báo cáo thí nghiệm trường điện từ buổi 3

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.04 MB, 11 trang )

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

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

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

BÀI 1 : THÍ NGHIỆM LỒNG FARADAY – HIỆN TƯỢNG TẠO ĐIỆN TÍCHI, Mục đích thí nghiệm.

Bài thực hành này nhằm giúp sinh viên biết cách thực hiện và xác định được mốiquan hệ giữa điện tích cảm ứng trên lồng Faraday với điện tích trên vật mang điện đặttrong lồng, nghiệm chứng quy luật phân bố thông qua thực nghiệm.

II, Cơ sở lý thuyết

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

Hiện tưởng dịch chuyển điện đã được khái quát hóa bằng luật Gauss, cụ thể là “Tổngthơng lượng đi ra khỏi mặt kín bằng tổng điện tích nằm bên trong mặt kín đó”. Thínghiệm sẽ giúp sinh viên hiểu rõ hiện tượng dịch chuyển điện và kiểm chứng lại luậtGauss trong điện trường tĩnh.

Các thiết bị sử dụng

- Đồng hồ đo điện áp (ES-9078)- Lồng Faraday (ES-9042A)- Bộ nạp điện tích (ES-9057B)- Que đo lấy mẫu điện tích (nếu có)- Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất

III, Trình tự thí nghiệm

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

Bước 1: Kết nối các thiết bị như hình, tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp và lồng faradaynhằm khử toàn bộ điện tích trên các thiết bị này. Kiểm tra giá trị đo trên đồng hồ đo điệnáp. Số chỉ đồng hồ đo phải bằng 0 để đảm bảo lồng faraday không có điện tích.

Hình 1: Sơ đồ kết nối các thiết bị

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

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 sau khi đã được nạp (đóng vai trị là vật mang điện) vàobên trong lồng Faraday. Lưu ý không cho bộ nạp điện tích chạm vào lồng Faraday. Ghilại các giá trị trên đồng hồ đo.

Hình 2: Bộ nạp điện tích (sau khi nạp, que trắng tích điện dương, que xanh tích điệnâm)

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 lúcnày.

2. Bảo tồn điện tích

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

Bước 2: Lần lượt cho từng bộ nạp điện tích vào bên trong lồng Faraday. Đọc và ghilại 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 nạptích điện tiếp xúc với nhau, nhưng không chạm vào lồng Faraday. Đọc và ghi lại giá trịđiện áp trên đồng hồ đo.

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

IV, Kết quả đo, đánh giá và nhận xét

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

Giá trị đồng hồ đo (V)

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

Trình tự

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4B3: Đặt bộ nạp điện tích vào (khơng chạm

B4: Rút bộ nạp ra 0 0 0 0B5: Đặt lại bộ nạp vào và chạm vào lồng 30 20 26 25B6: Rút bộ nạp ra khỏi lồng 27 21 24 26Từ bảng số liệu đo được ta thấy:

- Khi bộ nạp được đưa vào mang điện tích đã sinh ra điện thế ở lồng trong của thiếtbị. Từ đó ta đo được giá trị 4 lần bước 3 như bảng.

- Khi rút bộ nạp ra mất đi điện tích, điện thế lồng trong bằng 0, phù hợp với kết quảđo ở bước 4.

- Đến bước 5, đưa bộ nạp trở lại và chạm vào lồng, điện tích từ bộ nạp truyền gầnnhư tồn bộ sang lồng trong của thiết bị, ta đo được giá trị điện thế xấp xỉ bằng với bước3.

- Khi rút bộ nạp ra khỏi lồng ở bước 6, giá trị trên đồng hồ gần như khơng đổi vì độlớn điện tích trên lồng trong tương đương với điện tích trên bộ nạp trước đó nên sinh ramột điện thế tương đương.

Lý do đo được giá trị khác khơng khi đặt bộ nạp điện tích vào trong lồngFaraday tại bước 3 :

Bộ nạp điện tích được tích điện hay chưa điện tích, điện tích đấy sinh ra 1 điện thế ởlồng trong sinh ra 1 hiệu điện thế giữa lồng trong lồng ngồi từ đó máy đo hiển thị giá trịkhác 0.

