Các dụng cụ đo thông dụng dùng trong trường phổ thông ppsx

Đầu dò hiệu ứng Hall Phương pháp đo này sử dụng hiệu ứng Hall tạo ra một hiệu điện thế tỷ lệ thuận với hệ số tỷ lệ biết trước với cường độ dòng điện cần đo... Đồng hồ vạn năng điện tử Đồ

Các dụng cụ đo thông dụng dùng trong trường phổ thông

I Ampekế

Một ampe kế là một dụng cụ đo cường độ dòng điện Tên của dụng

cụ đo lường này được đặt theo đơn vị đo cường độ dòng điện là ampe

Ampe kế can thiệp mắc nối tiếp với mạch điện

Mọi ampe kế đều tiêu thụ một hiệu điện thế nhỏ nối tiếp trong mạch điện

Ký hiệu ampe kế trong mạch điện là một vòng tròn có chữ A ở giữa

và có thể thêm ký hiệu các cực dương và âm hai bên cho dòng điện một chiều

Để giảm ảnh hưởng đến mạch điện cần đo, hiệu điện thế tiêu thụ trong mạch của ampe kế phải càng nhỏ càng tốt Điều này nghĩa là trở kháng tương đương của ampe kế trong mạch điện phải rất nhỏ so với điện trở của mạch

Ampe kế không can thiệp

Ampe kế can thiệp có nhược điểm là cần phải được lắp đặt như một thành phần trong mạch điện Chúng không dùng được cho các mạch điện

đã được chế tạo khó thay đổi Đối với các mạch điện này, người ta có thể

đo đạc từ trường sinh ra bởi dòng điện để suy ra cường độ dòng điện Phương pháp đo như vậy không gây ảnh hưởng đến mạch điện, an toàn, nhưng đôi khi độ chính xác không cao bằng phương pháp can thiệp

Đầu dò hiệu ứng Hall

Phương pháp đo này sử dụng hiệu ứng Hall tạo ra một hiệu điện thế

tỷ lệ thuận (với hệ số tỷ lệ biết trước) với cường độ dòng điện cần đo

Trang 26

Hiệu điện thế Hall vH gần như tỷ lệ thuận với cường độ từ trường sinh ra bởi dòng điện, do đó tỷ lệ thuận với cường độ của dòng điện đó Chỉ cần cuốn một hoặc vài vòng dây mang dòng điện cần đo quanh một lõi sắt từ của đầu đo là ta có được từ trường đủ để kích thích hoạt động của đầu đo Thậm chí đôi khi chỉ cần kẹp lõi sắt cạnh đường dây là đủ

Sơ đồ mạch điện của một đầu đo cường độ dòng điện sử dụng hiệu ứng Hall Màu xanh lục: lõi sắt từ, màu đỏ: thanh Hall, màu tím: bộ khuyếch đại điện, màu lam: điện trở Điện thế ra vM tỷ lệ với cường độ

dòng điện vào i p

Tuy nhiên hiện tượng từ trễ không tuyến tính trong sắt từ có thể làm giảm độ chính xác của phép đo Trên thực tế người ta có thể sử dụng một mạch điện phản hồi để giữ cho từ thông trong lõi sắt luôn xấp xỉ không, giảm thiểu hiệu ứng từ trễ và tăng độ nhạy của đầu đo, như trong hình vẽ

Dòng điện phản hồi iS được chuyển hóa thành hiệu điện thế ra vS nhờ bộ khuyếch đại điện Tỷ lệ giữa số vòng cuốn trên lõi sắt từ m (thường trong khoảng từ 1000 đến 10000) cho phép liên hệ giữa dòng cần đo và dòng

phản hồi: iS = 1/m · iP

Các ưu điểm:

 Hiệu điện thế tiêu thụ trên đoạn dây cuốn vào đầu đo chỉ chừng vài mV

 Hệ thống rất an toàn do được cách điện với mạch điện

 Hệ thống có thể đo dòng điện xoay chiều có tần số từ 0 (tức là điện một chiều) đến 100kHz

Hệ thống này cũng được ứng dụng trong vạn năng kế điện tử, hay thậm chí trong dao động kế

