Báo cáo thí nghiệm trường Điện từ bài thí nghiệm trường Điện từ buổi 1 bài 2 thí nghiệm về các dạng phân bố Điện tích

Thí nghiệm với quả cầu có mũi nhọn: Trình tự Giá trị đồng hồ đo Đo và ghi lại giá trị tại các vị trí khác nhau bên ngoài quả cầu *Nhận xét: -Điện tích phân bố không đều trên bề mặt vật,

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

Mã học phần: EE2031 HỌC KỲ 2024.1

Họ và tên: Vũ Anh Dũng

MSSV: 20232033

Lớp: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa – EE2 09

Mã lớp:749432

Giảng viên hướng dẫn:Nguyễn Văn Thực

Hà Nội ,12/2024

BÀI THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐIỆN TỪ BUỔI 1

BÀI 2:

THÍ NGHIỆM VỀ CÁC DẠNG PHÂN BỐ ĐIỆN TÍCH

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

- Biết cách tiến hành thí nghiệm trên bộ thiết bị, đo được mật độ điện

tích,giải thích được mối quan hệ giữa mật độ điện tích mặt với hình dạng

vật thể

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Trên mỗi bề mặt của vật dẫn kim loại, sự phân bố của điện tích được đo

lần lượt bằng các hàm mật độ điện tích mặt pS Nếu sự phân bố điện tích

trên mặt là không đều thì hàm mật độ điện tích mặt sẽ thay đổi theo từng

vị trí trên bề mặt vật dẫn Đối với vật dẫn kim loại, tùy theo hình dáng

của vật mang điện mà trên bề mặt của nó, sự phân bố điện tích sẽ không

đều, ví dụ tại các bề mặt góc nhọn, hàm mật độ điện tích mặt sẽ thường

lớn hơn tại các vị trí bề mặt có góc tù

III KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

a Thí nghiệm với hai quả cầu kim loại:

Trình tự

Giá trị đồng hồ đo (V) Lần 1 Lần 2

A B C D A B C D

Đo giá trị điện tích tại các vị trí cố định khác

nhau A, B, C, D trên bề mặt quả cầu 1 9 10 9 8 9 9 8 9

Di chuyển sao cho quả cầu 1 cách quả cầu 2

Di chuyển sao cho quả cầu 1 cách quả cầu 2

*Nhận xét:

