đề tài lĩnh vực điện và cơ khí tên đề tài sâu điện từ đục đất

1
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI
TRƯỜNG THPT NGUYỄN GIA THIỀU - QUẬN LONG BIÊN
****
ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT
DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ
LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014-2015)
Tên đề tài: SÂU ĐIỆN TỪ ĐỤC ĐẤT
Lĩnh vực: Kỹ thuật điện & cơ khí

NGƯỜI HƯỚNG DẪN
1. PGS.TS Trần Minh Thi
- Đơn vị công tác: Trường ĐHSP Hà Nội
2.ThS Nguyễn Nguyệt Huệ
- Đơn vị công tác: THPT Nguyễn Gia Thiều
TÁC GIẢ
1. Lưu Tùng Hải
2. Phạm Bình Minh
Lớp: 12A3 Trường THPT
Nguyễn Gia Thiều

MỤC LỤC
PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1
PHẦN II: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỂM MỚI,
SÁNG TẠO CỦA ĐỀ TÀI 2
1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu 2
PHẦN III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 3
1. Quá trình tiến hành thực nghiệm 4
1.1. Tiến hành thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ, cơ cấu
điện từ hút đẩy dùng một cuộn dây 4

1.2. Tìm kiếm phương án tạo lực điện từ mạnh hơn 8
2.1. Sơ đồ nguyên lý của "Sâu điện từ đục đất" 15
2.2. Nguyên lý hoạt động của cơ cấu 15
2.3. Hoàn thiện cơ cấu 15
3. Hướng nghiên cứu tiếp theo 20
PHẦN IV: KẾT LUẬN 21
Tài liệu tham khảo 22
2
PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Với mục tiêu nghiên cứu làm giảm sự lãng phí do thiếu đồng bộ khi xây
dựng các kết cấu hạ tầng, ví dụ một con đường đẹp mới được hoàn thành, lại thấy
đường bị đào lên để chôn đường ống nước, dây điện việc này vừa gây lãng phí
rất lớn, gây mất mĩ quan đô thị, phá hỏng con đường vừa đưa vào sử dụng, gây ô
nhiễm môi trường .v.v. hoặc là một thiết bị quan trọng sử dụng để phá hủy bom
mìn trong lòng đất, khi không chắc chắn sẽ đào lên được; hoặc xử lý các ổ mối ở
trong đê; hoặc xác định khoáng sản v.v. Trước những vấn đề cấp bách trên, nhóm
nghiên cứu của chúng em nghĩ đến giải pháp đục ngang xuyên đất bằng thiết bị
mới để giải quyết những vấn đề vừa đề cập đến.
Vấn đề đào ngang xuyên đất đã được các nhà khoa học nghiên cứu và chế
tạo ra nhiều loại máy khác nhau. Nếu khoảng xuyên ngắn thì người ta sử dụng các
máy khoan đất với kết cấu va đập cơ khí (vừa quay mũi khoan vừa rung búa đóng),
với khoảng dài thì thường sử dụng pit-tông nén khí để ép đầu đục theo phương
ngang tạo lực va đập, hoặc dùng các cơ cấu rung va đập sử dụng bánh lệch tâm do
nhà bác học Tsaplin đề xuất, với thiết bị này thì đầu ép luôn bị lệch hướng và bị
chuyển hướng (bị đùn sang hướng khác). Các máy thương mại này có giá thành
cao, kích thước cồng kềnh, khi hoạt động cần có một địa hình rộng để có thể vận
hành, đào hố đặt máy
Ở Việt Nam đã có một số đề tài khoa học nghiên cứu về cơ cấu rung va đập
dùng cho máy đục ngang có kích thước nhỏ gọn như: Đề tài nghiên cứu khoa học
cấp bộ "Nghiên cứu phát triển mô hình động lực học phi tuyến của cơ cấu rung va

