nghiên cứu, chế tạo đệm từ trường dùng cho các thí nghiệm bảo toàn động lượng

Nếu như chế tạo thành công hệ thống đệm từ trường từ các nam châm vĩnh cửu có thể đạt được những đặc điểm giống như mô hình tàu chạy trên đệm từ thì chúng ta có thể sử dụng hệ thống đệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

PHAN THÙY DUNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐỆM TỪ

TRƯỜNG DÙNG CHO CÁC THÍ NGHIỆM

BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TP.Hồ Chí Minh, Năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

PHAN THÙY DUNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐỆM TỪ

TRƯỜNG DÙNG CHO CÁC THÍ NGHIỆM

BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ (VẬT LÝ)

Mã số: 102

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN LÂM DUY

TP.Hồ Chí Minh, Năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn TS Nguyễn Lâm Duy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm đề tài tốt nghiệp này

Để hoàn thành đề tài khóa luận này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình từ các thầy cô trong khoa Vật Lý Tôi chân thành cảm ơn các thầy cô quản lý các phòng thí nghiệm: “Vật lý đại cương nâng cao” và “Vô tuyến điện” đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi sử dụng các thiết bị thí nghiệm cũng như phòng thí nghiệm trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Cuối cùng, cho tôi gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Vật Lý và các bạn bè đã tạo mọi điều kiện tốt nhất, giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận của mình

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên không thể tránh khỏi các thiếu sót Kính mong nhận được góp ý từ quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Mục lục

Trang bìa phụ 1

Lời cảm ơn 2

Mục lục 3

Lời mở đầu 6

Chương 1: Cơ sở lý thuyết 9

1.1 Cơ sở lý thuyết chính 9

1.2 Một số mô hình tham khảo 10

Chương 2: Các bước chuẩn bị cho quá trình chế tạo thực nghiệm 14

2.1 Khảo sát từ phổ của nam châm 14

2.1.1 Mục đích 14

2.1.2 Cách thực hiện 14

2.1.3 Kết quả thu được 16

2.1.4 Nhận xét 18

2.2 Nghiên cứu tương tác giữa ray và xe trượt 19

2.2.1 Mục đích 19

2.2.2 Cách tiến hành và kết quả thu được 19

2.2.2.1 Mô tả cách khảo sát 19

2.2.2.2 Kết quả thu được 20

2.2.2.3 Nhận xét 20

Chương 3: Các cấu hình đã nghiên cứu 22

3.1 Cấu hình 1 22

3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết 22

3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm 24

3.1.2.1 Các bước tiến hành 24

3.1.2.2 Khảo sát mô hình 25

3.1.3 Nhận xét 33

3.2 Cấu hình 2 34

3.2.1 Nghiên cứu lý thuyết 34

3.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm 35

3.2.2.1 Các bước tiến hành 36

3.2.2.2 Kết quả sau khi lắp ráp 36

3.2.3 Đánh giá quá trình nâng của hệ thống 39

3.2.3.1 Khảo sát vận tốc chuyển động của xe 39

3.2.2.2 Khảo sát độ lớn lực ma sát trong quá trình chuyển động của xe trên ray 44

3.2.4 Đánh giá bước đầu về chất lượng hoạt động của hệ thống đệm từ trường nghiên cứu 48

Chương 4: Thử nghiệm ban đầu cho thí nghiệm về bảo toàn động lượng 49

4.1 Cách bố trí thí nghiệm 49

4.2 Cách tiến hành 49

4.3 Kết quả thu được 50

4.4 Nhận xét 50

4.4.1 Theo lý thuyết 50

4.4.2 Thực nghiệm 51

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài 53

5.1 Kết luận 53

5.1.1 Đối với cấu hình 1 53

5.1.2 Đối với cấu hình 2 53

5.2 Hướng phát triển 54

Phụ lục 1: Tàu chạy trên đệm từ 55

Phụ lục 2: Bảng số liệu khảo sát độ lớn từ trường của một nam châm 58

Phụ lục 3: Bảng số liệu khảo sát độ lớn từ trường của 4 nam châm (cách bề mặt nam châm 1,5cm) 59

Phụ lục 4: Bảng số liệu khảo sát độ lớn từ trường của 4 nam châm (cách bề mặt nam châm 2cm) 61

