thí nghiệm khảo sát từ trường ống dây

từ trường, ống dây, thí nghiệm bài thí nghiệm của sinh viên kĩ thuật. sử dụng bộ thí nghiệm từ trường, áp dụng cho môn Vật Lý đại cương. Sinh viên thí nghiệm có thể xác định được từ trường khi dòng điện biến thiên, xác định được dòng cảm ứng khi từ trường biến thiên

KHẢO SÁT TỪ TRƯỜNG CỦA ỐNG DÂY ĐIỆN THẲNG DÀI

SỐ TIẾT: 02 TIẾT

PHẦN I: THÍ NGHIỆM

1.1 Mục đích thí nghiệm:

Các cuộn day thẳng có nhiều ứng dụng trong kỹ nghệ và trong phòng thí nghiệm vì chúng cho phép tạo ra các từ trường đều có cường độ xác định Trong bài thí nghiẹm này,

ta đo cảm ứng từ B trong lòng ống dây khi có dòng điện I chạt qua, khảo sát mối quan hệ

B = B(I), B = B(x), trong đó I là cường độ dòng điện chạy qua các vòng dây của ống, x là toạ độ dọc theo trục của ống dây

1.2 Cơ sở lý thuyết:

a Cường độ từ trường dọc theo trục của 1 ống dây thẳng khi có dòng điện chạy qua:

Giả sử ta có 1 ống day thẳng như hình vẽ.B

r

γ

A

r

R

idl

A

r

2

γ

1

γ

(hình 1b)

(hình 1a)

Ta hãy tính cảm ứng từ B tại 1 điểm A nào đó nằm trên trục của ống dây khi cho dòng điện không đổi I chạy qua các vòng dây ( Hình 1b)

Nhờ định luật Biot Savard – Laplace, ta dễ dàng tính được cảm ứng từ do 1 dòng điện tròn, phẳng gây ra tại điểm A nằm trên trục vòng tròn (hình 1a)

(1-1)

Ta có thể mở rộng kết quả đó cho 1 đoạn ngắn ds của ống dây (hình 1c) Neu trên 1 đơn vị dài có n vòng dây thì trên đoạn ngắn ds có nds vòng Cảm ứng từ dó dB do dòng I khi chạy qua nds vòng đó gây nên ở điểm A bằng:

(1-2)

Từ hình vẽ S =R cotan , hay

Mặt khác Nhờ 2 hệ thức sau, (1 -2) thành

Cảm ứng từ B do ống dây thẳng dài L (hình I.c) gây ra tại điểm A sẽ là:

(1-3)

Nếu cuộn dây dài vô hạn, thì cảm ứng từ tại 1 điểm trên trục của ống bằng: (1- 4)

Với các cuộn dây có chiều dài hữu hạn thì B có giá trị nhỏ hơn công thức này

Theo (I-4), cường độ từ trường H được xác định bởi:

(1- 5)

b Phương pháp đo cảm ứng từ B:

- Giả sử ta có 1 khung dây gồm N vòng và có diện tích S, được đặt trong từ trường B sao cho mặt phẳng khung vuông góc với vectơ cảm ứng từ B

sin

2

3 2

o r R

r

µ µ

=

γ

2 sin

d

γ

= +

sin R

r

2

o r R

r

= +

2

1

sin (cos cos )

γ γ

1 0, 2

o r

B=µ µ In

o r

B

π µ

Từ thông gửi qua khung, khi B vuông góc với mặt của khung dây:

= NBS (1-6)

Nếu bằng cách nào đó ta làm thay đổi từ thông qua khung thì theo định luật cảm ứng điện từ, trong khung sẽ xuất hiện sđđ cảm ứng:

(1-7)

Nếu khung dây được nối với một điện trở tải R, còn điện trở khung dây là r, thì theo định luật Ôm, dòng điện i chạy trong khung xác định bởi:

(1-8)

Nếu ta làm cho từ thông thay đổi từ đến 0 trong một thời gian ngăn , thì đện

lượng q chạy trong mạch bằng:

(1-9)

Kết hợp với (1 -6), ta suy ra B:

(1-10)

Như vậy, đo điện lượng q chạy trong mạch điện của khung dây trong thời gian từ thông gửi qua khung biến thiên từ đến 0, ta xác định được từ thông và cảm ứng từ B

theo ( 1 -9) và ( 1- 10) Đó là nguyên tắc của loại máy đó cảm ứng từ để đo từ trường không đổi, gọi là từ thông kế một chiều

- Trong trường hợp cần đo và khảo sát từ trường của một ống dây thẳng dài, ta có thể dùng một từ thông kế xoay chiều thuận tiện và chính xác hơn từ thông kế một chiều Nguyên tắc của từ thông kế xoay chiều như sau:

Ta dùng dòng xoay chiều để nuôi cuộn dây: I = Io sin

Có thể sử dụng dòng xoay chiều lấy từ lưới điện quốc gia hay từ một máy phát tín hiệu điện xoay chiều Khi đó cường độ từ trường H tạo bởi dòng diện chạy trong ống dây:

Φ

Φ

d dt

1 d i

R r R r dt

0

0

1

τ

Φ

Φ

R r

SN

+

=

t

ω

Và cảm ứng từ trong lòng ống dây:

(1-12)

Trong đó là biên độ của cảm ứng từ biến thiên tuần hoàn

Nếu đặt khung dây có N2 vòng tròn và tiết diện S (đều) vào trong ống thì sđđ cảm ứng xuất hiện trong khung là:

Trong đó φ = N2SB = N2SB0 sinωt

Lấy đạo hàm theo t ta có:

(1-13)

đo biên độ sđđ cảm ứng ε0 ta xác định được biên độ cảm ứng từ B0

Giá trị B0 tương ứng với dòng điện I0 chạy qua ống dây, với :

; I : cường độ dòng điện xoay chiều

1.3 Thí nghiệm:

1.3.1 Nội quy an toàn thí nghiệm:

- Giáo viên hướng dẫn và sinh viên phải nắm vững các nội quy an toàn do phòng thí nghiệm quy định

- Để đảm bảo độ chính xác cao trong kết quả phép đo người thực hiện thí nghiệm phải để

thiết bị trên mặt phẳng

- Sử dụng an toàn ổ cắm điện 220V, tắt khóa của thiết bị trước khi sử dụng lưới điện 220V

1.3.2 Nội dung bài thí nghiệm:

- Đo cảm ứng từ B dọc theo trục cuộn dây

- Xác định sự phụ thuộc của cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện I chạy qua cuộn dây

1.3.3 Phương pháp và cách thức thí nghiệm:

a Dụng cụ thí nghiệm:

- Một ống dây thẳng có chiều dài L = 300mm, đường kính D=40,3 mm, gồm 750 vòng

1

0sin

N

=

0 1

0 r 0sin 0sin

r

N

L

µ µ

1

0 0

N

L

µµ

=

d dt

0 2

I = I

- Một cuộn dây có đường kính d = 3mm, số vòng N2= 100 vòng, có trục đo bằng Plastic dài 350mm, khắc vạch 300mm/1mm

- Từ thông kế xoay chiều Tesla Meter MC-8606 có 6 thang đo biên độ suất điện động cảm ứng và 6 thang đo cảm ứng từ B tương ứng

- Bộ nguồn đa năng AC-DC 0-3-6-9-12V

- Đồng hồ đa năng hiện số DT-9205

- Dây nối mạch có hai đầu phích Cuộn dây này được đặt trong lòng ống dây và có thể dịch chuyển dọc theo trục của ống nhờ một thanh trụ Plastic có chia độ đến mm dọc theo thân trụ

- Một đồng hồ vạn năng hiện số dùng để đo dòng I hoặc sđđ cảm ứng (một chiều và xoay chiều)

- Một nguồn điện 0-3-6-9-12V AC/DC ( một chiều và xoay chiều)

