cuối cùng, cho tôi gửi lời cảm ơn đến quý thay cô khoa Vật Ly va các bạn bẻ đã tạomọi điều kiện tốt nhất, giúp đỡ tôi hoan thành khóa luận của minh

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên không thẻ tránh khỏi các thiếu sót Kính

mong nhận được góp ý từ quý thay cô va các bạn dé dé tài được hoàn thiện hơn

1.1 Cơ sở lý thuyết chính - 2:25 2 C1 111221122112 11112111 0111100110211 cu 9DAR Gp ca) scl 1) ee 10Chương 2: Các bước chuân bị cho quả trình chế tạo thực nghiệm 14

2.1 Khảo sat từ phô của nam châm 22 222S+22SEEE2EEEEcEEEcEEEztErzrrrzrrrrrrec 14

2:IÌ.ÍIIMNIổÍB::cc¿:iscccitoiiobiatisitiistiiti045104601443106810235041553388ã335333505850213631588158551656 14

2.I:2I(06h¡R€ BiG ciocsseestiaiiiisiiitiiosiits51021014511161123155513023555551561558138215081552555650165 14

8\/5IKGtqnáti0(đØGnnsanannnnnnnneiidiionniititstiattigitiidntgtagiigsng6g105000888861 l6

2,101 GHÍXếH:12114429211522212212214142012115339443402841343143131449829102381241323:314418314424392413014353 18 2.2 Nghiên cứu tương tac giữa ray Va Xe tru ee cece eeeeeeeeeeeeeeeeeeeteeeeeeeenees 19

3,1.1 Nghiên cứu lý thuyỀk -.¿:- 6 221 12211 2110 0021002100110011011 0110122 xe 22

3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm óc 22 44012045663211263624 24

3.1.2.1 Các bước tiến hành 22-222 ©E22££EEE+ecEEEEcEEEErrrzrecrxrerrred 24

3.2.2.1 Các bước tiền hành 22-222 25s25secsrrseerserrrrrrerrerscers BO

3.2.2.2 Kết quả sau khi lắp ráp ¿50 2c 222 022222212221222222-212 212 crvec 363.2.3 Đánh giá quá trình nâng của hệ thống - -5-555sc2cscccsscczssve 39

3.2.3.1 Khảo sát vận tốc chuyên động của xe -. 55-55 cccccscsrvec 39

3.2.2.2 Khảo sát độ lớn lực ma sắt trong quá trình

chuyển động của xe trên ray 2-22-©cz2cs2sc22z22zcrxecxrrcsrred ¬

3.2.4 Đánh giá bước đầu vẻ chất lượng hoạt động của hệ thông

đệm từ trường nghiên CỨU - - cụ 1 12 2 1 1011111 11H de 4§

Chương 4: Thử nghiệm ban đầu cho thí nghiệm vẻ bảo toàn động lượng 49

4.1 Cách bố trí thí nghiệm 2 2-©2©©SzeEEECEEEEEEEEEEECEEecrxerrkecrkecrsee 49

4.2 Cách tiến hành 2-©22s22s2S2222E2Z 22 22212272417211721112111111221117111ecE2ecrre 49

4.3 Kết quả thu được ¿-s- + 222 1 2S 2302211152117 117210721113 117 11112122112 1y 50

Š'Il¿21)01'V0Ì\GBBIRNIHRI2!,s.-assuo2sosesnoseoo224035602106910239023002238031203230219023812780038132202E 53 5.2 Hướng phát triÊn ¿2-2222 2222212117 317217217221 211 111 2117172.21211 21x ve 54

Phụ lục 1: Tàu chạy trên đệm từỲ - HH ng 0101010100 6001007805e6 55

Phu luc 2: Bang sé liệu khảo sát độ lớn từ trường của một nam châm 58Phu luc 3: Bang sỐ liệu khảo sát độ lớn từ trường của 4 nam châm