Tài liệu tham khảo 63

LỜI MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Hiện nay, trong lĩnh vực đồ dùng thí nghiệm cho trường THPT tại Việt Nam tuy đã được chú trọng đầu tư nhiều nhưng vẫn còn hạn chế về chủng loại và chất lượng Nhất là tại các vùng cao, vùng hẻo lánh thì việc đầu tư cho các bộ dụng cụ thí nghiệm càng khó khăn hơn (kinh phí, điều kiện sử dụng,…) Ví dụ như đối với bài thí nghiệm về định luật bảo toàn động lượng chẳng hạn, phổ biến hiện nay chúng ta

có bộ đệm không khí nhưng bộ này phải cần sử dụng điện năng, thiết bị hơi cồng kềnh khó chuyên chở, có nhiều tiếng ồn trong quá trình sử dụng,… nên khó có thể dùng bộ thí nghiệm đệm không khí để phục vụ các trường còn hạn chế về điều kiện giảng dạy

Mặc khác, hiện tượng hút đẩy của các nam châm đã được chúng ta biết từ lâu Ở nhiều nước trên thế giới, người ta đã chế tạo thành công và đưa vào sử dụng tàu chạy trên đệm từ trường dựa trên nguyên tắc hút đẩy của các nam châm Tàu đệm

từ sử dụng kỹ thuật nâng bằng lực từ thông qua sự tương tác giữa tàu và đường ray

Do đó, không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa đường ray và tàu, nên chỉ có lực ma sát giữa con tàu và không khí Lực ma sát này nhỏ so với trường hợp tàu chạy trên đường ray thường [2] Lấy ý tưởng từ tàu chạy trên đệm từ, tôi muốn thử tiến hành nghiên cứu chế tạo bộ đệm từ nhưng sử dụng vật liệu tạo ra từ trường là nam châm vĩnh cửu thay vì nam châm điện của tàu đệm từ

Nếu như chế tạo thành công hệ thống đệm từ trường từ các nam châm vĩnh cửu (có thể đạt được những đặc điểm giống như mô hình tàu chạy trên đệm từ) thì chúng ta

có thể sử dụng hệ thống đệm từ này phục vụ các thí nghiệm về định luật bảo toàn động lượng Với những ưu điểm của đệm từ chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu như không cần sử dụng điện năng, không gây tiếng ồn, có thể kết nối những thanh nam châm riêng rẽ thành hệ thống dài hơn một cách dễ dàng,… sẽ làm cho việc chế tạo

và ứng dụng đệm từ để đưa vào sử dụng có ý nghĩa lớn Chính vì những lý do trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, chế tạo đệm từ trường dùng cho các thí nghiệm bảo

toàn động lượng” với mục đích đặt ra là chế tạo đệm từ trường từ các nam châm vĩnh cửu nhằm bổ sung thêm một bộ đồ dùng nữa cho việc thực hiện các thí nghiệm

về bảo toàn động lượng trong chương trình vật lý THPT

Việc chế tạo đệm từ trường từ nam châm vĩnh cửu, trước đây, người ta đã tiến hành nghiên cứu và đã cho ra nhiều sản phẩm Nhưng hầu hết các sản phẩm này đều có chung một cách bố trí nam châm trên hệ thống ray và xe (sẽ được trình bày rõ hơn trong bài) Hạn chế chung của các sản phẩm này là xe đều bị tựa vào một bên thành ray khi chuyển động Vì vậy, ở đề tài này, tôi tiếp tục tiến hành nghiên cứu về đệm

từ trường từ nam châm vĩnh cửu với mục đích tìm ra một cấu hình khác, có thể khắc phục được hạn chế mà các sản phẩm đã đưa ra mắc phải, để có thể dùng bộ dụng cụ này vào phục vụ dạy học

Phương pháp nghiên cứu

Do đề tài này thuộc lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo dụng cụ thí nghiệm nên phương pháp nghiên cứu chủ yếu là:

- Tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu hiện có

- Chế tạo và đo đạc thực nghiệm

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

- Khảo sát từ phổ của một nam châm và các nam châm ghép với nhau

- Nghiên cứu tương tác lực từ giữa các nam châm

- Nghiên cứu cấu hình lắp đặt hệ thống các nam châm

- Gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống đệm từ trường và xe trượt

- Thử nghiệm ban đầu cho thí nghiệm về bảo toàn động lượng

Những nội dung chính được trình bày trong báo cáo này

 Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Phần này tôi sẽ trình bày:

- Những cơ sở lý thuyết về nam châm và đặc điểm từ trường của nam châm

- Một số mô hình về đệm từ trường đã được nghiên cứu

 Chương 2: Các bước chuẩn bị cho quá trình chế tạo thực nghiệm

Phần này sẽ trình bày mục đích, phương pháp và kết quả khi tiến hành hai bước trong quá trình chuẩn bị:

- Khảo sát từ phổ của nam châm với các hình dạng khác nhau

- Nghiên cứu tương tác lực từ giữa ray và xe trượt

 Chương 3: Các cấu hình hệ thống đệm từ trường nghiên cứu

Phần này sẽ trình bày quá trình nghiên cứu, các bước chuẩn bị cũng như kết quả thực tế thu được của từng cấu hình

 Chương 4: Thử nghiệm ban đầu cho các thí nghiệm bảo toàn động lượng

 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong chương này, phần đầu tiên, tôi xin trình bày về những cơ sở lý thuyết được

sử dụng trực tiếp để phục vụ nghiên cứu đề tài như: các đặc điểm cấu tạo của nam châm vĩnh cửu; hình dạng từ phổ của từng loại nam châm; sự tương tác giữa các cực của nam châm Ngoài ra, để thực hiện đề tài nghiên cứu này, tôi có tham khảo một số tài liệu về mô hình tàu chạy trên đệm từ đã được nghiên cứu và lắp ráp Nên trong phần tiếp theo, tôi xin trình bày một số cấu hình mà tôi đã tìm hiểu Đây chính

là những cơ sở rất quan trọng để tôi bắt đầu quá trình nghiên cứu của mình, sẽ được trình bày ở chương sau

là một số dạng từ phổ của nam châm thẳng và nam châm hình chữ U

Hình 1.1 Đường sức từ của nam châm vĩnh cửu thẳng

Hình 1.2 Đường sức từ của nam châm vĩnh cửu hình chữ U

Dựa vào hình dạng đường sức từ của hệ các nam châm, ta có thể xác định một cách định tính lực tương tác giữa chúng:

- Các đường sức của các nam châm đẩy nhau tương ứng với lực đẩy giữa chúng (hình 1.3a)

- Các đường sức của các nam châm kết nối lẫn nhau tương ứng với lực hút giữa chúng (hình 1.3b)

a Hai nam châm cùng cực thì đẩy nhau b Hai nam châm khác cực thì hút nhau Hình 1.3 Lực tương tác giữa các nam châm thông qua hình ảnh đường sức từ

1.2 Một số mô hình tham khảo

Hầu hết các sản phẩm đệm từ trường chế tạo từ nam châm vĩnh cữu đã được lắp ráp hiện nay đều có chung một cấu hình: hệ thống ray gồm 2 hàng nam châm đặt song song với nhau, trên xe được gắn các nam châm trực diện với nam châm trên ray Lúc này, xe sẽ chịu tác dụng của hai lực đẩy thẳng đứng hướng lên như hình 1.4

Hình 1.4 Phác họa hệ thống nam châm cho các mô hình đã được lắp ráp Dựa trên sự bố trí nam châm như hình (1.4), người ta đã nghiên cứu và đã đưa ra các mô hình lắp ráp như hình (1.5) và thu được các sản phẩm như hình (1.6); hình (1.7); hình (1.8)

Hình 1.5 Mô hình đệm từ trường đã được lắp ráp [3]

Hình 1.6 Sản phẩm đệm từ trường đơn giản [4]

Hình 1.7 Sản phẩm đệm từ trường do một hãng đồ chơi sản xuất [5]

Hình 1.8 Sản phẩm đệm từ trường được lắp ráp trong “ Stem Maglev Project” [6]