A

Hình I 3.6 ống dây thẳng dài và cuộn dây đo

b Trình tự thí nghiệm:

Trong bài thực tập này ta cần đo cảm ứng từ B dọc theo trục của cuộn dây và xác định

sự phụ thuộc của cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện chạy qua ốnga dây Để đo B ta dùng từ thông kế xoay chiều Tesla Meter MC-8606 có 6 thang đo biên độ sđđ cảm ứng và

6 thang đo cảm ứng từ B tương ứng

Bước1: Lắp ráp mạch điện

- ống dây được mắc nối tiếp với ampe kế xoay chiều ( Thang đo AC 10A) và nối vào hai

lỗ cắm nối ra nguồn xoay chiều, ban đầu để ở 3 V

- Phích 5 chân của đầu đo cảm ứng từ được mắc tới lối vào của Tesla Meter MC-8606

- Đồng hồ DT9205 đặt ở thang đo 2V và nối với lối ra Interface của MC-8606

Bước2: Đo cảm ứng từ B dọc theo trục cuộn dây

- Đo với I = 0,5 – 1A

Dịch chuyển khung dây đo từ từ vị trí 0 đến 30 cm, đo tại các vị trí cách nhau 1cm

- Ghi số liệu vào bảng 1

Bước3: Xác định sự phụ thuộc của cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện I chạy qua cuuộn dây.

- Đặt cuộn dây đo nằm ở giữa ống dây (vạch dấu chỉ vị trí x = 15)

- Thực hiện phép đo như ở phần 2 nhưng cố định vị trí cuộn dây đo và thay đổi dòng điện

I chạy qua cuộn dây nhờ chuyển mạch điện áp ra xoay chiều từng nấc 3-6-9-12V, đọc giá

trị dòng điện hiệu dụng trên đồng hồ DT9205 và các giá trị B0 tương ứng trên đồng hồ MC-8606

c Kết quả thí nghiệm:

- Đọc và ghi các số liệu vào bảng 1, bảng 2

- Vẽ đồ thị B = f(I) Nhận xét dạng dồ thị của B = f(I)

- Sự phụ thuộc B = f(I) có phù hợp với công thức I.4 không? Tại sao?

1.4 Chuẩn bị của sinh viên:

- Đọc và nghiên cứu bài thí nghiệm

- Đọc và nghiên cứu lý thuyết có liên quan đến nội dung bài thí nghiệm

- Chuẩn bị các vật dụng, giấy vở ghi chép số liệu thí nghiệm

Sự chuẩn bị của sinh viên phải được thông qua kiểm tra của GV hướng dẫn thí nghiệm Nếu không đạt yêu cầu, sinh viên sẽ không được tham gia thí nghiệm và có được thí nghiệm tiếp vào buổi khác hay không sẽ do GV và Bộ môn giải quyết

PHẦN II: VIẾT BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

2.1.Quy định chung:

Báo cáo thí nghiệm được viết tay, một mặt trên khổ A4, đóng quyển Mỗi sinh viên có một quyển báo cáo riêng

2.2 Báo cáo kết quả thí nghiệm:

2.2.1 Đo cảm ứng từ B dọc theo trục ống dây

E0 (V)

B (mT)

E0 (V)

B (mT)

E0 (V)

B (mT)

E0 (V)

B (mT)

E0 (V)

B (mT)

Vẽ đồ thị biểu diễn đường phụ thuộc thực nghiệm của B vào x dựa trên kết quả đo được ở trên và đường phụ thuộc lý thuyết của B vào x dựa trên công thức (I.3) với

So sánh 2 đường đó và giải thích sự sai lệch nếu có

2.2.2 Sự phụ thuộc của cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện I chạy qua ống dây.

Kết quả đo:

Vị trí cuộn dây: x = 15 cm

I (A)

B0 (mT)

- Vẽ đồ thị B = f(I)

- Nhận xét dạng dồ thị của B = f(I).Sự phụ thuộc này có phù hợp với công thức I.4 không? Nếu không thì tại sao?

r 1

µ ≈