(cách be MAL Mann CHAM SCM) | 5.::sesseesscesssecesecssonsssnesenssacessacsenscasessesses 59

Phụ lục 4: Bảng số liệu khảo sát độ lớn từ trường của 4 nam châm

(cách bề mặt nam châm 2ctm) ¿5á s2 S2 210222117 1721112 1112222125 61

Taiiliệu¡tham KHẢO¡¡sncipoiisinaiiiaiiiasitiiiitsiii111121114311131135113311833138151651386338555585125553353334 63

LOI MỞ DAU

Lý do chọn đề tài

Hiện nay, trong lĩnh vực đồ dùng thí nghiệm cho trường THPT tại Việt Nam tuy đã

được chú trọng đầu tư nhiều nhưng vẫn còn hạn chế về chung loại và chất lượng.Nhất là tại các vùng cao, vùng hẻo lánh thi việc đầu tư cho các bộ dụng cụ thí

nghiệm càng khó khăn hơn (kinh phi, điều kiện sử dụng, ) Ví dụ như đôi với bài

thí nghiệm về định luật bảo toàn động lượng chăng hạn, phỏ biến hiện nay chúng ta

có bộ đệm không khí nhưng bộ này phải cần sử dụng điện năng, thiết bị hơi cong

kênh khó chuyên chở, có nhiều tiếng ồn trong quá trình sử dụng, nên khó có thé

dùng bộ thí nghiệm đệm không khí đề phục vụ các trường còn hạn chế về điều kiện

giảng day.

Mặc khác, hiện tượng hút day của các nam châm đã được chúng ta biết từ lâu Ở

nhiều nước trên thế giới, người ta đã chế tạo thành công và đưa vào sử dụng tàu

chạy trên đệm từ trường dựa trên nguyên tắc hút day của các nam châm Tau đệm

từ sử dung kỹ thuật nâng bang lực từ thông qua sự tương tác giữa tàu và đường ray.

Do đó, không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa đường ray và tàu, nên chỉ có lực ma

sát giữa con tau va không khí Lực ma sát nay nhỏ so với trường hop tau chạy trên

đường ray thường [2] Lay ý tưởng từ tàu chạy trên đệm từ, tôi muốn thử tiền hànhnghiên cứu chế tạo bộ đệm từ nhưng sử dụng vật liệu tạo ra từ trường là nam châm

vĩnh cửu thay vì nam châm điện của tàu đệm từ.

Nếu như chế tạo thành công hệ thống đệm từ trường từ các nam châm vĩnh cửu (cóthê đạt được những đặc điểm giống như mô hình tàu chạy trên đệm từ) thì chúng ta

có thé sử dụng hệ thông đệm từ này phục vụ các thí nghiệm về định luật bảo toànđộng lượng Với những ưu điểm của đệm từ chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu như

không can sử dụng điện năng, không gây tiếng ôn, có thé kết nối những thanh nam

châm riêng rẽ thành hệ thông dai hơn một cách dé dang, sé làm cho việc chế tạo

va ứng dụng đệm từ dé đưa vào sử dụng có ý nghĩa lớn Chính vì những lý do trên,

tôi chọn đề tài *Nghiên cứu, chế tạo đệm từ trường dùng cho các thí nghiệm bảo

toàn động lượng” với mục đích đặt ra là chế tạo đệm từ trường từ các nam châm

vĩnh cửu nhằm bỗ sung thêm một bộ đồ dùng nữa cho việc thực hiện các thí nghiệm

về bảo toàn động lượng trong chương trình vật lý THPT

Việc chế tạo đệm từ trường từ nam châm vĩnh cửu, trước đây, người ta đã tiến hành

nghiên cứu và đã cho ra nhiều sản phẩm Nhưng hau hết các sản phẩm này đều có

chung một cách bố trí nam châm trên hệ thống ray và xe (sẽ được trình bày rõ hơn

trong bai) Hạn chế chung của các sản phẩm này là xe đều bị tựa vào một bên thành

ray khi chuyên động Vì vậy, ở dé tai này, tôi tiếp tục tiền hành nghiên cứu về đệm

từ trường từ nam châm vĩnh cửu với mục đích tìm ra một cầu hình khác, có thể khắcphục được hạn chế mà các sản phâm đã đưa ra mắc phải dé có thé dùng bộ dụng cụ

nay vào phục vụ day học.