đập dùng ống Sô-lê-nô-ít trong mạch cộng hưởng RLC, ứng dụng cho các máy
rung va đập yêu cầu kích thước nhỏ gọn" của tác giả Nguyễn Văn Dự - Đại Học
Thái Nguyên. Đề tài luận văn thạc sỹ "Động lực học cơ cấu rung RLC" của tác giả
La Ngọc Tuấn- Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Vinh-2009 Các đề tài đã khảo sát
mạch cộng hưởng RLC nghiên cứu tương tác giữa ống dây mang dòng điện, khảo
sát lực tương tác giữa một ống dây với một lõi sắt và sử dụng lực tương tác do va
đập của cuộn dây với chốt chặn.
Từ những nghiên cứu trước đây của các nhà khoa học, nhóm chúng em
nhận thấy cần nghiên cứu một cơ cấu điện từ đục ngang nhỏ gọn, hoạt động dựa
trên nguyên tắc hút đẩy của mạch điện từ theo kiểu sâu đục đất, chúng em gọi là
"Sâu điện từ đục đất".
3
PHẦN II: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO CỦA ĐỀ TÀI
1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Để chế tạo "Sâu điện từ đục đất" nhóm nghiên cứu đã suy nghĩ, tìm hiểu
nguyên tắc hoạt động của các cơ cấu để đục theo phương ngang. Dựa trên kiến
thức về từ trường, cảm ứng điện từ đã học ở Vật Lý 11, chúng em thấy rằng khi đặt
một nam châm vĩnh cửu trước ống dây có dòng điện chạy qua, lực điện từ xuất
hiện sẽ khiến nam châm tương tác với ống dây. Thông qua việc đảo chiều dòng
điện thì nam châm sẽ được hút vào và đẩy ra liên tục.
Quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, để tạo ra lực tác động đủ mạnh thì
phải kết hợp giữa ống dây và mạch từ tác động lên trục từ (làm bằng các lá thép kĩ
thuật điện), sử dụng hai ống dây lắp đặt sao cho đường nối tâm của cả hai ống
trùng nhau. Quá trình di chuyển hút - đẩy được tự động bởi hệ thống gồm hai rơ le
đóng ngắt mạch điện, có chức năng điều khiển nguồn điện cung cấp cho hai ống
dây. Hai rơ le hoạt động nhịp nhàng giúp lõi thép chuyển động tuần hoàn. Ở phía
đầu của một lõi thép ta đặt chốt chặn để thu được lực va đập. Sử dụng hệ thống lò
xo và các lá thép tạo ra ngàm, đẩy vào đất tạo phản lực cho cơ cấu tác động vào
mũi đục chuyển động tịnh tiến theo một khoảng hành trình (x). Khi trục từ bị hút

ngược trở lại, nhờ lò xo, cơ cấu ngàm ở trên mũi đục va đập vào vỏ, sẽ đẩy cơ cấu
tiến một khoảng (x). Quá trình diễn ra liên tục khiến cho cơ cấu đục sâu vào đất
giống như một chú sâu bò dần, bò dần vào đất.
2. Điểm mới và sáng tạo của đề tài
Đề tài đã nghiên cứu cơ cấu hoạt động của mô hình "Sâu điện từ đục đất".
Hiện nay trên thị trường chưa có thiết bị đục đất theo phương ngang với nguyên
lý hút - đẩy điện từ như trên. Các nghiên cứu trước đây mới khảo sát lực tương
tác của một lõi thép với một ống dây, khảo sát về nguyên lý tạo lực va đập.
"Sâu điện từ đục đất" hoạt động tự động thông qua hai rơ le đóng ngắt
hành trình kết hợp với rơ le trung gian (hoặc khởi động từ) để điều khiển nguồn
điện cung cấp cho hai cuộn dây. Cuộn dây có mạch từ nên từ tính thu được lớn, tác
động lên trục từ tạo va đập đủ mạnh.
“Sâu điện từ đục đất” có kích thước nhỏ gọn, dễ áp dụng vào cuộc sống,
giá thành sản phẩm thấp, mang nhiều ưu việt và cần thiết trong nhiều lĩnh vực của
đời sống văn minh hiện đại, có thể đưa vào sản xuất hàng loạt cung cấp cho thị
trường để giải quyết các vấn đề nêu trên.
4
Vật lý lớp 11 về Cơ cấu hút
đẩy Điện- Từ
Hiện tượng cảm ứng điện
từ Định luật Lenxo
Máy tạo rung, va đập
thực tế
Cơ cấu
cam, khoan
xuyên
Lõi từ di chuyển trong
cuộn dây không
mạch từ
Lõi từ di chuyển