Kẹp kế

Trang 27

Một kẹp kế đo cường độ dòng điện

Trong dòng điện xoay chiều, từ trường biến thiên sinh ra bởi dòng điện có thể gây cảm ứng điện từ lên một cuộn cảm nằm gần dòng điện Đây là cơ chế hoạt động của kẹp kế

II.Đồng hồ vạn năng

Đồng hồ vạn năng hay vạn năng kế là một dụng cụ đo lường điện có nhiều chức năng Các chức năng cơ bản là ampe kế, vôn kế, và ôm kế, ngoài ra có một số đồng hồ còn có thể đo tần số dòng điện, điện dung tụ điện, kiểm tra bóng bán dẫn (transitor)

Đồng hồ vạn năng hiển thị kim

Trang 28

Bên trong đồng hồ vạn năng thường

Loại này ra đời trước và dần bị thay thể bởi vạn năng kế điện tử Bộ phận chính của nó là một Gavanô kế Nó thường chỉ thực hiện đo các đại lượng điện học cơ bản là cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở Hiển thị kết quả đo được thực hiện bằng kim chỉ trên một thước hình cung Loại này có thể không cần nguồn điện nuôi khi hoạt động trong chế độ đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế

Đồng hồ vạn năng điện tử

Đồng hồ vạn năng điện tử, còn gọi là vạn năng kế điện tử là một đồng hồ vạn năng sử dụng các link kiện điện tử chủ động, và do đó cần có nguồn điện như pin Đây là loại thông dụng nhất hiện nay cho những người làm công tác kiểm tra điện và điện tử Kết quả của phép đo thường được hiển thị trên một màn tinh thể lỏng nên đồng hộ còn được gọi là đồng

hồ vạn năng điện tử hiện số

Một vạn năng kế điện tử

Trang 29

Bên trong một đồng hồ vạn năng điện tử

Việc lựa chọn các đơn vị đo, thang đo hay vi chỉnh thường được tiến hành bằng các nút bấm, hay một công tắc xoay, có nhiều nấc, và việc cắm dây nối kim đo vào đúng các lỗ Nhiều vạn năng kế hiện đại có thể tự động chọn thang đo

Vạn năng kế điện tử còn có thể có các chức năng sau:

1 Kiểm tra nối mạch: máy kêu "bíp" khi điện trở giữa 2 đầu đo (gần) bằng 0

2 Hiển thị số thay cho kim chỉ trên thước

3 Thêm các bộ khuyếch đại điện để đo hiệu điện thế hay cường độ dòng điện nhỏ, và điện trở lớn

4 Đo độ tự cảm của cuộn cảm và điện dung của tụ điện Có ích khi kiểm tra và lắp đặt mạch điện

5 Kiểm tra diốt và transistor Có ích cho sửa chữa mạch điện

6 Hỗ trợ cho đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt

7 Đo tần số trung bình, khuyếch đại âm thanh, để điều chỉnh mạch điện của radio Nó cho phép nghe tín hiệu thay cho nhìn thấy tín hiệu (như trong dao động kế)

8 Dao động kế cho tần số thấp Xuất hiện ở các vạn năng kế có giao tiếp với máy tính

9 Bộ kiểm tra điện thoại

10 Bộ kiểm tra mạch điện ô-tô

11 Lưu giữ số liệu đo đạc (ví dụ của hiệu điện thế)

III Máy phát xung

Máy phát xung hay máy tạo sóng đo lường là bộ nguồn tạo ra các tín hiệu chuẩn về biên độ, tần số và dạng sóng dùng trong thử nghiệm và đo lường Các máy tạo sóng trong phòng thí nghiệm có các dạng sau:

Trang 30

 Máy tạo sóng sin tần thấp LF (low frequency);

 Máy tạo sóng sin tần số vô tuyến RF (radio frequency);

 Máy tạo hàm;

 Máy phát xung;

 Máy phát tần số quét, máy phát các tín hiệu thử nghiệm

Các máy tạo tín hiệu RF thường có dải tần số từ 0 kHz đến 100 kHz, với mức điện áp có thể điều chỉnh từ 0 - 10V Các máy tạo hàm cũng thường là máy phát RF với 3 dạng sóng đặc trưng là sóng vuông, sóng tam giác và sóng hình sin