Phương pháp nghiên cứu.

Do dé tai này thuộc lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo dụng cụ thí nghiệm nên phươngpháp nghiên cứu chủ yếu lả:

- Tìm hiệu, nghiên cứu tài liệu hiện có.

- Chế tao và đo đạc thực nghiệm.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

- Khảo sát từ phô của một nam châm vả các nam châm ghép với nhau.

- Nghiên cứu tương tác lực từ giữa các nam châm.

- Nghiên cứu cầu hình lắp đặt hệ thống các nam châm

- Gia công cơ khí, lắp ráp hệ thông đệm từ trường và xe trượt.

- Thử nghiệm ban đầu cho thí nghiệm về bảo toản động lượng

Những nội dung chính được trình bày trong báo cáo này.

¢ _ Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Phan này tôi sẽ trình bảy:

- Những cơ sở lý thuyết về nam châm va đặc điểm từ trường của nam châm.

Một số mô hình vé đệm từ trường đã được nghiên cứu.

e Chương 2: Cac bước chuẩn bị cho quá trình chế tạo thực nghiệm

Phần này sẽ trình bày mục đích, phương pháp và kết quả khi tiến hành hai bước

trong quá trình chuẩn bị:

- Khảo sát từ phô của nam châm với các hình dạng khác nhau.

Nghiên cứu tương tác lực từ giữa ray và xe trượt.

¢ Chương 3: Các cau hình hệ thống đệm từ trường nghiên cứu.

Phan này sẽ trình bay quá trình nghiên cứu, các bước chuan bi cũng như kết quảthực tế thu được của từng cầu hình

e Chương 4: Thử nghiệm ban đầu cho các thí nghiệm bảo toàn động lượng

© Chương 5: Kết luận và hướng phát trién của dé tài

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYET

Trong chương này, phân đầu tiên, tôi xin trình bày về những cơ sở lý thuyết được

sử dụng trực tiếp dé phục vụ nghiên cứu dé tài như: các đặc điểm cau tạo của nam

châm vĩnh cửu: hình dang từ phô của từng loại nam châm: sự tương tác giữa các cực của nam châm Ngoài ra, dé thực hiện dé tài nghiên cứu này, tôi có tham khảo

một số tải liệu về mô hình tau chạy trên đệm từ đã được nghiên cứu và lắp ráp Nên

trong phan tiếp theo, tôi xin trình bay một số cầu hình mà tôi đã tìm hiểu Đây chính

là những cơ sở rất quan trọng dé tôi bắt dau quá trình nghiên cứu của mình, sẽ được

trình bảy ở chương sau.

1.1 Co sở lý thuyết chính

- Nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng có khả năng giữ từ

tính.

- Bat cứ một thanh nam châm nao cũng có hai cực Bắc và Nam, có nghĩa là

bắt cứ thanh nam châm nào cũng là lưỡng cực từ.

- Không gian xung quanh nam châm tôn tại từ trường Dé đặc trưng cho từ

trường về mặt hình học, chúng ta sử dụng khái niệm đường sức từ Sau đây

là một số dang từ phố của nam châm thăng và nam châm hình chit U

Hình 1.1 Dường sức từ của nam châm vĩnh cửu thăng.

Hình 1.2 Đường sức từ của nam châm vĩnh cửu hình chữ U.

