a. Bố trí hệđo – tiến hành đo
Mục tiêu của bộ thí nghiệm này là khảo sát lực tác dụng lên dòng điện thẳng đặt trong từ trường đều, do đó yêu cầu đặt ra khi tiến hành thiết kế bộ thí nghiệm là phải đảm bảo từ trường giữa hai bản kim loại của nam châm chữ U là từ trường đều. Tuy nhiên độ lớn cảm ứng từ tại mỗi vị trí trong vùng từ trường này không đều nhau. Do đó phải tiến hành khảo sát độ lớn cảm ứng từ ở tất cả các điểm trong vùng từ trường giữa hai bản kim loại của nam châm. Các bước được thực hiện như sau:
+ Bước 1: Xác định vùng từ trường cần khảo sát. Ở đây vùng từ trường được khảo sát có dạng hình hộp với kích thước 12x10x9cm ở giữa hai bản kim loại của nam châm như hình 3.7.
Hình 3.7. Vùng từ trường khảo sát bên trong nam châm điện.
+ Bước 2: Nối nam châm với nguồn điện và lần lượt điều chỉnh biến trở cho cường độ dòng điện qua nam châm có giá trị 0.5A và 1.0A.
+ Bước 3: Chia vùng từ trường này thành các ô nhỏ có thể tích 1cm3, chọn gốc tọa độ đo là ô trong cùng, ở mép trên của bản kim loại như hình 3.7.
+ Bước 4: Đặt hệ đo như trong hình 3.7, quay nam châm về vị trí 00 (vị trí cần gạt của nam châm vừa chạm công tắc hành trình khi qua từ trái sang phải).
(a)
(b)
+ Bước 6: Tiến hành khảo sát cảm ứng từ B từ ô được chọn làm mốc và lần lượt đo cảm ứng từ tại tất cả các ô trong vùng này bằng cách dịch chuyển các thanh trượt trên các hệ tọa độ x, y, z như trong hình.
Hình 3.9. Hệ đo cảm ứng từ đã được lắp đặt và tiến hành đo bằng cách di chuyển hệ theo ba trục x, y, z.
+ Bước 7: Cập nhập dữ liệu vào bảng và tiến hành vẽ đồ thị độ lớn cảm ứng từ bên trong nam châm điện trong phần mềm Mathematica 11.3.
b. Kết quả khảo sát
Tiến hành thí nghiệm khảo sát theo các bước trên, các số liệu thu được sẽ được đưa vào phần mềm Mathematiaca 11.3 và vẽ thành đồ thị như sau:
(a)
(b)
Hình 3.10. Đồ thị ba chiều biểu diễn độ lớn cảm ứng từ giữa hai bản kim loại của nam châm khi dòng điện qua nam châm có cường độ là 0.5A (a) và 1.0A
Lưu ý, chiều cảm ứng từ giữa hai bản kim loại của nam châm là chiều từ cực Bắc sang cực Nam (từ phải sang trái) như hình 3.7. Từ hai đồ thị hình 3.10a và hình 3.10b có thể thấy, giá trị cảm ứng từ tại các điểm trong từ trường ở giữa hai bản kim loại của nam châm không đều nhau, nhưng vùng không gian ở giữa trong cả hai trường hợp có độ lớn cảm ứng từ chênh lệch không nhiều.Vì khung dây dẫn được sử dụng trong bộ thí nghiệm đặt đồng trục với trục quay của nam châm và chiều dài đoạn dây nằm ngang chịu tác dụng của lực từ là 4cm và cao 1cm , do đó vùng từ trường thực tế khi khung dây đặt trong đó chịu tác dụng của lực từ có kích thước là 5x5x1cm. Ngoài ra, vì khung dây dẫn có hai cạnh nằm ngang là cạnh trên và cạnh dưới nên theo quy tắc bàn tay trái, đặt khung dây có dòng điện đi qua trong vùng từ trường của nam châm, khung dây sẽ chịu hai lực từ ngược chiều. Vì thế giá trị mà cảm biến lực – loadcell thu được là hiệu độ lớn của hai giá trị lực từ trên. Từ đó, tiến hành tính độ lớn trung bình cảm ứng từ của hai vùng không gian có độ cao 5cm và 14cm.
B à ù ∑ ∑ , (6) Trong đó, N là tổng số giá trị cảm ứng từ tương ứng với một độ cao z trong vùng từ trường khảo sát. Từ biểu thức (6), ta thu được biểu thức tính cảm ứng từ trung bình tại vùng không gian 5x5x1cm ở giữa:
B ∑ ∑ , (7)
Với i, j là tọa độ mà đầu dò khảo sát độ lớn cảm ứng từ theo trục x, y. Dựa biểu thức (7) và bảng giá trị khảo sát cảm ứng từ B ở phần phụ lục, ta thu được giá trị cảm ứng từ trung bình ở hai mức độ cao z = 5cm, z = 14cm ở bảng 3.
Bảng 3. Độ lớn cảm ứng từ trung bình ở cạnh trên (z = 5cm) và cạnh dưới (z = 14cm) của khung dây.