IV Dao động kí điện tử (oscilloscope)

Dao động kí điện tử là thiết bị quan trọng trong đo lường, nó dùng

để quan sát và nghiên cứu các tín hiệu điện Bộ phận quan trọng nhất của dao động kí là bộ phận hiển thị, đó là ống tia êlectrôn

1 Cấu tạo ống tia êlectrôn

Ống tia êlectrôn là một đèn chân không dùng để biến đổi tín hiệu điện thành hình ảnh, nó tương tự như đèn hình của máy thu hình, nhưng thường có kích thước nhỏ và bộ phận lái tia dùng bằng điện trường Bộ phận quan trọng của ống tia êlectrôn là súng điện tử, nó tạo ra chùm êlectrôn mảnh để bắn vào màn huỳnh quang làm phát ra ánh sáng Vì chùm tia êlectrôn có quán tính rất bé nên ống êlectrôn có khả năng ghi nhận những quá trình điện biến thiên đến hàng chục triệu lần trong một giây (MHz)

Độ dư sáng của màn huỳnh quang, tức là màn huỳnh quang tiếp tục phát sáng sau khi bị êlectrôn kích thích, nó có thể kéo dài từ hàng micro giây đến hàng chục giây Với dao động kí điện tử, màn huỳnh quang có thể

Trang 31

có độ dư sáng rất ngắn Đối với đèn hình trong tivi độ dư sáng dài hơn, còn đối với rađa thì rất dài Hình 6.56 mô tả nguyên lí cấu tạo của ống êlectrôn

Ống tia là một bóng chân không cao (10-6 10-8 mmHg), phía trong xung quanh mặt hình nón phủ một lớp graphit có điện thế dương, phía đáy được phủ lớp phốt pho phát quang Phần hình trụ được gắn các điện cực: cực Katốt K nơi phát ra các êlectrôn, cực điều khiển M, anốt thứ nhất A1

và anốt thứ hai A2 Các điện cực đó tạo thành súng êlectrôn Cực điều khiển M thường có điện áp âm khoảng – 20V đến – 70V so với katốt, nó được điều chỉnh bởi chiết áp P1 Điện thế của A1 dương so với katôt (khoảng 250V đến 500V), người ta dùng P2 để điều chỉnh điện áp của nó Anốt A2 nối liền với lớp graphít có điện thế cao, làm nhiệm vụ gia tốc cho chùm êlectrôn (khoảng 1000V đến 2000V)

Hệ thống làm lệch bằng điện trường, được thực hiện bởi các cặp bản

tụ điện x, y đặt vuông góc với nhau Sự chuyển động của tia điện tử là tổng hợp của hai chuyển động do hai điện áp đặt vào hai cặp bản tụ gây nên Chính hệ thống làm lệch êlectrôn là nguyên tắc được áp dụng trong dao động kí điện tử

2 Dao động kí điện tử

Dao động kí điện tử ( oscilloscope) là một dụng cụ để ghi lại hình ảnh của tín hiệu cần khảo sát Bộ phận chính của dao động kí là ống tia êlectrôn có hệ thống làm lệch bằng điện trường Ta đặt vào cặp bản X một điện áp răng cưa, tín hiệu cần khảo sát được đưa vào cặp bản Y của dao động kí

Muốn cho hình ảnh đứng yên trên màn thì chu kì T của điện áp răng cưa phải bằng số nguyên lần chu kỳ TY của tín hiệu cần nghiên cứu Muốn cho hình ảnh hiện lên trên màn được ổn định ta dùng mạch đồng bộ đặt trong dao động kí

Trang 32

P

2

K M A

1 A

2

Cấu tạo ống tia điện tử

T =

T

Y

T = 2T

Y

b)

Tín hiệu có tần số khác nhau hiển thị trên màn huỳnh quang

Trên hình đã vẽ trường hợp dao động hiện trên màn huỳnh quang của dao động kí khi T = TY (hình 6.57a) và T = 2TY