Dựa vào hình dang đường sức từ của hệ các nam châm, ta có thé xác định một cách

định tính lực tương tác giữa chúng:

- Các đường sức của các nam châm đây nhau tương ứng với lực đây giữa

chúng (hình 1.3a).

a Hai nam châm cùng cực thì đây nhau b Hai nam châm khác cực thi hút nhau.

Hình 1.3 Lực tương tác giữa các nam châm thông qua hình ảnh đường sức từ.

1.2 Một số mô hình tham khảo.

Hau hết các sản pham đệm từ trường ché tạo từ nam châm vĩnh cữu đã được lắp ráphiện nay đều có chung một cấu hình: hệ thống ray gồm 2 hàng nam châm đặt song

song với nhau, trên xe được gắn các nam châm trực điện với nam châm trên ray Lúc này, xe sẽ chịu tác dụng của hai lực đây thăng đứng hướng lên như hình 1.4.

Hình 1.4 Phác họa hệ thông nam châm cho các mô hình đã được lắp ráp.

Dựa trên sự bô trí nam châm như hình (1.4), người ta đã nghiên cứu và đã đưa ra

các mô hình lắp ráp như hình (1.5) và thu được các sản phâm như hình (1.6); hình

(1.7): hình (1.8).

Model maglev train

Hình 1.5 Mô hình đệm từ trường đã được lap rap [3]

Hình 1.6 Sản phẩm đệm từ trường đơn giản [4].

Hình 1.7 Sản phâm đệm từ trường do một hãng dé chơi sản xuất [5].

Hình 1.8 Sản phâm đệm từ trường được lắp ráp trong “ Stem Maglev Project” [6].

CHƯƠNG 2CÁC BƯỚC CHUAN BI CHO QUÁ TRÌNH

CHE TẠO THỰC NGHIỆM

Ở chương nay, tôi sẽ trình bay hai bước trong quá trình chuẩn bị trước khi nghiên

cứu chế tạo các cầu hình đệm từ trường: khảo sát từ phô của nam châm và nghiên

cứu lực tương tác giữa các nam châm với nhau Ở từng bước, tôi sẽ trình bảy rõ

mục dich, phương pháp tiền hành cũng như các kết quả thu được Vì mục tiêu của đề tài là sử dụng các nam châm vĩnh cửu dé chế tạo hệ thông đệm từ trường, do đó,

việc khảo sát độ lớn của nhiều nam châm ghép lại với nhau là rất cần thiết Nếu khi

ghép nhiều nam châm lại tạo thành một nam châm lớn mà có giá trị cường độ từ trường tại các vị trí tương đối bằng nhau thì ta có thể sử dụng các nam châm này cho việc thiết kế chế tạo mô hình Ngoai ra, việc nghiên cứu lực tương tác giữa các

nam châm sẽ cho giúp ta tính toán được khối lượng tối đa của xe trong từng cấu

hình cụ thẻ.

2.1 Khảo sát từ phố của nam châm.

Chon vật liệu chính dé làm hệ thong ray là nam châm den (2,5cmx6cmxIcm) Do

đó, tôi tiền hành khảo sat từ phô đối với nam châm loại này.

2.1.1 Mục đích.

- Khao sát độ lớn từ trường tại các vị trí khác nhau trên bê mặt của một nam

châm Từ đó đưa ra nhận xét về đặc điểm độ lớn cảm ứng từ do nam châm

sinh ra.

- Ghép 4 nam châm lại với nhau tạo thành một nam cham lớn: khảo sat từ

trường của các vị trí trên nam châm ở các khoảng cách khác nhau Từ kết quả

thu được trả lời cho câu hỏi: *Có thé sử dụng các nam châm ghép lại dé tao

thành một nam châm kích thước lớn va có độ lớn cảm ứng từ đồng nhất hay

không?".

2.1.2 Cách thực hiện.

- Bước 1: Dùng giấy có kẻ ô li bọc nam châm dé dé dang xác định từng vị trí

trên nam châm Trên bề mặt nam châm được đánh số thứ tự từ trái qua phải;được đánh số thứ tự hang từ trên xuống dưới như hình 2.1

m

Pt | | | |} | |} | | {Hàng

Pt ttt tt tt

Hình 2.1 Sơ đồ xác định vị tri khảo sát bề mặt nam châm.