trong cuộn dây có
mạch từ
Biên độ
nhỏ, cuộn
dây nóng
Biên độ và
lực va đập
tốt
Kết cấu cồng kềnh,
môi trường ồn ào,
nhiên liệu lớn
Loại
Nén
khí
1 lõi sắt và 1 cuộn dây
2 lõi sắt và 2 cuộn dây
Phải thiết kế có lò xo kéo lại, sau đó đóng điện để
tạo sự di chuyển của lõi từ. Không có sự đồng bộ
giữa hút và đẩy
Tự động đóng hút đẩy
thông qua 2 cuộn dây
Loại
Chọn
Gây hạn chế: Giao thông ùn tắc; công nhân sử dụng lao động phổ
thông; mất mỹ quan; làm bụi bẩn, ô nhiễm …
Đào ngang đường để chôn ống nước hay đặt dây điện … …
Thiết bị đào xuyên ngang
đường nhỏ gọn
Nghiên cứu giải pháp điện
từ sử dụng lõi sắt

Loại
PHẦN III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành tổng cộng 10 thí nghiệm, thông qua kết quả
của các thí nghiệm trước chúng em đánh giá ưu nhược điểm, rồi tiến hành các thí
nghiệm sau để khắc phục nhược điểm của thí nghiệm trước và đưa ra phương án
khả thi.
Toàn bộ quá trình nghiên cứu và thực nghiệm của chúng em diễn ra theo sơ
đồ tư duy sau:
1.
Quá
trình tiến hành
thực nghiệm
5
1.1. Tiến hành thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ, cơ cấu điện từ
hút đẩy dùng một cuộn dây
Trong phần này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành 6 thí nghiệm khảo sát cơ cấu
hút - đẩy khi một cuộn dây có dòng điện chạy qua. Qua 6 thí nghiệm nhóm đã thu
được chuyển động tuần hoàn của lõi nam châm, nhưng lực tương tác của lõi nam
châm chưa được mạnh như mong muốn (thí nghiệm 6).
Thí nghiệm 1
Lý do thí nghiệm:
Hiểu và chứng minh lại bằng thực nghiệm hiện tượng cảm ứng điện từ.
Bố trí thí nghiệm:
Ống dây nối với một Ampe kế tạo thành mạch điện kín. Cho nam châm dịch
chuyển trong lòng ống dây để từ thông biến thiên qua ống dây.
Kết quả:
+ Kim Ampe kế dịch chuyển sang giá trị khác không, chứng tỏ trên ống dây
đã xuất hiện suất điện động cảm ứng, và trong mạch kín có dòng điện chạy qua.
Thí nghiệm 2
Lý do thí nghiệm: Từ hiện tượng cảm ứng điện từ, chúng em suy nghĩ đến