Để thuận tiện khảo sát các hệ thống có tín hiệu vào và ra (ví dụ hệ thống khuếch đại), hiện nay dao động kí thường dùng là loại hai kênh hai tia Thực chất loại này là hai hệ thống dao động kí được thiết kế dùng một màn hình hiển thị Ngoài ra trên dao động kí được thiết kế thêm bộ phận tạo tín hiệu mẫu để tiện cân chỉnh và định lượng tín hiệu cần khảo sát

Hình sau là dạng của một dao động kí hai kênh hai tia hiện nay thường dùng trong phòng thí nghiệm

V Đồng hồ đếm thời gian điện tử và ứng dụng

Trang 33

Hình dạng bên ngoài của một dao động ký

Đồng hồ đếm điện tử trong bộ thí nghiệm vật lí 10

Đồng hồ đo thời gian hiện số, là dụng cụ đếm rất chính xác và đóng vai trò quan trọng trong một số bài thí nghiệm khảo sát chuyển động của vật Nếu nắm được nguyên tắc hoạt động cơ bản của đồng hồ thì có thể linh hoạt sử dụng các cách khác nhau để thực hiện thí nghiệm và ứng dụng vào những nội dung khác tương tự

Để đo thời gian, cần xác định thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc của một chuyển động Với một thiết bị đếm thơi gian, cần thiết kế 2 lối vào, tương ứng với 2 thời điểm đó Dụng cụ đếm có chính xác hay không phụ thuộc vào tính tức thời của tín hiệu “khẩu lệnh” bắt đầu hay kết thúc Cách thức chọn dạng “khẩu lệnh” và kiểu hoạt động của bộ đếm gọi

là mode Khẩu lệnh của đồng hồ đếm thời gian điện tử là những xung điện hay còn gọi là xung đếm

Cách mô tả các dạng xung đếm ở đây chỉ mang tính nguyên lí, thực

tế còn phụ thuộc vào cách thiết kế và cấu trúc của dụng cụ.

Ta hãy xem xung đếm có dạng như thế nào để thể hiện được tính tức thời Trong mạch điện tử, để thay đổi trạng thái, cần lưu ý đến ngưỡng lật Ngưỡng lật là mức điện áp tối thiểu có thể làm chuyển trạng thái của mạch,

Trang 34

DỤNG CỤ ĐẾM THỜI GIAN

Bắt đầu đếm

Kết thúc

đếm

Mô tả nguyên tắc của dụng cụ đếm thời gian

Ngưỡng lật

t  0

t = 0

Ngưỡng lật trạng thái và nguyên nhân gây sai số

thời gian chuyển trạng thái rất nhanh có thể xem như tức thời và đó là lí do đồng hồ đếm điện tử có độ chính xác cao

Mức điện áp của xung đếm luôn cần cao hơn mức ngưỡng Tuy nhiên, nếu dạng xung có dạng vuông (hình 3a), thì mức sai số do xung tạo

ra có thể xem bằng 0, vì với mức áp nào của xung cũng có t = 0 Còn nếu dạng xung bất thường (ví dụ hình b), thì với các mức áp khác nhau trong khoảng t đều có thể lật trạng thái, như vậy nó có thể gây sai số trong các lần lật trạng thái khác nhau Điều đó, có nghĩa nếu dùng đồng hồ để xác định thời gian của chuyển động trong các lần khác nhau, thì với dạng xung như trên có thể gây sai số đáng kể

Xung đếm, trong các bài thí nghiệm cơ học của vật lí lớp 10, được tạo ra từ hai dụng cụ chính là từ hộp công tắc và từ cổng quang học

Đối với cổng quang học, ánh sáng hồng ngoại được phát ra từ LED chiếu thẳng đên phôtô điốt Giả thiết cường độ nguồn sáng không đổi, duy trì trạng thái phân cực của phôtô điôt với mức điện áp cố định Nếu một vật chắn sáng, ngắt mức điện áp duy trì đột ngột, tức là tạo ra một xung biến đổi dạng vuông để có thể đưa vào một cổng đếm của đồng hồ

