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 kỹ nghệ phòng thí nghiệm chúng cho phép tạo từ trường có cường độ xác định Trong thí nghiẹm này, ta đo cảm ứng từ B lòng ống dây có dòng điện I chạt qua, khảo sát mối quan hệ B = B(I), B = B(x), I cường độ dòng điện chạy qua vòng dây ống, x toạ độ dọc theo trục ống dây 1.2 Cơ sở lý thuyết: a Cường độ từ trường dọc theo trục ống dây thẳng có dòng điện chạy qua: r B Giả sử ta có ống day thẳng hình vẽ γ A r R idl A r γ2 γ1 (hình 1b) (hình 1a) Ta tính cảm ứng từ B điểm A nằm trục ống dây cho dòng điện không đổi I chạy qua vòng dây ( Hình 1b) Nhờ định luật Biot Savard – Laplace, ta dễ dàng tính cảm ứng từ dòng điện tròn, phẳng gây điểm A nằm trục vòng tròn (hình 1a) (1-1) µo µr 2π R I sin γ d l µo µ r 2π R IR µo µr IR B= = dl = 4π ∫0 r2 4π ∫0 r r3 Ta mở rộng kết cho đoạn ngắn ds ống dây (hình 1c) Neu đơn vị dài có n vòng dây đoạn ngắn ds có nds vòng Cảm ứng từ dó dB dòng I chạy qua nds vòng gây nên điểm A bằng: (1-2) µo µ r R dB = r3 I nds Từ hình vẽ S =R cotan , hay γ Mặt khác R sin γ = r ds = + R dγ sin γ Nhờ hệ thức sau, (1 -2) thành dB = + µo µr R I nd γ r3 Cảm ứng từ B ống dây thẳng dài L (hình I.c) gây điểm A là: (1-3) γ µo µr µo µr B=+ I n ∫ sin γ d γ = I n(cos γ − cos γ ) 2 γ1 Nếu cuộn dây dài vô hạn, γ = 0, γ = π cảm ứng từ điểm trục ống bằng: B = µo µr In (1- 4) Với cuộn dây có chiều dài hữu hạn B có giá trị nhỏ công thức Theo (I-4), cường độ từ trường H xác định bởi: (1- 5) H= B = I n π o µr b Phương pháp đo cảm ứng từ B: - Giả sử ta có khung dây gồm N vòng có diện tích S, đặt từ trường B cho mặt phẳng khung vuông góc với vectơ cảm ứng từ B Từ thông Φ gửi qua khung, B vuông góc với mặt khung dây: Φ = NBS (1-6) Nếu cách ta làm thay đổi từ thông qua khung theo định luật cảm ứng điện từ, khung xuất sđđ cảm ứng: (1-7) dΦ ε =− dt Nếu khung dây nối với điện trở tải R, điện trở khung dây r, theo định luật Ôm, dòng điện i chạy khung xác định bởi: (1-8) ε dΦ i= R+r =− R + r dt Nếu ta làm cho từ thông thay đổi từ Φ đến thời gian ngăn τ , đện lượng q chạy mạch bằng: τ Φ q = ∫ idt = − dΦ = ∫ R+r Φ R+r (1-9) Kết hợp với (1 -6), ta suy B: (1-10) R+r B= q SN Như vậy, đo điện lượng q chạy mạch điện khung dây thời gian từ thông gửi qua khung biến thiên từ đến 0, ta xác định từ thông cảm ứng từ B Φ Φ theo ( -9) ( 1- 10) Đó nguyên tắc loại máy cảm ứng từ để đo từ trường không đổi, gọi từ thông kế chiều - Trong trường hợp cần đo khảo sát từ trường ống dây thẳng dài, ta dùng từ thông kế xoay chiều thuận tiện xác từ thông kế chiều Nguyên tắc từ thông kế xoay chiều sau: Ta dùng dòng xoay chiều để nuôi cuộn dây: I = Io sin ωt Có thể sử dụng dòng xoay chiều lấy từ lưới điện quốc gia hay từ máy phát tín hiệu điện xoay chiều Khi cường độ từ trường H tạo dòng diện chạy ống dây: N H = I sin ωt L (1-11) Và cảm ứng từ lòng ống dây: µµN B = µ0 µr H = r I sin ωt = B0 sin ωt L Trong N B = µµ0 I L (1-12) biên độ cảm ứng từ biến thiên tuần hoàn Nếu đặt khung dây có N vòng tròn tiết diện S (đều) vào ống sđđ cảm ứng xuất khung là: ε =− dΦ dt Trong φ = N2SB = N2SB0 sinωt Lấy đạo hàm theo t ta có: ε = − N Sω B = − N Sω B0cosωt = −ε 0cosωt (1-13) đo biên độ sđđ cảm ứng ε0 ta xác định 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 I = 2.I 1.3 Thí nghiệm: 1.3.1 Nội quy an toàn thí nghiệm: - Giáo viên hướng dẫn sinh viên phải nắm vững nội quy an toàn phòng thí nghiệm quy định - Để đảm bảo độ xác cao kết phép đo người thực thí nghiệm phải để thiết bị mặt phẳng - Sử dụng an toàn ổ cắm điện 220V, tắt khóa thiết bị trước sử dụng lưới điện 220V 1.3.2 Nội dung thí nghiệm: - Đo cảm ứng từ B dọc theo trục cuộn dây - Xác định phụ thuộc cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện I chạy qua cuộn dây 1.3.3 Phương pháp 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 - Một cuộn dây có đường kính d = 3mm, số vòng N 2= 100 vòng, có trục đo Plastic dài 350mm, khắc vạch 300mm/1mm - Từ thông kế xoay chiều Tesla Meter MC-8606 có thang đo biên độ suất điện động cảm ứng thang đo cảm ứng từ B tương ứng - Bộ nguồn đa AC-DC 0-3-6-9-12V - Đồng hồ đa số DT-9205 - Dây nối mạch có hai đầu phích Cuộn dây đặt lòng ống dây dịch chuyển dọc theo trục ống nhờ trụ Plastic có chia độ đến mm dọc theo thân trụ - Một đồng hồ vạn số dùng để đo dòng I sđđ cảm ứng (một chiều xoay chiều) - Một nguồn điện 0-3-6-9-12V AC/DC ( chiều xoay chiều) A Hình I 3.6 ống dây thẳng dài cuộn dây đo b Trình tự thí nghiệm: Trong thực tập ta cần đo cảm ứng từ B dọc theo trục cuộn dây xác định phụ thuộc 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 thang đo biên độ sđđ cảm ứng thang đo cảm ứng từ B tương ứng Bước1: Lắp ráp mạch điện - ống dây mắc nối tiếp với ampe kế xoay chiều ( Thang đo AC 10A) nối vào hai lỗ cắm nối nguồn xoay chiều, ban đầu để V - Phích chân đầu đo cảm ứng từ mắc tới lối vào Tesla Meter MC-8606 - Đồng hồ DT9205 đặt thang đo 2V nối với lối Interface 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 đến 30 cm, đo vị trí cách 1cm - Ghi số liệu vào bảng Bước3: Xác định phụ thuộc cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện I chạy qua cuuộn dây - Đặt cuộn dây đo nằm ống dây (vạch dấu vị trí x = 15) - Thực phép đo phần cố định vị trí cuộn dây đo thay đổi dòng điện I chạy qua cuộn dây nhờ chuyển mạch điện áp xoay chiều nấc 3-6-9-12V, đọc giá trị dòng điện hiệu dụng đồng hồ DT9205 giá trị B tương ứng đồng hồ MC-8606 c Kết thí nghiệm: - Đọc ghi số liệu vào bảng 1, bảng - Vẽ đồ thị B = f(I) Nhận xét dạng dồ thị B = f(I) - Sự phụ thuộc B = f(I) có phù hợp với công thức I.4 không? Tại sao? 1.4 Chuẩn bị sinh viên: - Đọc nghiên cứu thí nghiệm - Đọc nghiên cứu lý thuyết có liên quan đến nội dung thí nghiệm - Chuẩn bị vật dụng, giấy ghi chép số liệu thí nghiệm Sự chuẩn bị sinh viên phải thông qua kiểm tra GV hướng dẫn thí nghiệm Nếu không đạt yêu cầu, sinh viên không tham gia thí nghiệm có thí nghiệm tiếp vào buổi khác hay không GV Bộ môn giải PHẦN II: VIẾT BÁO CÁO THÍ NGHIỆM 2.1.Quy định chung: Báo cáo thí nghiệm viết tay, mặt khổ A4, đóng Mỗi sinh viên có báo cáo riêng 2.2 Báo cáo kết thí nghiệm: 2.2.1 Đo cảm ứng từ B dọc theo trục ống dây x (cm) E0 (V) B (mT) x (cm) 10 11 12 13 E0 (V) B (mT) x (cm) 14 15 16 17 18 19 20 E0 (V) B (mT) x (cm) 21 22 23 24 25 26 27 E0 (V) B (mT) x (cm) E0 (V) B (mT) 28 29 30 Vẽ đồ thị biểu diễn đường phụ thuộc thực nghiệm B vào x dựa kết đo đường phụ thuộc lý thuyết B vào x dựa công thức (I.3) với µr ≈ So sánh đường giải thích sai lệch có 2.2.2 Sự phụ thuộc cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện I chạy qua ống dây Kết đo: Vị trí cuộn dây: x = 15 cm U (v) I (A) 12 B0 (mT) - Vẽ đồ thị B = f(I) - Nhận xét dạng dồ thị B = f(I).Sự phụ thuộc có phù hợp với công thức I.4 không? Nếu không sao? ... gọi từ thông kế chiều - Trong trường hợp cần đo khảo sát từ trường ống dây thẳng dài, ta dùng từ thông kế xoay chiều thuận tiện xác từ thông kế chiều Nguyên tắc từ thông kế xoay chiều sau: Ta... dung thí nghiệm: - Đo cảm ứng từ B dọc theo trục cuộn dây - Xác định phụ thuộc cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện I chạy qua cuộn dây 1.3.3 Phương pháp cách thức thí nghiệm: a Dụng cụ thí nghiệm: ... 3.6 ống dây thẳng dài cuộn dây đo b Trình tự thí nghiệm: Trong thực tập ta cần đo cảm ứng từ B dọc theo trục cuộn dây xác định phụ thuộc cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện chạy qua ốnga dây