thí nghiệm lồng faraday hiện tượng tạo điện tích

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

---BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

TRƯỜNG ĐIỆN TỪ - EE2031

Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN VĂN THỰC Sinh viên thực hiện: CHU TUẤN HÙNG MSSV: 20212824

Mã lớp thí nghiệm: 727179

Lớp: KT Điều khiển-Tự Động Hoá 02 – K66

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thí nghiệm lồng Faraday cho phép giải thích hiện tượng dịch chuyển điện và kiểm chứng luật Gauss trong chương số 2 của giáo trình Lý thuyết trường điện từ. Hiện tưởng dịch chuyển điện được nhà khoa học Micheal Faraday tiến hành từ năm 1837 với 02 quả cầu đồng tâm đặt lồng vào nhau, giữa chúng có khoảng khơng gian có thể điền đầy bằng dung dịch diện mơi. Quả cầu bên trong tích điện dương, quả cầu bên ngồi tích được nối đất. Sau một khoảng thời gian thì quảcầu bên ngồi có điện tích đúng bằng điện tích của quả cầu bên trong và trái dấu.

Hiện tưởng dịch chuyển điện đã được khái quát hóa bằng luật Gauss, cụ thể là “Tổng thơng lượng đi ra khỏi mặt kín bằng tổng điện tích nằm bên trong mặt kín đó”. Thí nghiệm sẽ giúp sinhviên hiểu rõ hiện tượng dịch chuyển điện và kiểm chứng lại luật Gauss trong điện trường tĩnh.CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG

Đồng hồ đo điện áp (ES-9078)Long Faraday (ES-9042A)Bộ nạp điện tích (ES-9057B)Que đo lấy mẫu điện tích (nếu có)Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đấtTRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1.1. Q trình tích điện do cảm ứng và q trình tích điện do tiếp xúc

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cơ hướng dẫn thí nghiệm. Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp và lồng faraday nhằm khử tồn bộ điện tích trên các thiết bị này. Kiểm tra giá trị đo trên đồng hồ đo điện áp. Số chỉ đồng hồ đo phải bằng 0 để đảm bảo lồng faraday khơng có điện tích.

Hình 7: Sơ đồ kết nối các thiết bị

Bước 2: Đặt điện áp ban đầu với giá trị 100V, sau đó giảm dần (nếu cần thiết). Bước 3: Đặt bộ nạp điện tích (đóng vai trị là vật mang điện) vào bên trong lồng Faraday. Lưu ý khơng cho bộ nạp điện tích chạm vào lồng Faraday. Ghi lại các giá trị trên đồng hồ đo.Bước 4: Rút bộ nạp điện tích khỏi lồng Faraday. Đọc và ghi lại giá trị đồng hồ đo.Bước 5: Đặt bộ nạp điện tích vào bên trong và chạm vào lồng Faraday. Bước 6: Rút bộ nạp điện tích khỏi lồng Faraday. Đọc và ghi lại giá trị đồng hồ đo lúc này.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

<small>Trình tự</small> ^{Giá trị đồng hồ đo (V)}<small>Lần 1Lần 2</small>

Đặt bộ nạp điện tích vào bên trong lồng Faraday

(không chạm lồng) ¹³ ¹⁶Rút bộ nạp ra khỏi lồng <small>00</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Đặt bộ nạp điện tích vào bên trong và chạm vào lồng

Faraday ¹² ¹⁶Rút bộ nạp ra khỏi lồng <small>811</small>

NHẬN XÉT:

Đồng hồ đo cho giá trị khác 0 khi đặt bộ nạp điện tích vào bên trong lồng Faraday tại bước 3 là do hiện tượng dịch chuyển điện (điện hưởng). Khi đặt bộ nạp điện tích vào bêntrong thì lồng Faraday trở thành một lưỡng cực, khi đó các điện tích cùng dấu với bộ nạpsẽ bị đẩy ra xa và theo dây nối đất đi ra ngoài qua đó lồng bị nhiễm điện trái dấu với bộ nạp điện tích.

Điện áp chênh lệnh giữa tấm lồng Faraday và tấm nền ở ngoài tại bước 6 và lồng Faraday bị nhiễm điện do có sự truyền điện tích từ bộ nạp điện tích sang lồng Faraday khi cho bộ nạp tiếp xúc với lồng.

.

1.2. Bảo toàn điện tích

Buớc 1: Cọ xát 02 bộ nạp tích điện vào nhau nhằm loại bỏ hồn tồn điện tích trên mỗi bộ nạp tích điện. Sau đó tiến hành nạp điện cho mỗi bộ nạp điện tích (tương tự như trong thí nghiệm trên)

Bước 2: Lần lượt cho từng bộ nạp điện tích vào bên trong lồng Faraday. Đọc và ghi lại giá trị (độ lớn và dấu) điện áp trên đồng hồ đo.

