khảo sát sự phân bố điện trường giữa các điện cực
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.72 MB, 58 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
Bài 1: Khảo sát sự phân bố điện trường giữa các điện cực
MỤC ĐÍCH
Bài thí nghiệm này cho phép chúng ta xác định được các đường đẳng thế và các đường sức điện trường, miêu tả sự phân bố điện trường trong không gian giữa các điện cực. Từ đây ta có thể đi đến kết luận rằng, điện trường giữa các điện cực hồn tồn phụ thuộc vào vào hình dáng và sự bố trí của các điện cực ấy.
MỐI LIÊN HỆ GIỮA CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG VÀ ĐIỆN THẾ Cường độ điện trường và điện thế đều là những mặt biểu hiện của một thực thể duy nhất là điện trường.
Với cách bi u diể ễn qua cường độ điện trường, toàn b ộ không gian đượ ấp đầc l y bởi trường vector . Tại mỗi vị trí bất kì, điện trường được đặc trưng bởi cường độ và chiều hướng, thông qua độ dài và chiều hướng của vector cường độ điện trường
.
Trường vector
cũng có thể hình dung trực quan qua các đường sức điện trường. Với trường tĩnh, các đường sức này đi ra khỏi điện tích dương và đi vào điện tích âm. T i mạ ột điểm b t kì ấ thuộc đường s c, vector ứ <sub></sub>
nằm theo phương tiếp tuyến với đường sức và có chiều hướng như đường sức điện trường.
Hình 1: Điện trường có thể biểu diễn qua trường vector hoặc đường sức
Với cách biểu diễn điện trường theo điện thế, người ta dùng hệ các đường đẳng thế, nối liền các điểm có cùng điện thế: V=const. Các đường đẳng thế miêu tả điện trường như địa đồ với các đường đồng mức. Theo đó, các đường sức điện trường có xu hướng chảy từ nơi điện thế cao về nơi điện thế thấp. Đặc biệt, đường sức điện trường ln vng góc với các đường đẳng thế tại
o điể
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">Hình 2: Đường sức điện trường (đường màu) có liên h m t thi t vệ ậ ế ới đường đẳng thế (đường đen)
Trong khảo sát thực nghiệm về điện trường, việc xác định vector cường độ điện trường một cách trực tiếp không thuận lợi về mặt kỹ thuật. Thực tế người ta khảo sát sự phân bố của điện thế, sau đó suy ra vector cường độ điện trường qua mối liên h :ệ
= grad(V).(1) −
Phương trình trên có ý nghĩa rằng: vector cường độ điện trường luôn hướng theo chiều suy giảm nhanh nhất của điện thế V và có độ lớn bằng tốc độ suy giảm của điện thế theo hướng đó.
Nếu chỉ xét cường độ điện trường theo phươngx, y hoặc z, cường độ điện trường theo mỗi phương ấy được tính qua đạo hàm riêng:
=−∂ ∂x, Ey=−∂ ∂y, Ez=−∂V/∂z.
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">NGUYÊN LÝ PHÉP ĐO
Hệ khảo sát của chúng ta cấu thành từ hai điện cực đặt trong một chất lỏng dẫn điện yếu. Cụ thể trong bài thí nghiệm này, ta dùng m ột bể nước và nhúng hai điện cực vào như hình dưới.
Hình 3: Bố trí thiết bị
Hai điện cực được nối với hai cực của nguồn điện không đổi có hiệu điện thế U<small>0</small>. Điện cực nối với cực âm của nguồn gọi là điện cực âm K, hay cathode. Điện cực nối với cực dương của nguồn gọi là điện cực dương A, hay anode. Gốc điện thế có thể chọn tại điện cực âm: V<small>K</small>=0. Như vậy, điện thế tại điện cực dương V<small>A</small>=U<small>0</small>.