-Khi 2 quả cầu cách nhau 20 cm, coi như không có ảnh hưởng gì đến nhau,

giá trị đồng hồ đo chỉ điện thế trên bề mặt quả cầu khi quả cầu được nối với

bộ nguồn áp tĩnh điện Giá trị này bằng nhau tại mọi điểm trên quả cầu, phù

hợp với lý thuyết

-Cho 2 quả cầu cách nhau 1cm Quả thứ nhất nhiễm điện dương, quả thứ 2

theo thế hưởng ứng sinh ra hiện tượng phân cực, với phía gần quả cầu 1 có

nhiều điện tích âm, phía còn lại có nhiều điện tích dương được nối đất nên

điện tích dương đi theo dây xuống đất Quả cầu 2 sẽ càng tích điện âm với độ

lớn lớn hơn cho đến khi tương đương với trị số của quả cầu 1 Vì vậy tại bước

này chỉ có quả cầu 2 biến đổi, quả cầu 1 gần như không có sự thay đổi về điện

thế, tại vị trí A, gần quả cầu 2 sẽ có chỉ số dao động lớn hơn do tính phân cực

của quả cầu 1 do sự ảnh hưởng bởi quả cầu tích điện âm 2

-Khi nối đất quả cầu 1, điện tích tự do theo thế ra ngoài, tại các vị trí C, D

mất điện tích nên điện thế xấp xỉ bằng 0; ở 2 vị trí A, B do sự ảnh hưởng bởi

tính phân cực từ quả cầu 2 tích điện âm nên vẫn có những điện tích tại đây

sinh ra điện thế Nhưng nếu để đủ lâu 2 quả cầu sẽ trung hòa về điện

-Khi đặt 2 quả cầu cách nhau 50cm lần nữa, không còn giữ được sự phân

cực, quả cầu 1 được nối đất nên trung hòa về điện, điện thế tại mọi vị trí đều

bằng 0

-Lý do khi nối đất quả cầu thứ 2 mà điện tích vẫn tồn tại trên quả cầu: Vì

như đã giải thích ở trên, quả cầu tồn tại sự phân cực, gần quả cầu 1 có nhiều

điện tích âm do hưởng ứng với quả cầu 1 tích điện dương, còn phía còn lại

điện tích dương bị đẩy ra theo dây xuống đất

b Thí nghiệm với quả cầu rỗng, có lỗ trên đỉnh:

Trình tự

Giá trị đồng hồ đo (V)

Đo và ghi lại giá trị

bên ngoài quả cầu 10 9 9 9 9 8 10 8

Đưa que thử vào

*Nhận xét:

-Điện thế tại mọi vị trí bên ngoài quả cầu đều bằng nhau

-Điện thế bên trong quả cầu bằng 0 với mọi lần đo

c Thí nghiệm với quả cầu có mũi nhọn:

Trình tự

Giá trị đồng hồ đo

Đo và ghi lại giá trị tại các

vị trí khác nhau bên ngoài

quả cầu

*Nhận xét:

-Điện tích phân bố không đều trên bề mặt vật, từ đó lý giải giá trị đo được

tại các vị trí khác nhau không bằng nhau

-Điện tích tập trung nhiều tại các vị trí nhọn, và phân bố ít tại các vị trí

cong trơn, lí giải tại sao tại A lại có điện thế cao nhất, còn các vị trí như C, D

có điện thế nhỏ hơn phù hợp với lý thuyết

BÀI 3: THÍ NGHIỆM VỀ ĐIỆN DUNG VÀ ĐIỆN MÔI

I.MỤC TIÊU

Phần thí nghiệm này giúp sinh viên biết cách tiến hành thí nghiệm trên bộ thiết

bị, đo được các thông số trong nội dung bài thí nghiệm, giải thích được mối quan

hệ giữa C, Q, V, giải thích được tính chất vật lý của các loại vật liệu khác nhau

thể hiện trong điện trường tĩnh

II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Đối với tụ điện phẳng, ta có quan hệ sau:

Trong đó:

- C: điện dung của tụ điện phẳng

- A: tiết diện của tấm bản cực kim loại

- d: khoảng cách giữa 2 bản cực

- ɛ: hằng số điện môi của chất điện môi

Nếu có N tụ điện mắc song song với nhau, giá trị điện dung tương đương được tính theo công thức:

CTĐ=C1+C2+C3+…+CN

Hình 2: Mô hình tương đương của đồng hồ đo điện áp trong các

thí nghiệm đo điện dung tụ điện

Lưu ý: Trong các thí nghiệm đo điện dung của tụ điện, đồng hồ đo điện áp sẽ có mô

hình tương đương gồm một vôn kế có tổng trở lớn vô cùng mắc song song với một tụ

điện CE (CE là điện dung bên trong của đồng hồ đo (25pF)) và điện dung ký sinh của đầu que đo) (xem Hình 2) Do giá trị điện dung CE rất nhỏ hơn so với giá trị của tụ

điện cần đo trong thí nghiệm nên có thể bỏ qua

III.CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG

- Đồng hồ đo điện áp (ES-9078)

- Lồng Faraday (ES-9042A)

- Bộ nạp điện tích và que đo lấy mẫu điện tích (ES-9057B)

- Bộ nguồn điện áp tĩnh điện (ES-9077)

- 02 quả cầu kim loại (ES-9059B)

- Thiết bị tụ điện biến thiên (ES-9079)

- Các tấm điện môi

- Tụ điện 30pF

- Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất

- Máy tính cài phần mềm ScienceWorkshopR interface

IV TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1.1.Đo điện dung của đồng hồ đo điện áp (ES-9078) và điện dung ký sinh của đầu que đo

- Bước 1: Nối tụ điện 30pF vào nguồn điện 1 chiều để nạp điện cho tụ Điều chỉnh điện áp của nguồn 1 chiều (nhỏ hơn 100V)