thí nghiệm ngược, liệu rằng khi có dòng điện chạy qua ống dây thì nam châm có
chuyển động không?
Bố trí thí nghiệm:
6
Hình 1.1 thí nghiệm hiện tượng cảm ứng
điện từ
Nam châm đặt trong lòng ống dây, ống dây nối với máy biến thế, mắc qua
đi-ốt để tạo dòng điện một chiều, sau đó nối với công tắc thành mạch kín. Điện áp
được cấp cho cơ cấu với các giá trị thay đổi U=6V; 9V; 12V; 24V. Bật công tắc
cho dòng điện một chiều vào ống dây để tạo nam châm điện, thay đổi giá trị
hiệu điện thế theo hướng tăng dần. Quan sát sự tương tác của ống dây với lõi
nam châm.
Kết quả:
+ Lõi nam châm đặt trong lòng ống dây, không quan sát được sự tương tác.
+ Đặt lõi nam châm lệch về một phía của ống dây, có sự tương tác giữa lõi
nam châm và ống dây. Tăng dần hiệu điện thế đến 24V ta thấy lõi nam châm dịch
chuyển, tuy nhiên nam châm dịch chuyển một khoảng nhỏ, khó quan sát.
Nguyên nhân: Do nam châm làm thí nghiệm có từ tính nhỏ, mặt khác thanh
nam châm chuyển động trong lòng ống dây có ma sát lớn, thế nên khó quan sát
được sự dịch chuyển.
Giải pháp khắc phục: Tìm mua loại nam châm có từ tính lớn, đồng thời bố
trí hai đầu ống dây hai vòng bi để giảm ma sát.
Sau khi bố trí giảm ma sát, thí nghiệm quan sát được rõ ràng. Cho dòng điện
vào ống dây, lõi nam châm bị hút mạnh về một phía làm cho ống dây bị đổ xuống.
Thí nghiệm 3
Lý do thí nghiệm:
7
Hình 1.2 lõi nam châm tương tác với ống dây khi có dòng điện chạy qua, lõi nam châm bị
hút mạnh về một phía, chuyển động nhanh khiến cả ống dây bị đổ xuống
Khi có dòng điện qua ống dây thì ống dây tương tác với nam châm. Nếu đổi

chiều dòng điện liên tục thì liệu nam châm có chuyển động qua lại trong lòng ống
dây không?
Bố trí thí nghiệm: tương tự như thí nghiệm 2. Tiến hành đảo chiều dòng điện
liên tục bằng công tắc nguồn để lõi nam châm bị hút đẩy liên tục và có thể dịch
chuyển tuần hoàn.
Kết quả: Lõi nam châm chỉ dịch chuyển về một phía rồi dừng lại, dù có đảo
chiều liên tục và tăng hiệu điện thế đặt vào ống dây.
Nguyên nhân: khi đóng điện, nam châm bị đẩy lệch hẳn về một phía, đảo
chiều dòng điện thì nam châm bị hút trở lại. Nhưng do lực từ xuất hiện còn yếu nên
không thắng được lực ma sát để có thể kéo lõi nam châm quay trở lại vị trí ban đầu.
Thí nghiệm 4
Lý do thí nghiệm:
Khi lõi nam châm bị đẩy lệch khỏi ống dây, đảo chiều dòng điện thì sẽ xuất
hiện lực từ tác dụng lên nam châm, nếu kết hợp với lực đàn hồi kéo lò xo thì liệu
có tạo ra sự dịch chuyển tuần hoàn của nam châm không?
Bố trí thí nghiệm:
Lõi nam châm đặt trong lòng ống dây và được giảm ma sát bởi vòng bi. Để
không phải đảo chiều dòng điện, nhóm đã thay nguồn điện một chiều ở thí nghiệm
2, 3 bởi nguồn điện xoay chiều của mạng điện sinh hoạt có hiệu điện thế hiệu dụng
220V, tần số 50Hz. Dùng một số ống dây khác nhau với đường kính dây cuốn là
0,5mm, số vòng thay đổi với các thông số là 1000 vòng, 2000 vòng, 2800 vòng và
4600 vòng, đồng thời liên kết lõi nam châm với một lò xo dãn để khi lõi nam châm
bị lệch đi thì xuất hiện lực đàn hồi kéo lõi nam châm trở lại. Hệ thống dao động, lò
xo liên tục được kéo dãn và dao động theo.
Kết quả:
+ Khi đóng điện lõi nam châm dịch chuyển tuần hoàn liên tục. Chuyển động
của lõi nam châm tương đối nhanh với biên độ dao động khoảng 5mm.
+ Lõi nam châm dịch chuyển chưa được một phút thì ống dây nhanh chóng
bị nóng lên. Thí nghiệm cho thấy số vòng dây tăng lên đến 4600 vòng thì ống dây
vẫn nóng, nhưng không nóng bằng ống dây có số vòng là 1000 vòng.