Một vơn kế có đầu âm nối liền với điện cực âm , còn đầu dương là một đầu dò kim loại nhúng K vào chất lỏng tại điểm bất kì. Trong chất lỏng có các dịng điện chạy từ điện cực dương sang P điện cực âm, cũng như có dịng điện chạy từ điểm P về K, do đó vơn kế sẽ chỉ ra hiệu điện thế giữa P và gốc điện thế , cũng chính là điện thế
</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">Hình 4: Ngun lý thí nghiệm
Ta sẽ đi tìm các đường đẳng thế, hay tập hợp các điểm có điện thế Vi bằng nhau, bằng cách di chuyển đầu dị của volt kế. Tìm được nhiều đường đẳng thế như vậy, ta sẽ có thể suy ra được hệ các đường sức điện trường. Thao tác tính tốn xây dựng các đường sức điện trường được miêu tả chi tiết trong phần xử lý dữ liệu.
Lưu ý rằng, nếu khơng có chất lỏng làm mơi trường, sẽ khơng có dịng điện chạy qua và việc đo điện thế không diễn ra được. Nhưng mặt khác, chúng ta muốn khảo sát điện trường trong chân không chứ không phải điện trường trong môi trường dẫn điện. Một lựa chọn trung dung là sử dụng môi trường chất lỏng dẫn điện yếu. Chỉ khi ấy, các đường sức điện trường chưa bị biến dạng nhiều, và bức tranh điện trường thu được trong thí nghiệm này có thể xem như điện trường trong chân khơng hoặc khơng khí.
QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM
Sinh viên cần chuẩn bị giấy ơ ly có độ chia nhỏ nhất 1mm. Giáo viên sẽ chỉ định loại điện cực, hiệu điện thế U<small>0</small> giữa hai điện cực và cách sắp xếp chúng trên bể nước. Sinh viên bố trí lại theo đúng vị trí yêu cầu và vẽ lại hình dạng các điện cực trên giấy ơ ly của mình.
Mắc hai điện cực vào nguồn điện không đổi. Bật nguồn và cài đặt hiệu điện thế đến giá trị U<small>0</small>. Nối chốt âm của volt kế vào điện cực âm , cịn chốt dương chính là đầu dò để tự do. Để nhận K được các đường đẳng thế, ta bắt đầu phép đo theo quy trình sau.
Dùng đầu dị nhúng vào bể chất lỏng, tìm một điểm có điện thế V1=1V. Ghi lại vị trí của điểm tương ứng trên giấy ô ly bằng một chấm tròn.
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">Dùng đầu dị tìm một điểm khác cũng có điện thế V1=1V, nằm cách điểm ban đầu không vượt
Các đường đẳng thế thu được từ thí nghiệm mới chỉ là các đường rời rạc từ những chấm thực nghiệm. Để bức tranh điện trường rõ nét hơn, ta dùng bút chì vẽ các đường đẳng thế bằng những đường cong trơn, dựa theo các điểm thực nghiệm ở trên. Ghi rõ giá trị điện thế V1,V2,… cho mỗi đường đẳng thế.
Hình 5: Ví dụ đo đạc với hai điện cực hình trịn
Từ các đường đẳng thế, ta có thể vẽ các đường sức điện trường tương tự như hình 5. Các đường sức điện trường phải vng góc với các đường đẳng thế tại các giao điểm. Đường sức điện trường kéo dài đến bề mặt các điện cực và vng góc với bề mặt của điện cực.
Tại mỗi giao điểm giữa đường đẳng thế và đường sức, dựng vector cường độ điện trường theo phương pháp sau:
Vẽ ti p tuy n vế ế ới đường s c tứ ại giao điểm.
Dùng thước đo khoảng cách tΔl ừ giao điểm đến đường đẳ ận có điệ ấp hơn.
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">Tính độ lớn của vector theo công thức
E=Δl /ΔV,
với ΔV là độ suy giảm điện th tế ừ giao điểm đến đường đẳng thế lân cận.
Vẽ vector hướng theo phương tiếp tuyến, có chiều theo hướng suy giảm của điện thế, có độ dài tỉ lệ với độ lớn tính ở bước trên. Cứ 1cm vẽ tương ứng với cường độ điện trường bằng 100V/m.
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">Bài 2: Khảo sát mạch điện trở nối tiếp và song song
MỤC ĐÍCHQua bài thí nghiệm, sinh viên có thể nghiệm lại những tính chất cơ bản của điện trở, điện trở tương đương của mạch nối tiếp và song song, củng cố kỹ năng sử dụng các thiết bị đo điện cơ bản, nắm được nguyên lý của phép đo điện trở.