- Bước 2: Sau khi nạp đầy điện tích cho tụ Lắp tụ điện 30pF vào hai đầu que

đo của đồng hồ đo điện áp Đọc và ghi lại giá trị điện áp trên đồng hồ (VE)

- Bước 3: Tính giá trị điện dung của đồng hồ đo và điện dung ký sinh của đầu que đo theo công thức:

1.2 Kiểm chứng mối quan hệ giữa C, V và Q đối với tụ điện phẳng

a.Đo V trong điều kiện C không đổi, Q thay đổi

- Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thí nghiệm.

Nối quả cầu kim loại với nguồn điện áp 2000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất cho

đồng hồ đo điện áp, giữ khoảng cách đủ xa giữa quả cầu kim loại và thiết bị

tụ điện phẳng

Hình 3: Sơ đồ mô phỏng quá trình kết nối các thiết bị

-Bước 2: Khử điện tích dư trên đồng hồ đo điện áp và trên bản cực của

tụ điện

-Bước 3: Đặt khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 4cm Sử dụng

que đo lấy mẫu điện tích để truyền điện tích từ quả cầu kim loại sang bản cực của

tụ điện bằng cách chạm que đo vào quả cầu kim loại, sau đó chạm vào 1 bản cực

của tụ điện

-Bước 4: Đọc và ghi lại giá trị điện áp trên đồng hồ đo sau mỗi lần chạm que

đo điện tích vào bản cực của tụ điện

-Bước 5: Lặp lại các bước từ 1 đến 4 nhưng với khoảng cách 2 bản cực của

tụ điện là (4mm) So sánh các giá trị điện áp trong 2 lần thực hiện thí nghiệm•

Kết quả thực nghiệm:

- Nhận xét: Khi ta tăng điện tích Q cho tụ thì hiệu điện thế U giữa hai bản tụ cũng

tăng

- Suy ra mối quan hệ giữa Q và U là tuyến tính, U tỉ lệ thuận với Q

b.Đo Q trong điều kiện C thay đổi, V không đổi

-Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thí

nghiệm Giữ khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 6cm, nối 2 bản

cực tụ điện với nguồn áp 2000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo

điện áp

Hình 4: Sơ đồ mô phỏng quá trình kết nối các thiết bị

-Bước 2: Nối đất que đo lấy mẫu điện tích và sử dụng que đo này và lồng

faraday để xác định giá trị mật độ điện tích tại các vị trí khác nhau trên bản cực

của tụ điện Nhận xét sự thay đổi giá trị mật độ điện tích theo các vị trí khác

nhau trên bản cực của tụ

-Bước 3: Thay đổi khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện, đo giá trị mật

độ điện tích tại điểm giữa của bản cực của tụ tại mỗi vị trí khoảng cách 2 bản

cực Nhận xét về sự thay đổi của điện tích theo giá trị điện dung của tụ

Vị trí Giá trị đồng hồ đo (V)

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5

Nhận xét:

- Điện tích trên bản tụ phẳng tập trung ở rìa, càng xa tâm càng nhiều

điện tích

Vị trí Giá trị đồng hồ đo (V)

d= 4cm d= 5cm d= 6cm d= 7cm d= 8cm

Nhận xét:

- Do C tỉ lệ nghịch với d (C =) nên khi d tăng thì C giảm, mà theo số liệu

thì

Q cũng giảm Suy ra C và Q có mối quan hệ tuyến tính, C tỉ lệ thuận với Q

c.Đo Q trong điều kiện V thay đổi, C không đổi

- Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thí nghiệm Giữ khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 6cm, nối 2 bản cực tụ điện với nguồn áp 3000V (1 chiều) Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp

Hình 1: Sơ đồ mô phỏng quá trình kết nối các thiết bị

- Bước 2: Giữ nguyên khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện Thay đổi giá trị điện áp đặt vào 2 bản cực của tụ từ 3000V (1 chiều) xuống 2000V (1 chiều), 1000V (1 chiều)

- Bước 3: Đo giá trị mật độ điện tích tại điểm giữa của bản cực của tụ Nhận xét sự thay đổi điện tích trên bản cực theo giá trị điện áp của tụ

Giá trị điện áp 3000V 2000V 1000V

Giá trị đồng hồ đo

(V)

 V và Q có mối quan hệ tuyến tính Q tỉ lệ thuận với V

d.Đo V trong điều kiện C thay đổi, Q không đổi.

- Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thí nghiệm

Hình 2: Sơ đồ mô phỏng quá trình kết nối các thiết bị

- Bước 2: Đặt khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ là 2mm Nối tụ điện vào nguồn áp 1 chiều với giá trị điện áp 30V

- Bước 3: Thay đổi khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ Đọc và ghi lại giá trị trên đồng hồ đo với mỗi giá trị khoảng cách Nhận xét sự thay đổi điện áp theo giá trị điện dung của tụ

Giá trị đồng hồ đo (V) 10 18 30 35 45 57 65 79

 Điện áp tỉ lệ nghịch với giá trị điện dung

1.3.Đo hằng số điện môi của chất điện môi

- Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cô hướng dẫn thí nghiệm Giữ khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ là 3mm

- Bước 2: Sử dụng bộ nguồn áp 1 chiều nạp điện cho tụ điện với giá trị 4/5 full scale Ghi lại giá trị của điện áp Vi

- Bước 3: Tăng khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện sao cho có thể dễ

dàng bổ sung tấm điện môi

- Bước 4: Sau khi bổ sung tấm điện môi, điều chỉnh khoảng cách 3 bản cực

của tụ về 3mm Đọc giá trị điện áp trên đồng hồ (Vf)

- Bước 5: Tăng khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ và bỏ tấm điện môi

- Bước 6: Giảm khoảng cách 2 bản cực về cự ly 3mm Đọc giá trị điện áp Vi Tính giá trị hằng số điện môi của tụ

BUỔI THÍ NGHIỆM SỐ 3

Bài 1: Quan hệ giữa lực từ và dòng điện

I, MỤC TIÊU

          Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ hiểu quan hệ tuyến tính giữa lực từ

và dòng điện một chiều.

II, THÍ NGHIỆM

1 CÁC THIẾT BỊ CẦN THIẾT

Bộ cân dòng cơ bản:

Bộ này (Hình 1) gồm có:

+     Khối thiết bị chính

+     Sáu vòng dây

+ Khối nam châm với sáu nam châm

Hình 1

Các thiết bị phụ trợ

+      Nguồn một chiều có khả năng cấp dòng tới 5A

+    Ămpe kế một chiều có thể đo dòng tới 5A

+   Cân có khả năng đo lực với độ chính xác lên tới 0,01g khối lượng tương đương

2 TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Lắp đặt và bố trí thiết bị như Hình 2.

Bước 1: Xác định khối lượng của bộ đỡ nam

châm và nam châm khi không có dòng điện

Ghi kết quả vào cột Khối lượng trong Bảng 1

Bước 2: Tăng dòng điện lên 1 A Xác định

khối lượng mới của tổ hợp nam châm – bộ đỡ

Ghi kết quả vào cột Khối lượng trong Bảng 1

Bước 4: Tăng dòng từ 1 A lên tối đa 5 A, mỗi lần có dòng điện mới thì thức hiện

các bước từ 2 – 3

III KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Dòng (A) Khối lượng (g) Lực (g) Dòng (A) Khối lượng (g) Lực (g)

2.5 161.04 1.31

Từ kết quả thí nghiệm, ta có đồ thị:

0 0.5 1 1.5 2 2.5

3 Quan hệ giữa lực từ và dòng điện

Dòng (A)

NHẬN XÉT:

-        Lực từ do được từ thực nghiệm có kết quả gần đúng với tính toán lý thuyết, một số sai số ảnh hưởng đến kết qủa đo như sai số dụng cụ ,sai số

hệ thống,…

-        Từ đồ thị , đường thực nghiệm gần đúng với đường thẳng là đường tuyến tính Chứng tỏ, mối quan hệ giữa lực từ và dòng điện là tuyến tính tức Fm tỷ lệ thuận với I