Bước 3: Nối đất các bộ nạp tích điện

Bước 4: Đặt cả 02 bộ nạp tích điện vào bên trong lồng Faraday sao cho các bộ nạp tích điện tiếp xúc với nhau, nhưng khơng chạm vào lồng Faraday. Đọc và ghi lại giá trị điện áp trên đồng hồ đo

Bước 5: Bỏ lần lượt từng bộ nạp tích điện ra khỏi lồng Faraday. Đọc và ghi lại giá trị điệnáp trên đồng hồ đo sau mỗi lần bỏ một bộ nạp tích điện.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Trình tự ^{Giá trị đồng hồ đo (V)}

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Lần lượt cho từng bộ nạp vào lồng

(Xanh trước, trắng sau) ^-15 ¹⁵ ^-44 ⁴³ ^-38 ³⁷Đặt cả 2 bộ nạp vào lồng <small>-1-1-1</small>

Bỏ lần lượt từng bộ nạp ra cụ thể là trắng trước xanh sau.Do bỏ bộ nạp tích điện âm ra trước (xanh) nên điện tích cịn lại trong lồng hay trên bộ nạp mang điện dương, và có độ lớn nhỏ hơn so với bước 2 do đã có sự dịch chuyển điện tích giữa 2 bộ khi cho tiếp xúc ở bước 4.Sau đó, bỏ nốt bộ trắng ra thì trong lồng khơng cịn điện tích nên đồng hồ đo chỉ 0.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

BÀI 2: THÍ NGHIỆM VỀ CÁC DẠNG PHÂN BỐ DIỆN TÍCH

MỤC TIÊU

Bài thí nghiệm này giúp sinh viên biết cách tiến hành thí nghiệm trên bộ thiết bị, đo được mật độđiện tích, giải thích được mối quan hệ giữa mật độ điện tích mặt với hình dạng vật the...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 bề mặt là khơng đều thì hàm mật độ điện tích mặt ps sẽ thay đổi theo từng vị trí trên bề mặt của vật dẫn. Đối với vật dẫn kim loại, tùy theohình dáng của vật mang điện mà trên bề mặt của nó, sự phân bố điện tích sẽ khơng 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.

THIẾT BỊ CÂN SỬ DỤNGĐồng hồ đo điện áp (ES-9078)Bộ nguồn điện áp tĩnh điện (ES-9077)02 quả cầu kim loại (ES-9059B)Long Faraday (ES-9042A)Que đo lấy mẫu điện tíchĐầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cơ hướng dẫn thí nghiệm. Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp và lồng faraday nhằm khử tồn bộ điện tích trên các thiết bị này.

Bước 2: Đặt 02 quả cầu kim loại cách nhau 50cm. Nối quả cầu kim loại thứ nhất với bộ nguồn áp tĩnh điện, đặt điện áp 2000V (1 chiều). Lưu ý tiếp đất thiết bị nguồn áp tĩnh điện với cùng điểm nối đất của lồng faraday và đồng hồ đo.

Bước 3: Nối đất quả cầu kim loại thứ 2

Bước 4: Đo và ghi lại giá trị điện tích tại các vị trí khác nhau trên bề mặt của quá cầu thứ nhất.

Hình 8: Sơ đồ kết nối các thiết bị

Bước 5: Di chuyển quả cầu thứ nhất đến gần quả cầu thứ 2 sao cho khoảng cách giữa chúng là l cm. Bật bộ nguồn áp tĩnh điện, tiến hành đo và ghi lại giá trị điện tích tại cùng các vị trí đã đo trong bước 4 trên bề mặt quả cầu thứ nhất.

Bước 6: Nổi đất quả cầu thứ nhất. Đo và ghi lại điện tích tại cùng các vị trí đã đo trong bước 4 trên bề mặt quả cầu thứ nhất.

Bước 7: Di chuyển quả cầu thứ nhất ra xa quả cầu thứ hai, sao cho khoảng cách giữa chúng là 50cm. Đo và ghi lại điện tích tại cùng các vị trí đã đo trong bước 4 trên bề mặt quả cầu thứ nhất.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

a.Thí nghiệm với hai quả cầu kim loại

Trình tự

Giá trị đồng hồ đo (V)Lần 1 Lần 2A B C D A B C DĐo giá trị điện tích tại các vị trí khác nhau cố

định A, B, C, D trên bề mặt quả cầu 1 8 10 9 9 9 9 8 9Di chuyển sao cho quả cầu 1 cách quả cầu 2

1cm, thực hiện lại bước 4 ¹¹ ¹⁰ ⁹ ⁸ ¹⁰ ⁹ ⁹ ¹⁰Nối đất quả cầu 1, thực hiện lại bước 4

5 3 2 0 5 2 1 0Di chuyển sao cho quả cầu 1 cách quả cầu

250cm rồi thực hiện lại bước 4. 0 0 0 0 0 0 0 ₀

NHẬN XÉT

Tại bước 4, 2 quả cầu cách nhau 50 cm nên coi như khơng ảnh hưởng gì đến nhau, giá trị hiển thị trên đồng hồ đo chỉ điện thế trên bề mặt quả cầu khi quả cầu được nối với bộ nguồn áp tĩnh điện. Giá trị điện thế này bằng nhau tại mọi điểm trên quả cầu. Phù hợp vớilý thuyết.