ĐỊNH LUẬT OHM VÀ ĐIỆN TRỞ
Định luật Ohm được phát biểu rằng: cường độ dòng điện qua linh kiện ohmic tỉ lệ với điện áp đặt vào hai đầu linh kiện đó. Mối quan hệ đặc biệt này giữa dòng điện và điện áp thể hiện qua hệ thức:
I∼U.(1)
Lưu ý rằng định luật này chỉ áp dụng cho các linh kiện làm từ vật liệu ohmic – ta gọi là con trở, hoàn tồn khơng áp dụng cho các linh kiện điện tử chân không hoặc bán dẫn. Người ta thường viết hệ thức (1) thành phương trình tỉ lệ:
I=1/R⋅U
trong đó R được gọi là điện trở, và 1/R là hệ số tỉ lệ (không đổi) giữa I và U. Bản thân giá trị R=const này cũng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của con trở. Ứng với mỗi con trở khác nhau, điện trở R cũng khác nhau.
Hình 1: Sơ đồ khảo sát mạch nối tiếp
Khi nối các con trở R<small>1</small>, R<small>2</small>, R<small>3</small>… thành dãy nối tiếp mắc vào nguồn như hình 1, một dòng điện I như nhau sẽ chạy qua tất cả các con trở. Hiệu điện thế trên mỗi con trở bằng:
U=IR,U=IR,U=IR…
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">Tổng các hiệu điện thế này bằng hiệu điện thế nguồn:
U=U<small>1 </small>+ U<small>2 </small>+ U<small>3 </small>+ …
hay:
IR<small>nt</small>=IR<small>1</small>+IR<small>2</small>+IR<small>3</small>…
trong đó R<small>nt</small> là điện trở tương đương của toàn mạch nối tiếp. Như vậy, điện trở tương đương trong mạch nối tiếp tính theo các điện trở thành phần theo cơng thức:
R<small>nt</small>=R<small>1</small>+R<small>2</small>+R<small>3</small>+…(2)
Hình 2: Sơ đồ khảo sát mạch song song
Khi nối các con trở R<small>1</small>, R<small>2</small>, R<small>3</small>… thành chuỗi song song mắc vào nguồn U như hình 2, dịng điện I từ nguồn sẽ phân ra thành các dịng điện thành phần:
Trong thí nghiệm này ta tiến hành kiểm nghiệm các công thức lý thuyết (2) và (3) về điện trở tương đương của mạch nối tiếp và song song. Các điện trở R
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">toàn mạch nối tiếp (hoặc song song) cũng được xác định một cách tương tự và mang ra kiểm chứng với lý thuyết.
Để xác định điện trở R trên hai đầu mạch bất kì, ta chỉ cần dùng volt kế đo hiệu điện thế U trên hai đầu mạch đó, dùng amper kế đo cường độ dịng điện chạy qua mạch đó. Tỉ số I R=U/I cho ra giá trị điện trở thể hiện kết quả của một phép đo gián tiếp.
QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM Sinh viên nhận bộ các điện trở từ giáo viên.
Khảo sát mạch nối tiếp
Thiết lập mạch điện trở nối tiếp như hình 1. Mắc am pe kế nối tiếp vào mạch nối tiếp. Mắc hai -đầu vơn kế vào hai -đầu mạch chính. Lưu ý đặt chiều dương của am pe kế và vôn kế hợp lý. -Cài đặt hiệu điện thế nguồn U=3V, quan sát bằng vôn kế áp vào hai đầu mạch chính, ghi lại giá trị này vào bảng 1, dịng “Tồn mạch”. Ghi giá trị dịng điện từ am pe kế vào bảng 1. I -Lấy hai đầu vôn kế lần lượt đo hiệu điện thế U<small>1</small>, U<small>2</small>, U<small>3</small>…trên mỗi con trở, ghi giá trị vào bảng 1. Cài đặt hiệu điện thế nguồn U=6V, U=9V và lặp lại toàn bộ phép đo trên.
Bảng 1: Dữ liệu mạch nối tiếp Khảo sát mạch song song
Tiếp tục sử dụng bộ điện trở đã cho, thiết lập mạch điện trở song song như hình 2. Mắc hai đầu vôn kế vào hai đầu mạch chính. Lưu ý đặt chiều dương của vơn kế hợp lý.