-        Từ công thức : Fm = IL×B khi đổi chiều I thì Fm cũng đổi chiều hay

chiều của lực từ phụ thuộc vào chiều dòng điện

-        Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn thì nam châm và dây dẫn có lực tương tác lẫn nhau Dòng điện càng mạnh thì lực tương tác với nam châm càng mạnh, và lực F sẽ mạnh Vì vậy lực tỉ lệ thuận với dòng điện

Bài 2: Quan hệ giữa lực từ và chiều dài của

dây dẫn mang dòng điện

I MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ hiểu quan hệ tuyến tính giữa lực từ và chiều dài của dây dẫn mang dòng điện

II THÍ NGHIỆM

Một dây dẫn mang dòng điện và một từ trường có lực tương tác lẫn nhau Nếu sợi

dây thẳng và từ trường đều thì lực từ này được tính theo tích hữu hướng:

Fm = ILB

trong đó I [A] là cường độ dòng điện một chiều chảy trong dây dẫn L [m], B

[Wb/m2] là cường độ từ cảm (hay còn gọi là cảm ứng từ) Độ lớn của lực này được tính theo:

Fm = ILBsinθ với θ là góc nhỏ hơn giữa từ trường và dây dẫn Như vậy lực từ tỉ lệ thuận với

chiều dài sợi dây mang dòng điện

1 THIẾT BỊ CẦN THIẾT

Bộ cân dòng cơ bản

Bộ này (Hình 1) gồm có:

- Khối thiết bị chính

- Sáu vòng dây

- Khối nam châm với sáu nam châm

Các thiết bị phụ trợ

- Nguồn một chiều có khả năng cấp dòng tới 5A

- Ămpe kế một chiều có thể đo dòng tới 5A

- Cân có khả năng đo lực với độ chính xác lên tới 0,01g khối lượng tương đương

2 TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

- Lắp đặt và bố trí thiết bị như Hình 2

Hình 2 Bước 1: Xác định chiều dài của lá dây dẫn Ghi kết quả vào cột Chiều dài trong Bảng 2

Bước 2: Khi không có dòng điện, xác định khối lượng của tổ hợp nam châm –

bộ đỡ Ghi kết quả vào góc trên bên trái Bảng 2

Bước 3: Tăng dòng điện lên 2 A Xác định khối lượng mới của tổ hợp nam

châm – bộ đỡ Ghi giá trị này vào cột “Khối lượng” của Bảng 2

Bước 4: Trừ khối lượng của tổ hợp khi có dòng với khối lượng của tổ hợp khi

không có dòng Ghi kết quả vào cột Lực trong Bảng 2

Bước 5: Tắt dòng điện Thay lá dây dẫn khác Lặp lại các bước từ 1 – 4

III KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Khối lượng khi I = 0: 160.73 g

Chiều dài (mm) Khối lượng (g) Lực (g)

Từ kết quả thực nghiệm, ta có đồ thị sau :

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Quan hệ giữa lực từ và chiều dài của dây dẫn mang dòng điện

Chiều dài (mm)

Nhận xét:

     - Lực từ do được từ thực nghiệm có kết quả gần đúng với tính toán lý thuyết,một số sai sai số ảnh hưởng đến kết qủa đo như sai số dụng cụ ,sai số hệ thống

      - Từ đồ thị , đường thực nghiệm gần đúng với đường thẳng là đường tuyến tính Chứng tỏ, mối quan hệ giữa lực từ và chiều dài dây dẫn là tuyến tính tức Fm tỷ

lệ thuận với L

- Độ lớn của lực này được tính theo:

Fm = ILBsinθ

(với θ là góc nhỏ hơn giữa từ trường và dây dẫn.)

- Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn thì nam châm và dây dẫn có lực tương tác lẫn nhau Chiều dài dây dẫn càng dài thì lực tương tác với nam châm càng mạnh, và lực F sẽ mạnh Vì vậy lực tỉ lệ thuận với chiều dài dây dẫn