Đến bước 5 cho 2 quả cầu cách nhau 1 cm. Quả cầu thứ 1 nhiễm điện dương, quả cầu thứ2 theo thế hưởng ứng sinh ra hiện tượng phân cực, với phía gần quả cầu 1 có nhiều điện tích âm, phía cịn lại có nhiều điện tích dương được nối đất nên điện tích dương theo dây

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

đi xuống đất. Quả cầu 2 sẽ ngày càng tích điện âm với độ lớn lớn hơn cho đến khi tương đương với trị số quả cầu 1. Vì vậy tại bước này chỉ có quả cầu 2 biến đổi, quả cầu 1 gần như khơng có sự thay đổi về điện thế, tại vị trí A, gần quả cầu 2 sẽ có chỉ số dao động lớnhơn do tính phân cực của quả cầu 1 ảnh hưởng bởi quả cầu tích điện âm 2.

Khi nối đất quả cầu 1 tại bước 6, điện tích tự do theo thế ra ngồi, tại các vị trí C,D mất điện tích nên điện thế xấp xỉ bằng 0, ở 2 vị trí A,B do ảnh hưởng bởi tính phân cực từ quảcầu 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 dần dần trung hòa về điện

Đến bước 7, khi cho 2 cầu ra xa nhau cách 50 cm, khơng cịn giữ được sự phân cực, quả cầu 1 được nối đất trở 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 này: Vì như đã giải thích bên trên, quả cầu tồn tại sự phân cực, gần quả cầu 1 có nhiều điện tích âm do hưởngứng với quả cầu 1 tích điện dương, cịn phía cịn 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)Lần 1 Lần 2

A B C D A B C DĐọc và ghi lại giá trị bên ngoài quả cầu

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

c. Thí nghiệm với quả cầu có mũi nhọn

Trình tự

Giá trị đồng hồ đo (V)Lần 1 Lần 2

A B C D A B C DĐọc và ghi lại giá trị bên ngoài quả cầu

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

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

C =

Trong đó:

o C: điện dung của tụ điện phẳngo A: tiết diện của tấm bản cực kim loại

o d: khoảng cách giữa 2 bản cực e: hằng số điện môi của chất điện mơi

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

C = C + C + C + … + C<small>TĐ 1 2 3 N</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Hình 9: Mơ hình tương đương của đồng hồ đo điện áp trong các thí nghiệm đo điện dungtụ điện

Lưu ý: Trong các thí nghiệm đo điện dung của tụ điện, đồng hồ đo điện áp sẽ có mơ hình tương đương gồm một vơn 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 9). Do giá trị điện dung Ca rất nhỏ hơn so với giá trị của tụ điện cần đo trong thí nghiệm nên có thể bỏ qua.

CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNGĐồng hồ đo điện áp (ES-9078)Long 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 mơi Tụ điện 30pF

Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất

Máy tính cài phần mềm Science WorkshopR interfaceTRÌNH 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 đoBước 1: Nối tụ điện 30pF vào nguồn điện 1 chiều để nạp điện cho tụ. Điều chỉnhđiện áp của nguồn 1 chiều (nhỏ hơn 100V).

Bước 2: Sau khi nạp đầy điện tích cho tụ. Lắp tụ điện 30pF vào hai đầuque đo của đồng hồ đo điện áp. Đọc và ghi lại giá trị điện áp trên đồng hồ (V ) <small>E</small>

Bước 3: Tính giá trị điện dung của đồng hồ đo theo công thức:

C

E

=

1.2. Kiểm chứng mối quan hệ giữa C, V và Q đối với tụ điện phẳng a. Do V trong điều kiện C không đổi, Q thay đổi

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

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 10: Sơ đồ mơ phỏng q trình kết nối các thiết bịBước 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 2cm. Sử dụng que Sem 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 4cm.So sánh các giá trị điện áp trong 2 lần thực hiện thí nghiệm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Điện áp của tụ điện tăng khi điện tích được truyền vào tụ điện tăng (V tỉ lệ thuật với Q khi C không đổi)

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

Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cơ hướng dẫn thí nghiệm. Giữ khoảng cáchgiữa 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 11: Sơ đồ mơ phỏng q 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.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Điện áp nguồn : 2000V

Khoảng cách giữahai bản tụ

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

Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cơ 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.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Hình 12: Sơ đồ mơ phỏng q 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 ( 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.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Khoảng cách giữa 2 bản cực tụ điện : 6cm

Điện áp giữa haibản tụ

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

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

Hình 13: Sơ đồ mơ phỏng q 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.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

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.KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

</div>