Như vậy thiết kế vật khảo sát cần thoả mãn điều kiện cơ học (ví dụ

để có thể bỏ qua sức cản của không khí) và điều kiện các lần chắn sáng

Trang 35

Phôtô điôt

Phát ánh sáng

u

t

Cổng quang học và dạng xung tạo ra khi có vật đi qua

Chẳng hạn nếu chọn hình trụ phẳng hai đầu, có thể đảm bảo điều kiện chắn sáng, nhưng yêu cầu phương rơi luôn thẳng đứng Còn nếu chọn quả cầu thì cần chính xác các lần đi qua cổng quang phải là đỉnh, nếu không thì độ dài của phần khảo sát sẽ khác nhau ở các lần khác nhau

Còn đối với công tắc, sự ngắt tiếp xúc đột ngột cũng có thể tạo ra dạng xung vuông làm xung đếm Tuy nhiên với tiếp điểm kim loại, tính đàn hồi của các cơ cấu công tắc, điện trở của vùng tiếp xúc và thao tác bấm của người sử dụng dễ tạo ra độ thoải sườn sau của xung cùng với sự biến đổi bất thường của điện áp

Như vậy nếu thiết kế cấp độ chính xác của đồng hồ cao, thì cần thiết

có bộ sửa dạng xung của công tắc, hoặc phải lựa chọn các thông số kĩ thuật của công tắc để đảm bảo dạng xung tạo ra dạng vuông

Hộp công tắc kép, trong bộ thí nghiệm có thể hiểu: một công tắc tạo xung cho cổng đếm, còn công tắc kia dùng để ngắt điện cho nam châm Như vậy khi ta bấm công tắc, nếu đặt ở kiểu mode thích hợp, khi đồng hồ bắt đầu đếm, nam châm nhả vật khảo sát ra Điều đó cần có sự đồng thời của việc đếm và nhả vật, tuy nhiên với lõi nam châm điện có độ từ dư lớn (lõi không hoàn toàn sắt non, hay vật bị nhiễm từ), thì có thể đồng hồ đã đếm mà vật vẫn chưa nhả ra

Các xung đếm dùng cho đồng hồ sẽ là xung bắt đầu hay xung kết thúc phụ thuộc vào việc lựa chọn mode Tìm hiểu kĩ các mode, có thể linh hoạt trong cách khảo sát các chuyển động cơ học

Các mode của đồng hồ:

1 Mode A (hoặc B, trên đồng hồ là chuyển mạch 2 mode)

Trang 36

Tia sáng hồng ngoại

u

t

t

Dạng xung của công tắc có thể tạo ra

Mode này xác định thời gian chắn sáng của vật đi qua cổng quang điện Điều đó có nghĩa, thời gian đo được phụ thuộc vào chính kích thước của vật và tốc độ chuyển động của vật đó qua cổng

Dạng xung đếm được tạo ra khi có vật đi qua cổng quang học được nối với cổng A (hoặc B) và lựa chọn mode A (hoặc B) được biểu diễn trên hình 8 Thời điểm bắt đầu đếm tại tbđ, thời điểm kết thúc đếm tại tkt và như vậy thời gian chắn sáng là tx Với đặc điểm như vậy, ta có thể dùng mode này để xác định vận tốc tức thời của vật, nếu như kích thước vật không lớn

và xem như chuyển động trong khoảng tx ngắn là đều

Nếu dùng công tắc sử dụng mode này, thì đó là thời gian công tắc bị ngắt điện Có thể dùng thử xem độ nhạy của công tắc như thế nào

2 Mode A + B

Là thời gian chắn sáng của vật qua cổng nối với A cộng với thời gian chắn sáng qua cổng nối với B Thời gian chắn sáng tại cổng nối với A là tA, thời gian chắn sáng tại cổng nối với B là tB, còn tA+B là thời gian từ cuối cổng này đến đầu cổng kia Với mode này đồng hồ không đếm tA+B

Hiển thị trên đồng hồ sẽ xuất hiện hai lần số liệu, đó là thời gian của

tA và sau đó là thời gian của cả tA và tB Như vậy cần chú ý đọc nhanh thời gian hiển thị của tA vì nó lướt rất nhanh nếu hai cổng đặt gần nhau và tốc

độ chuyển động của vật cao

Trang 37

Mô tả mode A (hoặc B)

đường kính bi

20mm

Cổng quang điện

u

t

t

x

t

bđ

t

kt

t

B

t

A+B

t u

Mô tả dạng xung mode A + B