CHƯƠNG 2 CÁC BƯỚC CHUẨN BỊ CHO QUÁ TRÌNH

CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM

Ở chương này, tôi sẽ trình bày hai bước trong quá trình chuẩn bị trước khi nghiên cứu chế tạo các cấu hình đệm từ trường: khảo sát từ phổ của nam châm và nghiên cứu lực tương tác giữa các nam châm với nhau Ở từng bước, tôi sẽ trình bày rõ mục đích, phương pháp tiến hành cũng như các kết quả thu được.Vì mục tiêu của đề tài là sử dụng các nam châm vĩnh cửu để chế tạo hệ thống đệm từ trường, do đó, việc khảo sát độ lớn của nhiều nam châm ghép lại với nhau là rất cần thiết Nếu khi ghép nhiều nam châm lại tạo thành một nam châm lớn mà có giá trị cường độ từ trường tại các vị trí tương đối bằng nhau thì ta có thể sử dụng các nam châm này cho việc thiết kế, chế tạo mô hình Ngoài ra, việc nghiên cứu lực tương tác giữa các nam châm sẽ cho giúp ta tính toán được khối lượng tối đa của xe trong từng cấu hình cụ thể

2.1 Khảo sát từ phổ của nam châm

Chọn vật liệu chính để làm hệ thống ray là nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm) Do

đó, tôi tiến hành khảo sát từ phổ đối với nam châm loại này

2.1.1 Mục đích

- Khảo sát độ lớn từ trường tại các vị trí khác nhau trên bề mặt của một nam châm Từ đó đưa ra nhận xét về đặc điểm độ lớn cảm ứng từ do nam châm sinh ra

- Ghép 4 nam châm lại với nhau tạo thành một nam châm lớn: khảo sát từ trường của các vị trí trên nam châm ở các khoảng cách khác nhau Từ kết quả thu được, trả lời cho câu hỏi: “Có thể sử dụng các nam châm ghép lại để tạo thành một nam châm kích thước lớn và có độ lớn cảm ứng từ đồng nhất hay không?”

2.1.2 Cách thực hiện

- Bước 1: Dùng giấy có kẻ ô li bọc nam châm để dễ dàng xác định từng vị trí trên nam châm Trên bề mặt nam châm được đánh số thứ tự từ trái qua phải; được đánh số thứ tự hàng từ trên xuống dưới như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ xác định vị trí khảo sát bề mặt nam châm

- Bước 2: Dùng máy đo từ trường để xác định giá trị cảm ứng từ B ở từng vị trí trên nam châm theo các khoảng cách khác nhau Để xác định chính xác từng vị trí, ta dùng đèn rọi vào nam châm Vị trí bóng của đầu dò sensor cho phép ta xác định chính xác vị trí cần đo

+ Khảo sát từ trường tại các vị trí trên một nam châm khi đặt đầu dò cách bề mặt nam châm 5mm Mỗi vị trí khảo sát cách nhau 2mm Do đó, một hàng trên bề mặt nam châm sẽ có 30 vị trí khảo sát

+ Ghép 4 nam châm lại tạo thành một nam châm lớn Khảo sát từ trường tại các vị trí trên một nam châm khi đặt đầu dò cách bề mặt nam châm 1,5cm và 2cm Mỗi vị trí khảo sát cách nhau 4mm Do đó, một hàng trên bề mặt của 4 nam châm ghép lại sẽ có 63 vị trí khảo sát

- Bước 3: Xử lý số liệu và nhận xét kết quả thu được

Hình 2.2 Cách bố trí dụng cụ đo cường độ từ trường của 4 nam châm ghép sát

2.1.3 Kết quả thu đƣợc

Hình 2.3 Đồ thị thể hiện giá trị từ trường của 1 nam châm tại các vị trí khác nhau,

ở khoảng cách 5mm so với bề mặt nam châm

Hình 2.4 Đồ thị thể hiện giá trị từ trường của 4 nam châm ghép lại tại các vị trí khác

nhau, ở khoảng cách 1,5cm so với bề mặt nam châm

Hình 2.5 Đồ thị thể hiện giá trị từ trường của 4 nam châm ghép lại tại các vị trí khác

nhau, ở khoảng cách 2cm so với bề mặt nam châm

+ Trục hoành thể hiện các vị trí của nam châm mà ta đã đánh số thứ tự

+ Từng đường trên đồ thị thể hiện số liệu theo từng hàng ta khảo sát

2.1.4 Nhận xét

 Đối với 1 nam châm, ở vị trí có độ cao cách nam châm 5mm

- Giá trị từ trường của các vị trí khác nhau của nam châm chênh lệch nhau khá lớn

- Ở vùng trung tâm của nam châm từ trường lớn, giảm dần về hai bên rìa

- Trên cùng một bề mặt của nam châm, cực nam châm không thống nhất tại một số vị trí