Nguyên nhân:
Do khi có dòng xoay chiều biến đổi qua khối vật dẫn là vòng bi, nam
châm, thì từ thông cũng biến đổi, trên vật dẫn xuất hiện dòng điện Fu-cô làm
cho khối vật dẫn nóng lên. Đồng thời trên dây cuốn có điện trở, điện trở này
nhỏ, nên khi nối trực tiếp với nguồn 220V-50Hz thì cường độ qua ống dây rất
8
lớn, gần như gây nên hiện tượng đoản mạch, nên trên dây cuốn cũng tỏa nhiệt
do hiệu ứng Jun - Lenxơ. Mặc dù số vòng của ống dây tăng lên thì điện trở
của ống dây cũng tăng, nhưng tăng không nhiều.
Giải pháp khắc phục: giảm hiệu điện thế đặt vào ống dây, giảm tiết diện dây
quấn, đồng thời tăng số vòng dây quấn của ống dây.
Thí nghiệm 5
Lý do thí nghiệm: Muốn lõi nam châm dịch chuyển tuần hoàn trong thời
gian dài thì cần giảm dòng điện Fu-cô. Nếu hạ điện áp đặt vào ống dây thì liệu hiện
tượng nóng nên có được giải quyết?
Bố trí thí nghiệm:
Cuộn dây có đường kính tiết
diện dây quấn 0,2mm; số vòng dây
khoảng 4600 vòng. Hệ thống cuộn
dây được đặt trên một chiếc xe lăn, xe
lăn bố trí trên một đường rãnh dẫn
hướng để xe lăn cũng có thể chuyển
động tự do. Một đầu xe được giữ bằng
một lò xo dãn. Lõi nam châm được
đặt lệch khỏi cuộn dây và được nối
với một lò xo dãn khác. Dùng nguồn
xoay chiều có hiệu điện thế nhỏ
U=12V; U=24V.
Kết quả thí nghiệm:
+ Cho dòng điện chạy qua ống dây, khi nam châm bị hút vào thì trên lò xo

xuất hiện lực đàn hồi có xu hướng kéo nam châm trở lại vị trí ban đầu. Khi dòng
9
Hình 1.3 Ống dây tương tác với lõi nam châm khi nối ống với nguồn xoay chiều
Hình 1.4 Cơ cấu điện từ hút-đẩy dùng một
cuộn dây
điện đổi chiều, ống dây xuất hiện lực từ đẩy nam châm ra. Dòng điện đổi chiều liên
tục khiến cho cơ cấu hoạt động nhẹ nhàng, liên tục.
+ Cuộn dây hầu như không bị nóng lên dù hoạt động được một thời gian dài.
+ Biên độ dao động của lõi nam châm chưa mạnh, chỉ khoảng 3mm. Khi
thay hiệu điện thế hoạt động ở mức cao hơn là 24V thì lõi nam châm có thể dao
động một thời gian dài mà ống dây nóng lên không đáng kể.
Thí nghiệm 6
Lý do thí nghiệm:
Trong thí nghiệm 5, khi nối lò xo dãn với nam châm ta có thu được chuyển
động tuần hoàn của lõi nam châm, nhưng bố trí như vậy thì phương thức thu lực
tương tác sẽ khó. Liệu có thể thay lò xo dãn kể trên bằng một lò xo nén bố trí trong
lòng ống dây? Khi đó đầu còn lại của nam châm có thể dễ dàng thu được lực va đập.
Bố trí thí nghiệm:
Cuộn dây, nam châm và hiệu điện thế vẫn giữ như ở thí nghiệm 5. Bố trí lõi
nam châm lệch khỏi ống dây một đoạn bằng cách một đầu ống dây chặn bằng một
mẩu lò xo nén. Khi lõi nam châm dịch chuyển đi sâu vào lòng ống dây, lò xo sẽ
xuất hiện lực đàn hồi, đẩy lõi nam châm ra, khi chiều dòng điện thay đổi, lực điện
từ lại hút nam châm vào.
Kết quả thí nghiệm:
+ Lõi nam châm dịch chuyển tuần hoàn, liên tục, biên độ dao động khoảng
5mm. Gắn thêm vào đầu nam châm một mũi đinh, ta thu được lực va đập vào đầu
mảnh gỗ chặn phía trước, khiến mảnh gỗ chuyển động.
+ Tuy nhiên lực va đập thu được chưa đủ mạnh để có thể đục đất, do đó
nhóm tiếp tục phải nghiên cứu để có thể chế tạo một cơ cấu có khả năng làm việc
tốt hơn.

