300 vòng của khung dây với điện Hình 2.8 Chuyển động đều của khung dây trên bản từ
2.1.4.1. Sự cần thiệt phải hoàn thiện thiết bị thí nghiệm hiện có ở trường THPT
THPT
TBTN về hiện tượng tự cảm có ở trường THPT cho phép tiến hành 2 TN về sự xuất hiện hiện tượng tự cảm khi đóng mạch và khi ngắt mạch. TN về hiện tượng tự cảm khi ngắt mạch còn chứng tỏ được: SĐĐCƯ xuất hiện trong cuộn cảm có lõi sắt khi ngắt mạch là khá lớn, đủ làm sáng đèn khí kém Ne có điện áp định mức 70V. Tuy nhiên, ở TN này, cần sử dụng tính chất dẫ điện một chiều của điôt phát quang (LED) mà HS đã biết để tiến hành thêm TN kiểm nghiệm sự cùng chiều với dòng điện do nguồn điện gây ra của dòng điện tự cảm khi ngắt mạch.
Mặt khác, vì các quá trình biến đổi theo thời gian của dòng điện qua mạch có cuộn cảm khi đóng mạch và khi ngắt mạch xảy ra nhanh nên HS không thể thấy được chúng trong các TN đã tiến hành. Có thể thay thế việc quan sát trực tiếp các quá trình này bằng việc quan sát trên màn hình dao động kí điện tử quá trình biến đổi theo thời gian của tín hiệu điện có dạng là xung vuông được lấy từ chính dao động kí điện tử và đưa vào mạch, mà không cần sử dụng máy phát âm tần. Dao động kí điện tử là TBTN đã được sử dụng trong một số TN trong chương trình vật lí lớp 11 và lớp 12, đã được mô tả trong SGK và trong một số tài liệu khác. Việc sử dụng dao động kí điện tử để tiến hành TN về hiện tượng tự cảm sẽ làm phong phú thêm các khả năng sử dụng nó trong dạy học vật lý ở trường THPT.
Ngoài ra, tuy từng TN chỉ đòi hỏi phải sử dụng một số bộ phận của TBTN hiện có, nhưng do tất cả các bộ phận của TBTN đều đã được gắn cố định trên bảng nên chúng đều có mặt trong mọi TN. Điều
này không những làm phân tán sự quan sát, mà còn làm hạn chế khả năng thết kế các phương án TN trong quá trình học tập của HS.
Các phân tích nêu trên cho thấy sự cần thiết phải hoàn thiện TBTN hiện có về hiện tượng tự vảm. TBTN mới phải cho phép tiến hành không những các TN đã biết, mà cả những
TN cần bổ sung, mở rộng và phải khắc phục Hình 2. .TBTN về hiện tượng tự cảm
được nhược điểm đã nêu của TBTN hiện có.
2.1.4.2. Các bộ phận của thiết bị thí nghiệm
TBTN (Hình 2.22) gồm các bộ phận sau: Biến trở 30 (2) được lắp trên đế có giắc cắm.
Khung dây dẫn (1) có lõi sắt, có ba đầu ra tương ứng 500 vòng, 1000 vòng. Hai đèn dây tóc 1,5V-3W (3) được lắp trên đế có giắc cắm.
Điôt phát quang (4) được lắp trên đế có giắc cắm.
Đèn khí kém Ne (5) có công suất nhỏ, có điện áp định mức là 70V, được lắp trên đế có giắc cắm.
Cầu dao đóng ngắt điện (6), cầu nối điện (7) và bảng mạch in (8) có các cặp lỗ để cắm các linh kiện điện.
- Hai điện trở loại 22 (9).
-Để tiến hành các TN với TBTN, còn cần sử dụng nguồn điện một chiều 12V và dao động kí điện tử.
2.1.4.3. Các thí nghiệm được tiến hành với thiết bị thí nghiệm
TBTN cho phép tiến hành các TN sau:
Thí nghiệm 4.1 - TN vềhiện tượngtự cảmkhiđóngmạch.
Thí nghiệm 4.2 - TN vềhiện tượngtự cảmkhi ngắtmạch.
Thí nghiệm 4.3 - TN vềquá trình biến đổitheo thờigian của dòngđiện qua cuộn cảm khi đưa xung điện vuông vào mạch có cuộn cảm.
Thí nghiệm 4.1: Khảo sát hiện tượng tự cảm khi đóng mạch.
a) Mục đích thí nghiệm
Khảo sát sự xuất hiện SĐĐCƯ trong cuộn cảm khi đóng mạch (cường độ dòng điện qua chính cuộn cảm tăng).
b) Tiến trình thí nghiệm
lắp trên bảng (8) các bộ phận của hai nhánh mạch điện (Hình 2.23) trong đó có sử dụng khung dây có lõi sắt 1000 vòng dây, rồi nối vào nguồn điện một chiều 6V. Đóng cầu dao điện (6), điều chỉnh biến trở (2) để hai đèn (3) ở hai nhánh mạch điện sáng như nhau rồi ngắt cầu dao điện.
Sau một lúc, đóng nhanh cầu dao điện, sẽ thấy: Đèn nối tiếp với cuộn cảm sáng chậm hơn so với đèn nối tiếp với biến trở.
Thí nghiệm 4.2: Khảo sát hiệntượng tự cảmkhi ngắtmạch.
a) Mục đích thí nghiệm
Khảo sát sự xuất hiện SĐĐCƯ trong cuộn cảm khi ngắt mạch (cường độ dòng điện qua chính cuộn cảm giảm đột ngột về 0).