 Khi ghép nhiều nam châm lại với nhau (4 nam châm) tạo thành khối nam châm lớn

- Tại vị trí cách xa 2 nam châm ở biên, giá trị từ trường nhỏ hơn hai đầu của

hệ nam châm Tuy nhiên, độ chênh lệch về giá trị độ lớn từ trường trong vùng này không lớn như đối với trường hợp khảo sát 1 nam châm

- Tăng khoảng cách giữa vị trí đo đạc với bề mặt nam châm, ta thấy sự chênh lệch độ lớn từ trường của các vị trí càng giảm Vì lúc này, từ trường tại từng

vị trí là tổng hợp từ trường do các nam châm khác nhau sinh ra

Như vậy, ta có thể sử dụng các nam châm nhỏ ghép lại để tạo thành một nam châm lớn, và sử dụng phần từ trường ở khoảng giữa của nam châm phục vụ mục đích nghiên cứu

 Trong thực tế, mỗi nam châm khác nhau có cường độ từ trường khác nhau

Do đó, để có một dãy các nam châm có từ trường tương đối đều nhau, thì khi tiến hành lắp ráp mô hình cần đo đạc sơ bộ cường độ từ trường của các nam châm nhằm lựa chọn được nam châm có độ lớn gần nhau để sử dụng bằng tiến hành các bước sau:

- Dùng một nam châm thử để khảo sát từ tính trên cùng một mặt của từng nam châm để đảm bảo: trên cùng bề mặt nam châm, các cực từ trường tại các vị trí giống nhau

- Dùng máy đo từ trường khảo sát giá trị từ trường tại điểm giữa của nam châm

Hinh 2.6 Cách bố trí dụng cụ khảo sát giá trị từ trường tại điểm giữa của nam châm

2.2 Nghiên cứu tương tác lực từ giữa ray và xe trượt

2.2.1 Mục đích

Xác định giá trị lực đẩy lớn nhất mà hai nam châm có thể tạo ra khi hai nam châm đặt trực diện với nhau Từ đó, chúng ta có thể tính toán được khối lượng tối đa của

xe mà hệ thống ray có thể nâng ứng với từng cấu hình cụ thể nghiên cứu

2.2.2 Cách tiến hành và kết quả thu được

Chọn vật liệu chính để làm hệ thống ray là nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm) Xe trượt có thể sử dụng các nam châm cùng loại Do đó, để nghiên cứu tương tác lực từ giữa ray và xe trượt, ta đặt nam châm sẽ dùng trên xe trực diện với nam châm đen

của ray, rồi cho chúng cách nhau một khoảng nhất định để khảo sát lực tương tác

2.2.2.1 Mô tả cách khảo sát

- Dùng cân điện tử để cân khối lượng nam châm đen lớn (2,5cmx2cmx1cm) là

m1

- Đặt nam châm cần khảo sát ở các vị trí có các khoảng cách khác nhau so với

bề mặt nam châm đen (đảm bảo sao cho chúng trực diện với nhau và 2 mặt đối diện nhau phải cùng cực)

- Đọc số chỉ của cân (chính là khối lượng biểu kiến của nam châm đen) là m2

- Tính hiệu m1-m2; tính lực tương tác bằng biểu thức:

(m1-m2).g ; (với g 10m/s2, gọi là gia tốc trọng trường)

2.2.2.2 Kết quả thu đƣợc sau khi khảo sát

Sau khi tiến hành khảo sát với các loại nam châm khác nhau, ở các khoảng cách so với bề mặt nam châm đen lớn, ta thu được số liệu mô tả trong bảng 1

Bảng 1: Khảo sát độ lớn lực tương tác giữa nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm) với một số loại nam châm (đơn vị N)

Tròn đen (d=2cm)

0,055N 0,097N 0,145N 0,237N

Tròn trắng (d=2cm)

0,145N 0,242N 0,371N 0,541N

Tròn trắng (d=3cm)

0.254N 0,406N 0,595N 0,77N

Đen vuông (2,5cmx2cmx0,1cm)

- Tùy theo cấu hình bố trí hệ thống nam châm trên ray và xe mà ta sẽ tính toán lực nâng cần thiết, sau đó lựa chọn loại nam châm trên xe phù hợp