Cài đặt hiệu điện thế nguồn U=3V, ghi lại giá trị này vào bảng 2.
Lần lượt mắc nối tiếp am pe kế vào mỗi nhánh, ghi lại dòng điện- I<small>1</small>, I<small>2</small>, I<small>3</small>… qua mỗi nhánh vào
</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">Hiệu điện thế ngu n: ồ U=…
Từ các bảng dữ liệu, tính điện trở Ri cho mỗi con trở và điện trở tồn mạch. Tính các điện trở tồn mạch theo cơng thức lý thuyết:
R<small>nt</small>=∑R<small>i</small> cho trường hợp mạch nối tiếp. Và
cho trường hợp mạch song song. So sánh kết quả lý thuyết với thực nghiệm.
</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">Bài thí nghiệm số 9
KHẢO SÁT TƯƠNG TÁC TỪ CỦA DÒNG ĐIỆN NGHIỆM ĐỊNH LUẬT AMPRE VỀ LỰC TỪ
---ooo--- Mục tiêu: Sau khi học xong bài này sinh viên có khả năng:
- Về kiến thức: Nêu được phương pháp đo và các bước tiến hành thí nghiệm khảo sát tương tác từ của dòng điện, nghiệm định luật Ampre về lực từ.
- Về kỹ năng: Sử dụng thành thạo các dụng cụ đo, tiến hành đúng trình tự thí nghiệm để thu được số liệu chính xác.
- Về thái độ: Cẩn thận, kiên trì, chính xác, trung thực, khách quan. I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Từ trường là một dạng vật chất đặc biệt xuất hiện trong không gian xung quanh các điện tích chuyển động. Sự tồn tại của từ trường trong một khơng gian nào đó thể hiện ở chỗ : bất kì một dịng điện,một điện tích chuyển động hay một kim nam châm…đặt trong không gian đó đều chịu tác dụng một lực từ F . Phương, chiều, độ lớn của lực từ F tác dụng lên một dòng điện đặt trong từ trường không những phụ thuộc phương, chiều, cường độ dịng điện, kích thước, hình dạng dây dẫn, mà còn phụ thuộc đặc trưng của từ trường. Như vậy, có thể căn cứ vào tác dụng lực của từ trường để đưa ra một đại lượng đặc trưng cho từ trường trong khơng gian nào đó, khơng phụ thuộc vào sự có mặt hay khơng của dịng điện, hay điện tích chuyển động…. trong khơng gian đó. Đại lượng đó là véc tơ cảm ứng từ B . Phương chiều của vec tơ B tại một điểm được định nghĩa trùng với phương chiều của kim nam châm thử đặt tại điểm đó ( đi từ cực S đến cực N của kim nam châm thử).
Trong bài thí nghiệm này, ta khảo sát lực từ F do một từ trường đều tác dụng lên các đoạn dòng điện thẳng có cường độ I và độ dài l khác nhau ( đặc trưng bởi véc tơ đoạn dòng điện .I l ), được đặt theo các hướng khác nhau trong từ trường.
Từ các kết quả nhận được, nghiệm lại định luật Am pe về lực từ và tính ra độ lớn cảm ứng từ B của từ trường
- Thiết bị tạo từ trường đều, kích thước 70x90x40, sử dụng nam châm đất hiếm, tối đa 0.3T. - Bộ giá quay có thước đo góc 0-360°/1° bằng vật liệu phi từ tính.
- Hộp chứa linh kiện.
- Bộ ba khung dây 100 vòng, đường kính 0.3mm có cơ cấu cắm lấy điện kiểu lỗ cắm 4mm, k.thước (80x60)mm; (80x40)mm; (80x20)mm.
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">- Đồng hồ đa năng hiện số DT9205A. - Quả rọi.
- Dây đồng hồ có hai đầu phích, dài 60cm. - Dây nối mạch có hai đầu phích dài 800/0.75m.
- Bộ nguồn ổn áp 220V/0-12VDC3A điều chỉnh liên tục, có hai đồng hồ chỉ thị dịng và thế. Các dụng cụ thí nghiệm này được lắp đặt như ở hình vẽ 9.1.