Kiểm nghiệm sự cùng chiều với dòng điện do nguồn điện gây ra của dòng điệ tự ảm khi ngắt mạch.
Chỉ ra: SĐĐCƯ khi ngắt mạch là khá lớn.
b) Tiến trình thí nghiệm
Lắp trên bảng (8) mạch điện có các bộ phận (Hình 2.24), trong đó có sử dụng khung dây có lõi sắt 1000 vòng dây, rồi nối mạch vào nguồn điện một chiều 6V. Đóng cầu dao điện (6) để đèn dây tóc (3) sáng. Ngắt nhanh cầu dao điện, sẽ thấy: Đèn không tắt ngay mà lóe sáng lên, rồi mới tắt.
Hình 2. TN về hiện tượng tự cảm khi ngắt mạch dụng đèn neon
Thay đèn dây tóc bằng điôt phát quang (4) được mắc theo ngược chiều. Đóng cầu dao điện điôt phát quang không sáng. Nhưng khi ngắt nhanh cầu dao điệnm điôt phát quang lóe sáng lên, rồi mới tắt. Từ sự sáng lên cảu điôt phát quang được mắc theo chiều ngược, suy ra: Dòng điện tự cảm qua cuộn dây cùng chiều với dòng điện qua cuộn dây trước khi ngắt mạch do nguồn điện gây ra.
Lại thay điôt phát quang bằng đen khí kém Ne (5) thì khi đóng mạch, đèn cũng không sáng, do điện áp đặt vào đèn nhỏ hơn điện áp định mức của đèn (Hình 2.24). Nhưng khi ngắt nhanh mạch điền, đèn lại lóe sáng trước khi tắt. Kết quả TN đã chứng tỏ: SĐĐCƯ xuất hiện trong cuộn dây có lõi sắt khi ngắt mạch là khá lớn.
Thí nghiệm 4.3: Khảosát quá trình biến đổi theo thờigian của dòngđiệnqua cuộn cảm khi đưa xung điện vuông vào mạch có cuộn cảm.
a) Mục đích thí nghiệm
Khảo sát quá trình biến đổi theo thời gian của dòng điện qua cuộn cảm khi đưa vào đoạn mạch có cuộn cảm xung điện vuông được lấy từ dao động lí điện tử (Hình 2.26).
Thay cho việc đặt vào hai đầu đoạn mạch gồm cuộn cảm được mắc nối tiếp với điện trở một điện áp một chiều (nhờ nối đoạn mạch với nguồn điện một chiều) và đóng, ngắt mạch điện để hiện tượng tự cảm xảy ra, ta đưa vào đoạn mạch này xung điện
vuông được lấy từ dao động lí điện tử và quan sát trên màn hình dao động kí điện tử sự biến đổi theo thời gian của tín hiệu điện
b) Tiến trình thí nghiệm
Đưa xung điện vuông với tần số f = 1000Hz được lấy từ dao động kí điện tử vào đoạn mạch gồm hai điện trở R1 và R2 được mắc nối tiếp với nhau bằng cách nối đầu A của đoạn mạch vào chốt 1 (chốt này có kí hiệu là “5V-1000Hz”) của dao động kí điện tử và nối ddaaud C của đoạn mạch vào đầu lạnh (đầu mass) của dao động kí điện tử (Hình 2.26).
Hình 2. . Sự biến đổi theo thời gian của dòng điện Qua điện trở, b – c qua cuộn dây không thuần cảm
Điện trở R1 được lấy trên biến trở (2) có giá trị bằng điện trở thuần của cuộn cảm L1 (khung dây dẫn (1) với 500 vòng dây có lõi sắt). các giá trị điện trở này được đo nhờ đồng hồ điện đa năng được sử dụng với chức năng là ôm kế. Nối B vào cổng
Y1 của dao động kí điện tử để quan sát đồ thị sự biến thiên theo thời gian của điện áp trên điện trở R2 và cũng là đồ thị sự biến thiên theo thời gian của dòng điện chạy qua
R1. Điềuchỉnh núm tỉ lệ xích biên độ và núm tỉ lệ xích thời gian sao cho có thể quan sát được sự biến thiên này trong khoảng hai chu kì.
Với tín hiệu đưa vào đoạn mạch là xung vuông, dòng điện qua R1 tăng đột ngột đến giá trị cực đại, rồi ổn định trong nửa chu kì đầu và sau đó, lại giảm đột ngột về 0 và ổn định trong nửa chu kì sau (Hình 2.26a).
Nếu thay điện trở R1 bằng cuộn cảm L1 thì đồ thị biểu diễn sự biến đổi theo thời gian của dòng điện qua L1 có dạng (Hình 2.26b). Từ đồ thị, ta thấy: Dòng điện qua L1
tăng chậm đến giá trị cực đại, rồi ổn định và sau đó, giảm chậm đến giá trị 0 và ổn định.
Tiếp tục thay L1 bằng điện trở R1 có giá trị bằng điện trở thuần của cuộn cảm L2
(khung dây dẫn (1) với 1000 vòng dây coa lõi sắt), rồi lại thay R1 bằng cuộn cảm L2
để quan sát lần lượt các đồ thị biểu diễn sự biến đổi theo thời gian của dòng điện qua
điện qua R1 vẫn có dạng như (Hình 2.26a), còn sự biến đổi theo thời gian của dòng điện qua L2 có dạng ở (Hình 2.26c). Như vậy, khi tăng số vòng dây của cuộn cảm thì dòng điện qua nó tăng chậm hơn đến giá trị cực đại và cùng giảm chậm hơn về giá trị 0.