- Bước 2: Dùng máy đo từ trường dé xác định giá trị cam ứng từ I8| ở từng vị

trí trên nam châm theo các khoáng cách khác nhau Đề xác định chính xác

từng vị trí, ta dùng đèn roi vào nam châm Vị trí bóng của đầu dé sensor cho

phép ta xác định chính xác vị trí cần đo.

+ Khảo sát từ trường tại các vị trí trên một nam châm khi đặt dau đò cách bề

mặt nam châm 5mm Mỗi vị trí khảo sát cách nhau 2mm Do đó, một hàng

trên bề mặt nam châm sẽ có 30 vị trí khảo sát.

+ Ghép 4 nam châm lại tạo thành một nam châm lớn Khảo sat từ trường tại

các vị trí trên một nam châm khi đặt đầu dò cách bề mặt nam châm 1,5em và2cm Mỗi vị trí khảo sát cách nhau 4mm Do đó, một hàng trên bề mặt của 4

nam châm ghép lại sẽ có 63 vị trí khảo sát.

- _ Bước 3: Xứ lý số liệu và nhận xét kết quả thu được

Hình 2.2 Cách bố trí dụng cụ đo cường độ từ trường của 4 nam châm ghép sát.

2.1.3 Kết quả thu được

Hình 2.3 Đồ thị thé hiện gia tr] từ trường của | nam cham tại các vj trí khác nhau,

ở khoảng cách 5mm so với bê mat nam cham.

Hình 2.4 D6 thị thé hiện giá trị từ trường của 4 nam châm ghép lại tại các vị trí khác

nhau, ở khoảng cách 1,5em so với bề mặt nam châm

20 k¬

Thứ tự vi tri khảo sát trên một hang

Hình 2.5 Đồ thị thé hiện giá trị từ trường của 4 nam châm ghép lại tại các vị trí khác

nhau, ở khoảng cách 2em so với bẻ mặt nam châm.

Ghi chú: Trên đồ thị.

+ Trục tung thê hiện các giá trị từ trường tại các vị trí của nam châm.

+ Trục hoành thê hiện các vị trí của nam châm mà ta đã đánh số thứ tự.

+ Từng đường trên đô thị thé hiện số liệu theo từng hang ta khảo sat.

*,

.*

a

2.1.4 Nhận xét.

Đối với | nam châm, ở vị trí có độ cao cách nam châm 5mm.

Giá trị từ trường của các vị trí khác nhau của nam châm chênh lệch nhau khá

lớn.

Ở vùng trung tâm của nam châm từ trường lớn, giảm dan vẻ hai bên ria

Trên cùng một bé mặt của nam châm, cực nam châm không thông nhất tại

một số vị trí.

Khi ghép nhiều nam châm lại với nhau (4 nam châm) tạo thành khối nam

châm lớn.

Tại vị trí cách xa 2 nam châm ở biên, giá trị từ trường nhỏ hơn hai đầu của

hệ nam châm Tuy nhiên, độ chênh lệch về giá trị độ lớn từ trường trong

vùng này không lớn như đối với trường hợp khảo sát 1 nam châm.

Tăng khoảng cách giữa vj trí đo đạc với bẻ mặt nam châm, ta thấy sự chênh

lệch độ lớn từ trường của các vị trí cảng giảm Vì lúc này, từ trường tại từng

vị trí là tông hợp từ trường do các nam châm khác nhau sinh ra.

Như vậy, ta có thê sử dụng các nam châm nhỏ ghép lại dé tạo thành một nam châm

lớn, và sử dụng phần từ trường ở khoảng giữa của nam châm phục vụ mục đích

nghiên cứu.