Giải thích điện áp chênh lệch tại bước 6 và lý do lồng Faraday nhiễm điện

Có hiện tượng điện áp chênh lệch tại bước 6 vì đã có điện thế được sinh ra bởi điệntích trên lồng trong thiết bị, Lồng bị nhiễm điện hay được truyển điện tích do bước 5 tađã cho bộ nạp chạm vào trong lồng.

2. Bảo toàn điện tích

Giá trị đồng hồ đo (V)

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

Trình tự

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4B2: Lần lượt cho từng bộ

nạp vào lồng (xanh trước trắng sau)

-35 15 -30 20 -20 30 -19 25B4: Đặt cả 2 bộ nạp vào

lồng -21 -17 -19 -20B5: Bỏ lần lượt từng bộ

nạp ra khỏi lồng (xanh

trước trắng sau) 10 -3 12 0 16 -3 10 4Từ bảng số liệu đo được ta thấy:

- Khi lần lượt cho từng bộ nạp vào lồng ở bước 2, điện tích trên bộ nạp sinh điện thếtrên lồng trong, giá trị điện tích quyết định giá trị điện thế lồng trong hay cũng chính làgiá trị hiển thị trên đồng hồ đo. 2 bộ nạp được nạp điện tích bằng cách ma sát, trắng sẽmang điện tích dương, xanh sẽ mang điện tích âm và có độ lớn bằng nhau. Bởi nếu chotiếp xúc trở lại sẽ cho trung hòa hay chính là bảo tồn điện tích.

- Đặt cả 2 bộ nạp vào lồng khi đang tiếp xúc nhau, 2 bộ nạp sẽ dần dần xảy ra sự trunghòa dẫn đến độ lớn điện tích tổng cộng giảm.

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

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

Bài 2: Thí nghiệm về các dạng phân bố điện tích

I, Mục đích thí nghiệm

Bài thí nghiệm này giúp sinh viên biết cách tiến hành thí nghiệm trên bộ thiết bị, đo đượcmật độ điện tích, giải thích được mối quan hệ giữa mật độ điện tích mặt với hình dạng vậtthể...

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 cáchàm mật độ điện tích mặt . Nếu sự phân bố điện tích trên bề mặt là khơng đều thì hàmρSmật độ điện tích mặt sẽ thay đổi theo từng vị trí trên bề mặt của vật dẫn. Đối với vậtρSdẫn kim loại, tùy theo hình dáng của vật mang điện mà trên bề mặt của nó, sự phân bốđiện tích sẽ khơng đều, ví dụ tại các bề mặt góc nhọn, hàm mật độ điện tích mặt sẽthường lớn hơn tại các vị trí bề mặt có góc tù.

Các thiết bị sử dụng

- Đồng hồ đo điện áp (ES-9078)- Bộ nguồn điện áp tĩnh điện (ES-9077)- 02 quả cầu kim loại (ES-9059B)- Lồng Faraday (ES-9042A)- Que đo lấy mẫu điện tích

- Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất

III, Trình tự thí nghiệm

- Bước 1: Kết nối các thiết bị theo chỉ dẫn của thầy/cơ hướng dẫn thí nghiệm. Lưu ýtiếp 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 quả cầu thứ nhất.

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

- Bước 5: Di chuyển quả cầu thứ nhất đến gần quả cầu thứ 2 sao cho khoảng cách giữa chúng là 1cm. 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: Nối 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.

IV, Kết quả đo

Nối đất quả cầu thứ nhất, đo lại giá trị điện tích trên quả cầu thứ nhất

Di chuyển quả cầu thứ nhất, đo lại giá trị quả cầu thứ nhất

* Nhận xét: Tại bước 4, điện tích trên bề mặt quả cầu thứ nhất được phân bố đều. Tại

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

bước 5, điện tích tại vị trí gần quả cầu thứ hai nhỏ hơn phần điện tích cịn lại trên bề mặt quả cầu. Tại bước 6, điện tích vẫn cịn tại vị trí gần quả cầu thứ hai, trong khi đó, tại các vị trí cịn lại thì điện tích bằng 0. Tại bước 7, khơng cịn điện tích trên bề mặt quả cầu thứ nhất.

* Giải thích: Do hiện tượng nhiễm điện, tại vị trí gần quả cầu thứ nhất, điện tích vẫn tồn tại trên bề mặt quả cầu thứ hai dù đã được nối đất.