CHƯƠNG 3 CÁC CẤU HÌNH NGHIÊN CỨU

Trong chương này, tôi xin trình bày 2 cấu hình mà tôi đã nghiên cứu trong thời gian thực hiện đề tài Cấu hình thứ nhất đệm từ trường lấy ý tưởng từ mô hình đệm không khí trong thí nghiệm bảo toàn động lượng Sau khi nghiên cứu, tính toán về mặt lý thuyết, tôi tiến hành chế tạo, lắp ráp với kết quả thu được: xe không nâng lên được, luôn bị hút về một phía ray Qua nhiều phương án khác nhau: thay thế các loại nam châm trên xe khác nhau, hạ trọng tâm xe, tôi đều thu được hiện tượng như trên Từ đó, tôi rút ra hạn chế của cấu hình này là 2 nam châm trên xe và ray không thể đặt trưc diện với nhau được như lý thuyết đưa ra Từ hạn chế của mô hình

1, tôi tiếp tục nghiên cứu theo hướng thay đổi cấu hình của hệ thống nam châm và

đã chế tạo thành công hệ thống đệm từ trường theo cấu hình 2 Nên trong chương này, tôi sẽ trình bày quá trình nghiên cứu, lắp ráp, những đánh giá bước đầu về chất lượng vận hành của hệ thống đệm từ trường đối với cấu hình đã chế tạo

3.1 Cấu hình 1

3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết

Lấy ý tưởng từ mô hình đệm không khí, tôi đã đưa ra phương án nghiên cứu hướng lắp ráp mô hình đệm từ trường như sau: hệ thống ray gồm 2 hàng nam châm đặt trên mặt bên của lăng trụ tam giác vuông cân; xe là một mô hình tam giác đồng dạng với hệ thống ray, trên 2 mặt bên của xe của xe cũng được gắn các nam châm cùng cực với nam châm trên ray

Hình 3.2 Phác họa hệ thống nam châm của cấu hình 1

Theo cấu hình trên, xe chịu tác dụng của 2 lực đẩy F21,F31 và trọng lực của xe F21,

Giả sử từ trường của hai hàng ray là giống nhau, khi đó F31 = F21

Chiếu 2 lực lên trục Ox, Oy

Ox: F x0; Oy: F  2F31y  F F12 .

Thành phần lực theo phương ngang bị triệt tiêu, chỉ còn lại thành phần lực theo phương thẳng đứng làm nâng xe

3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm

3.1.2.1 Các bước tiến hành

 Bước 1: Chuẩn bị vật liệu

- Xe: 2 miếng mica (10cmx8cm)

- Ray: 2 miếng mica (10cmx30cm)

- Nam châm các loại: nam châm đen khối (2,5cmx6cmx1cm); nam châm tròn đen (d=2cm); nam châm tròn trắng với các kích thước d=1cm, d=2cm, d=3cm

 Bước 2: Lựa chọn nam châm phù hợp cho cấu hình trên

Trong bước này, đầu tiên tôi khảo sát khối lượng của từng loại nam châm Sau đó, tôi tính toán khối lượng của xe, lực đẩy của của hệ thống đối với xe ứng với mỗi loại và số lượng nam châm khác nhau Cuối cùng, dựa trên những thông tin trên, tôi đưa ra phương án sử dụng nam châm nào cho xe là hợp lý: tổng lực nâng theo phương thẳng đứng lớn hơn trọng lực của xe

Dùng cân điện tử để khảo sát khối lượng nam châm và thu được bảng số liệu 2

 Bảng 2 Khối lựợng của mỗi viên nam châm và xe

Khối lượng (g)

Nam châm tròn trắng (d=2cm) 6,03

Nam châm tròn trắng (d=3cm) 10,52

Nam châm tròn đen (d=2cm) 4,34

Nam châm đen vuông (2cmx2,5cm) 9,16

Nam châm đen lớn

(2,5cmx6cmx1cm)

10,63

Giả sử xe được nâng lên cách ray 1cm, khi đó độ lớn trọng lượng của xe, giá trị

21

F , giá trị lực đẩy tổng hợp F tác dụng lên xe được thể hiện trong bảng 3

 Bảng 3 Các thông số của cấu hình ứng với từng trường hợp sử dụng nam châm khác nhau

Loại nam châm

trên xe

Số lượng nam châm trên xe

 Bước 3: Lắp ráp

3.1.2.2 Khảo sát mô hình

 Vật liệu

- Xe: trên mỗi bên của xe có gắn 4 nam châm đen vuông (2cmx2,5cm) tạo thành một hàng Bố trí sao cho hai hàng nam châm trên xe đối xứng nhau qua trục của xe