Hình 9.1: Thí nghiệm khảo sát tương tác từ của dòng điện bằng cân dòng điện. 2. Phương pháp đo:
- Từ trường đều B , tạo bởi hệ nam châm vĩnh cửu đặt song song cùng chiều giữa hai bản cực làm bằng vật liệu sắt từ mềm, kích thước 90x60x9mm (Hình 2). Tồn bộ hệ thống được đặt trên một đĩa quay có chia độ 0 -360<small>0</small>, ĐCNN 1<small>0</small>.
- Ba khung dây hình chữ nhật (1-H1) có số vịng n bằng nhau (n =100 vịng), nhưng kích thước khác nhau ( a x b = 80 x 22.5; 80 x 42.5 và 80 x 62.5mm), trong đó cạnh đáy b của khung sẽ được đặt nằm trong từ trường đều. Như vậy, nếu cho dòng điện cường độ I chạy trong khung , thì tại cạnh đáy b của khung, véc tơ đoạn dịng điện có cường độ / .I l / = 100.I.b. Ở đầu trên của khung có hai lỗ cắm dẫn diện vào khung.
</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">Hình 9.2 : Từ trường B trong khoảng không gian giữa hai má từ, đặt ở hai đầu các thanh nam châm vĩnh cửu - Cân lực từ, gồm một giá thẳng đứng (5) lắp trên đế bằng vật liệu phi sắt từ (8); một địn cân (3) có giá treo khung dây , móc lực kế và quả đối trọng có vít hãm(4) ; dây treo và ròng rọc trên giá treo lực kế (6) để treo lực kế và chỉnh thăng bằng cho đòn cân. Một bảng chỉ thị thăng bằng và một dây dọi cũng được lắp trên giá thẳng đứng để xác định vị trí cân bằng của cân. Phía dưới bệ đỡ địn cân có một bảng điện nhỏ, có hai lỗ cắm nối qua một cơng tắc đảo chiều dòng điện dẫn vào khung dây.
- Lực kế nhạy (7) có phạm vi đo 0-100mN ; ĐCNN 1 mN, dùng đo cường độ lực từ. - Nguồn điện một chiều DC 0 -12V /3A, điều chỉnh liên tục.
Một đồng hồ đo điện đa năng hiện số DT 9205A+, dùng đo cường độ dòng điện. Một biến trở con chạy 50Ω1.5A, dùng điều chỉnh cường độ dòng điện I.
- Bộ 4 dây nối mạch điện tiết diện 0.75 mm<small>2</small>, có hai đầu phích ( 3 dây dài 40-50 cm, 1 dây dài 80 cm). III. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM
1. Lắp ráp thí nghiệm :
Chú ý : Thận trọng khi lắp ráp và sử dụng lực kế 0,100N. Đây là loại lực kế lị xo rất nhạy và có độ chính xác cao, tuyệt đối khơng treo trọng vật có khối lượng quá 10g. Trước khi treo lực kế vào cân lực từ, ta treo khung dây vào đòn cân và điều chỉnh vị trí gia trọng cho địn cân đạt thăng bằng ( hơi lệch về phía khung dây), khố vít gia trọng rồi mới móc lực kế vào địn cân.
Thực hiện lắp ráp thí nghiệm theo trình tự sau :
1-1. Lắp và xoay đĩa trịn đỡ nam châm đến vị trí 90<small>0</small>. 1-2. Lắp khung dây nhỏ nhất (có cạnh 22.5mm) vào địn cân.
1-3. Điều chỉnh vị trí gia trọng bằng cách xoay nó theo chiều kim đồng hồ để nới lỏng vít hãm, rồi dịch chuyển dọc theo cánh tay địn để tìm được vị trí thăng bằng cho đòn cân ( hơi lệch về phia khung dây), sau đó xoay quả gia trọng theo hướng ngược lại để khố vít hãm.
1-4. Xoay rịng rọc để hạ thấp lực kế và móc nó vào địn cân ngay phía trên khung dây. 1-5. Kiểm tra và điều chỉnh cân bằng cho toàn hệ thống như sau :
</div><span class="text_page_counter">Trang 44</span><div class="page_container" data-page="44">