VI, Quả cầu nhọn và quả cầu rỗng

Quả cầu nhọn Quả cầu rỗngVị trí Vị trí

Đầu nhọn Đầu trịn Bên trong Bên ngồi

* Nhận xét: - Điện tích tập trung nhiều hơn ở đầu nhọn của quả cầu nhọn. - Điện tích chỉ tập trung ở bên ngồi của quả cầu rỗng.

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

BÀI 3: THÍ NGHIỆM VỀ ĐIỆN DUNG VÀ ĐIỆN MƠII, Mục đích thí nghiệm

Phần thí nghiệm này giúp sinh viên biết cách tiến hành thi nghiệm trên bộ thiết bị, đođược 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 điệntrường tĩnh.

II, Cơ sở lý thuyết

Đối với tụ điện phẳng, ta có quan hệ sauC= εA/dTrong đó:

-C: điện dung của tụ điện phẳng -A: tiết diện của tấm bản cực kim loại -d: khoảng cách giữa 2 bản cực -ε: hằng số điện mơi của chất điện mơi

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

CTĐ=C +C +…+C12N

Lưu ý: Trong các thí nghiệm đo điện dung của tụ điện, đồng hồ đo điện áp sẽ có mơhình tương đương gồm một vơn kế có tổng trở lớn vơ cùng mắc song song với một tụđiện C (C là điện dung bên trong của đồng hồ đo (25pF)) và điện dung ký sinh của đầuEEque đo) Do giá trị điện dung C rất nhỏ hơn so với giá trị của tụ điện cần đo trong thíEnghiệm nên có thể bỏ qua.

- Tụ điện 30pF

- Đầu kẹp thí nghiệm, dây nối tiếp đất

- Máy tính cài phần mềm Science Workshop interface

III. Trình tự thí nghiệm

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

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

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

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

Bước 2: Khử điện tích dự 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 3cm. Sử dụng que đo lấymẫu điện tích để truyền điện tích từ quả cầu kim loại sang bản cực của tụ điện bằng cáchchạm 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 điệntích 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 là6cm . So sánh các giá trị điện áp trong 2 lần thực hiện thí nghiệm.

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. Giữkhoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 6cm, nổi 2 bản cực tụ điện với nguồn áp2000V (1 chiều). Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp Hình 11: Sơ đồ mơ phỏng qtrình kết nối các thiết bị.

Bước 2: Nối đất que đo lấy mẫu điện tích và sử dụng que đo này và lồng faraday đểxác định giá trị mật độ điện tích tại các vị trí khác nhau trên bản cực của tụ điện. Nhậnxét 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 tíchtại điểm giữa của bản cực của tụ tại mỗi vị trí khoảng cách 2 bản cực. Nhận xét về sựthay đổi của điện tích theo giá trị điện dung của tụ.

c. Đo 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. Giữkhoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện bằng 6cm, nối 2 bản cực tụ điện với nguồn áp3000V (1 chiều). Lưu ý tiếp đất cho đồng hồ đo điện áp.

Bước 2: Giữ nguyên khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ điện. Thay đổi giá trị điện ápđặt 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 thayđổi điện tích trên bản cực theo giá trị điện áp của 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.Bước 2: Đặt khoảng cách giữa 2 bản cực của tụ là 2mm. Nối tụ điện vào nguồn áp 1chiều 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 độđiện đồng hồ đo với mỗi giá trị khoảng cách. Nhận xét sự thay đổi điện áp theo giá trị 1

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

điện dung của tụ.

IV. Kết quả đo.

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

Khoảng cách 2 bản tụ Giá trị đồng hồ đo

-Nhận xét: Sự thay đổi của điện tích trên bản tụ tỉ lệ thuận với sự thay đổi điện dung, ,

khi điện dung tụ giảm xuống do khoảng cách giữa 2 bản tụ tăng lên thì điện tích trên 2bản tụ cũng có xu hướng giảm theo.

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

Điện áp 3000V 2000V 1000VGiá trị đồng hồ đo 31 19 7

- Nhận xét: Sự thay đổi của điện tích trên bản tụ tỉ lệ thuận với sự thay đổi điện áp, điện

áp càng tăng thì điện tích cũng tăng theo.

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