*, s* Trong thực tế, mỗi nam châm khác nhau có cường độ từ trường khác nhau.

Do đó dé có một diy các nam châm có từ trường tương đối đều nhau, thikhi tiến hành lắp ráp mô hình cần đo đạc sơ bộ cường độ từ trường của các

nam châm nhằm lựa chọn được nam châm có độ lớn gan nhau để sử dung bằng tiễn hanh các bước sau:

Dùng một nam châm thử để khảo sát từ tính trên cùng một mặt của từng nam

châm dé đảm bảo: trên cùng bê mặt nam châm, các cực từ trưởng tại các vị

# x~Ấ

trí giong nhau.

- Dùng máy đo từ trường khảo sát giá trị từ trường tại điểm giữa của nam

châm.

Hinh 2.6 Cách bố trí dụng cụ khảo sát giá trị từ trường tại điểm giữa của nam châm.

2.2 _ Nghiên cứu tương tac lực từ giữa ray và xe trượt.

2.2.1 Mục đích.

Xác định giá trị lực day lớn nhất mà hai nam châm có thé tạo ra khi hai nam châm

đặt trực điện với nhau Từ đó, chúng ta có thé tính toán được khối lượng tối đa của

xe ma hệ thong ray có thé nâng ứng với từng cấu hình cụ thẻ nghiên cứu

2.2.2 Cách tiễn hành và kết qua thu được

Chon vật liệu chính dé làm hệ thống ray la nam châm den (2.5cmx6cmxlcm) Xetrượt có thé sử dụng các nam châm cùng loại Do đó, dé nghiên cứu tương tác lực từ

giữa ray và xe trượt, ta đặt nam châm sẽ dùng trên xe trực diện với nam châm den

của ray rồi cho chúng cách nhau một khoảng nhất định dé khảo sát lực tương tác

2.2.2.1 Mô tả cách khảo sát.

- Dùng cân điện tử dé cân khối lượng nam châm đen lớn (2,5cmx2cmxlIem) là

mạ.

- Đặt nam châm cần khảo sát ở các vị trí có các khoảng cách khác nhau so với

be mặt nam châm den (đảm bao sao cho chúng trực diện với nhau va 2 mat

đối diện nhau phải cùng cực)

- Doc số chi của cân (chính là khối lượng biểu kiến của nam châm đen) là mạ

- Tính hiệu mạ-m;; tinh lực tương tác bằng biếu thức:

(m;-mạ).g; (với g +10 m/s*, gọi là gia tốc trọng trường)

2.2.2.2 Kết quả thu được sau khi khảo sát

Sau khi tiến hành khảo sat với các loại nam châm khác nhau, ở các khoảng cách so

với be mặt nam châm đen lớn, ta thu được số liệu mô tả trong bảng 1.

Bảng 1: Khảo sát độ lớn lực tương tác giữa nam châm den (2,5cmx6cmxlcm) với

- Tuy theo câu hình bô trí hệ thong nam châm trên ray va xe mà ta sẽ tính toán

lực nâng cần thiết, sau đó lựa chọn loại nam châm trên xe phù hợp

CHƯƠNG 3

CÁC CÁU HÌNH NGHIÊN CỨU

Trong chương này, tôi xin trình bay 2 cau hình mà tôi đã nghiên cứu trong thời gian

thực hiện đẻ tài Cấu hình thứ nhất đệm từ trường lay ý tưởng từ mô hình đệmkhông khí trong thí nghiệm bảo toàn động lượng Sau khi nghiên cứu, tính toán về

mặt lý thuyết, tôi tiền hành chế tạo, lắp ráp với kết quả thu được: xe không nâng lên

được, luôn bị hút về một phía ray Qua nhiều phương án khác nhau: thay thế các

loại nam châm trên xe khác nhau, ha trọng tâm xe, tôi đều thu được hiện tượng

như trên Từ đó, tôi rút ra hạn chế của cấu hình này là 2 nam châm trên xe và ray

không thê đặt trưc điện với nhau được như lý thuyết đưa ra Từ hạn chế của mô hình

1, tôi tiếp tục nghiên cứu theo hướng thay đôi cấu hình của hệ thống nam châm va

đã chế tạo thành công hệ thống đệm từ trường theo cấu hình 2 Nên trong chương

này, tôi sẽ trình bày quá trình nghiên cứu, lắp ráp, những đánh giá bước đầu về chất lượng vận hành của hệ thống đệm từ trường đối với cầu hình đã chế tạo.