- Hệ thống ray: gồm 2 hàng nam châm đen lớn (2,5cmx6cmx1cm) cũng được

bố trí sao cho đối xứng nhau qua trục của hệ thống

 Kết quả sau khi lắp ráp

Hình 3.4 Hàng ray mô hình 1

Hình 3.5 Hệ thống ray và xe của mô hình 1

Hình 3.6 Xe bị hút lệch về một bên hàng ray

 Hiện tƣợng quan sát đƣợc

- Xe không nổi được trên hệ thống ray mà bị hút lệch sang một bên ray

- Nếu dùng tay tác dụng lên xe một lực hướng xuống, ta thấy xe chịu một lực nâng tổng hợp lớn

 Nguyên nhân dẫn đến hiện tƣợng trên

Ta có thể coi cơ chế xe nổi trên đệm từ như cơ chế vật nổi chịu tác dụng của hai lực: trọng lực và lực nâng Khi đó, xe sẽ chịu tác dụng của hai lực: trọng lượng của

xe có điểm đặt tại khối tâm xe và lực đẩy có điểm đặt tại giao điểm của F21 và F31

Ta có:

- Xe ở trạng thái cân bằng khi: lực đẩy và trọng lực cân bằng với nhau

- Xe sẽ có xu hướng quay khi khối tâm ở vị trí cao hơn điểm đặt của lực đẩy

- Xe có khối tâm đặt càng thấp thì xe càng được cân bằng bền

a b c

Hình 3.7: Các trạng thái của vật: (a) vật đang ở vị trí cân bằng; (b) vật có xu hướng xoay nếu giá của lực F và P không trùng nhau; (c) vật ở vị trí cân bằng bền Trên thực tế, lực đẩyF21vàF31 có độ lớn khác nhau vì từ trường do nam châm trên hai ray không giống nhau Do đó, giá của véctơ trọng lực và giá của véctơ lực đẩy tổng hợp không trùng nhau Chính vì vậy, moment của trọng lực và moment lực nâng tổng hợp sẽ không triệt tiêu nên sẽ có hiện tượng xe bị quay dẫn đến các nam châm trên xe và ray không còn ở vị trí trực đối nữa

 Phương hướng điều chỉnh

 Cách 1: Hạ thấp khối tâm của xe bằng cách gia trọng thêm túi cát hai

bên xe (tức là tăng thêm khối lượng cho xe)

Kết quả sau khi điều chỉnh

Vẫn còn hiện tượng xe bị hút lệch về một bên của hàng ray, xe không nổi được trên

Hình 3.8 Xe bị hút lệch về một phía ray sau khi tinh chỉnh

 Cách 2: Gắn mỗi bên xe 1 viên nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm) đặt

sao cho vuông góc với hàng nam châm trên ray

Mục đích:

- Tăng khối lượng của xe để hạ thấp khối tâm của xe

- Bố trí nam châm trên xe vuông góc với nam châm trên ray để đảm bảo:

 Nam châm trên xe luôn được đặt trực diện với nam châm trên ray

 Lực nâng có giá trị gần bằng trường hợp sử dụng nam châm vuông nhỏ trên xe Xét ở cùng khoảng cách 2cm so với bề mặt nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm), F31  0, 42Nkhi đặt nam châm (2,5cmx6cmx1cm) vuông góc với ray; F31  0,37Nkhi sử dụng nam châm vuông nhỏ trên xe

Hình 3.9 Xe trong mô hình 2

Hình 3.10 Xe không được nâng lên trên hệ thống ray

Hiện tượng quan sát được: Xe không nâng lên được do lực nâng tổng

hợp nhỏ hơn trọng lượng của xe vì diện tích tiếp xúc đối nhau của 2 nam châm nhỏ

 Cách 3: Xoay nam châm trên xe theo các hướng khác nhau

Mục đích: Tăng diện tích tiếp xúc đối nhau của 2 nam châm để tăng lực

nâng giữa ray và xe

Hình 3.11 Nam châm được đặt theo phương nằm ngang trên xe

Hình 3.12 Nam châm được đặt theo phương xiên trên xe

Hiện tƣợng quan sát đƣợc: xe được đẩy lên nhưng bị hút lệch về một

bên ray