3.1 Cấu hình 1

3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết

Lay ý tưởng từ mô hình đệm không khí, tôi đã đưa ra phương án nghiên cứu hướng lắp ráp mô hình đệm từ trường như sau: hệ thông ray gồm 2 hàng nam châm đặt trên mặt bên của lăng trụ tam giác vuông cân; xe là một mô hình tam giác đồng

dạng với hệ thống ray, trên 2 mặt bên của xe của xe cũng được gắn các nam châm

cùng cực với nam châm trên ray.

Hình 3.2 Phác họa hệ thông nam châm cua câu hình 1.

Theo cau hình trên, xe chịu tác dụng của 2 lực đây F,,, F,, và trọng lực của xe F,,,

F,, tao với nhau một góc vuông và mỗi vectơ tạo với phương thăng đứng góc 45°.

Giả sử từ trường của hai hàng ray là giống nhau, khi đó |Z,,|=|#,j|

Chiếu 2 lực lên trục Ox, Oy.

% Bước 1: Chuẩn bị vật liệu.

- Xe: 2 miếng mica (10cmx8cm)

- Ray: 2 miếng mica (10emx30cm).

- Nam châm các loại: nam cham den khối (2.5cmx6cmxlcm); nam châm tron

đen (d=2cm); nam châm tròn trắng với các kích thước d=lcm d=2cm,

d=3cm.

* Bude 2: Lựa chọn nam châm phù hợp cho cấu hình trên.

Trong bước này, đầu tiên tôi khảo sát khối lượng của từng loại nam châm Sau đó,

tôi tính toán khối lượng của xe lực day của của hệ thống đối với xe ứng với mỗi

loại và số lượng nam châm khác nhau Cudi cùng, dựa trên những thông tin trên, tôi

đưa ra phương án sử dụng nam châm nao cho xe lả hợp ly: tông lực nâng theo

phương thăng đứng lớn hơn trọng lực của xe.

Dùng cân điện tử dé khảo sát khôi lượng nam châm va thu được bảng số liệu 2

Nam châm tròn đen (d=2cm

Nam châm đen lớn 10,63

(2,5emx6cmx lcm)

Gia sử xe được nang lên cách ray 1cm, khi đó độ lớn trọng lượng của xe, giá trị

lf giá trị lực day tong hợp || tác dụng lên xe được thể hiện trong bảng 3.

© Bang 3 Các thông số của cau hình ứng với từng trường hợp sử dụng nam

châm khác nhau.

trên xe châm trên xe của Xe =

Sau khi so sánh trọng lượng của xe và độ lớn lực đây, tôi thấy có thẻ sử dụng nam

châm trắng (d=2cm) và nam châm den vuông (2cmx2,Scm) Tuy nhiên, giá thành

của nam châm trắng cao Do đó, tôi dùng nam châm den vuông (2cmx2,Sem) dé lắp

rap trên xe.

* Bước 3: Lắp ráp.

3.1.2.2 Khảo sát mô hình.

Vật liệu.

- Xe: trên mỗi bên của xe có gắn 4 nam châm đen vuông (2cmx2,5cm) tạo

thành một hàng Bồ trí sao cho hai hàng nam châm trên xe đối xứng nhau

qua trục của xe.

- Hệ thông ray: gồm 2 hàng nam châm den lớn (2,5emx6cmxlem) cũng được

bố trí sao cho đối xứng nhau qua trục của hệ thông

* Kết quả sau khi lắp ráp.

“+ Hién tượng quan sát được.

- Xe không nồi được trên hệ thống ray mà bị hút lệch sang một bên ray

- Nếu đùng tay tác dụng lên xe một lực hướng xuống, ta thấy xe chịu một lực

nâng tông hợp lớn.

% Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng trên.

Ta có thể coi cơ chế xe nồi trên đệm từ như cơ chế vật nôi chịu tác dụng của hai

lực: trọng lực và lực nâng Khi đó, xe sẽ chịu tác dụng của hai lực: trọng lượng của

xe có điểm đặt tại khối tâm xe và lực đây có điểm đặt tại giao điểm của F,, và F,

Ta có:

- Xe ở trạng thái cân bằng khi: lực đây va trong lực cân bằng với nhau.

- Xe sẽ có xu hướng quay khi khối tâm ở vị trí cao hơn điểm đặt của lực đây

- Xe có khối tâm đặt càng thấp thi xe càng được cân bằng bên

Pp b.

Hình 3.7: Các trang thái của vat: (a) vật dang ở vj tri cân bằng; (b) vật có xu hướng

xoay nếu giá của lực F và không trùng nhau; (c) vật ở vi trí cân bằng bền

c 4Ÿ

a.

Trên thực tế lực đây F,, và F„ có độ lớn khác nhau vì từ trường do nam châm trênhai ray không giống nhau Do đó giá của véctơ trọng lực và giá của véctơ lực daytông hợp không trùng nhau Chính vì vậy, moment của trọng lực và moment lựcnâng tong hợp sẽ không triệt tiêu nên sẽ có hiện tượng xe bị quay dẫn đến các namchâm trên xe và ray không còn ở vị trí trực đối nữa

“ Phương hướng điều chỉnh.

> Cách 1: Hạ thấp khối tâm của xe bằng cách gia trọng thêm túi cát hai

bên xe (tức là tăng thêm khôi lượng cho xe)

Kết quả sau khi điều chỉnh

Vẫn còn hiện tượng xe bị hút lệch về một bên của hàng ray, xe không nồi được trên

hệ thông

Hình 3.§ Xe bị hút lệch về một phía ray sau khi tỉnh chỉnh.

`

> Cách 2: Gin mỗi bên xe 1 viên nam châm den (2.Semx6cemxlem) dat

sao cho vuông góc với hàng nam châm trên ray.

Mục đích:

Tăng khối lượng của xe dé hạ thấp khối tâm của xe

Bồ trí nam châm trên xe vuông góc với nam châm trên ray để đảm bảo:

e Nam châm trên xe luôn được đặt trực điện với nam châm trên ray.

© Lực nâng có giá trị gần bằng trường hop sử dụng nam châm vuông

nhỏ trên xe Xét ở cùng khoáng cách 2cm so với bề mặt nam châm

đen (2,5cmx6cmxlcm). F,|~0.42N khi đặt nam châm(2.Scemx6cmxlem) vuông góc với ray: |F,|~0.37N khi sử dụng nam

châm vuông nhỏ trên xe.

Hinh 3.9 Xe trong mô hình 2.

Hình 3.10 Xe không được nâng lên trên hệ thống ray

Hiện tượng quan sát được: Xe không nâng lên được do lực nâng tông

hợp nhỏ hơn trọng lượng của xe vì diện tích tiếp xúc đối nhau của 2 nam

châm nhỏ.

Cách 3: Xoay nam châm trên xe theo các hướng khác nhau.

Mục đích: Tăng diện tích tiếp xúc đối nhau của 2 nam châm dé tăng lực

nâng giữa ray và xe.

Hình 3.11 Nam châm được đặt theo phương nằm ngang trên xe.

Hiện tượng quan sát được: xe được đây lên nhưng bị hút lệch về một

bên ray.