10
Hình 1.5 Hoạt động của cơ cấu điện từ hút - đẩy
1.2. Tìm kiếm phương án tạo lực điện từ mạnh hơn
Trong 6 thí nghiệm ở trên, lõi nam châm chuyển động tạo ra lực tương tác.
Vì dùng nam châm vĩnh cửu nên từ tính không được mạnh. Do đó nhóm nghiên
cứu suy nghĩ đến phương án dùng nam châm điện để tạo lực tương tác lớn hơn.
Lõi thép kĩ thuật điện khi đặt trong từ trường sẽ bị từ hóa và biến thành
nam châm. Khi đặt lõi thép kĩ thuật điện trong lòng ống dây sẽ giúp làm tăng từ
tính cho ống dây mang dòng điện. Khi dòng điện mất đi, lõi thép cũng nhanh
chóng mất từ tính.
Khi hệ thống lõi thép kĩ thuật điện được bố trí thành mạch kín thì sẽ giúp
khép vòng từ thông đi qua lõi thép tốt hơn so với khép vòng qua không khí. Dựa
trên lý thuyết đó nhóm đã chế tạo cơ cấu gồm ống dây được ghép các lá thép kĩ
thuật điện bên ngoài và bên trong là hệ thống các lá thép kĩ thuật khác bố trí đồng trục.
Trong phần này nhóm đã tiến hành tổng cộng 4 thí nghiệm như sau:
Thí nghiệm 7
Lý do thí nghiệm:
Thử nghiệm với nam châm điện để khảo sát lực tương tác nhằm mục đích
thu được lực va đập lớn hơn.
Bố trí thí nghiệm:
Dùng các lá thép kĩ thuật điện, ghép lại thành lõi thép và kẹp chặt giữa hai
thanh ray trượt nhằm làm giảm ma sát. Hai thanh ray được tận dụng từ ngăn kéo
bàn cũ. Nối một đầu thanh ray với lò xo dãn để giúp tạo lực đàn hồi kéo lõi thép
ngược trở lại. Ống dây cuốn khoảng 4600 vòng, dùng loại dây cuốn 0,5mm. Nguồn
điện được cung cấp là nguồn xoay chiều có hiệu điện thế U=110V. Toàn bộ ống
dây được bao bên ngoài bởi các lá thép kĩ thuật điện giúp khép vòng từ thông,
giảm từ trở của không khí.
Tiến hành thí nghiệm:
Ban đầu lõi thép kĩ thuật điện được đặt lệch về một phía so với ống dây. Cho
dòng điện một chiều đi qua, lõi thép bị hút mạnh vào trong. Đổi chiều dòng điện

bằng một công tắc đảo chiều, lúc này lõi thép lại bị hút ngược lại. Liên tục đảo
chiều dòng điện ta thu được một chuyển động tuần hoàn của lõi thép.
Nhận xét:
+ Lực tương tác của lõi thép mạnh hơn nhiều so với thí nghiệm 6.
+ Chuyển động của lõi thép nhanh và tạo lực mạnh, nên có thể sử dụng để
tạo lực cho mũi đục của cơ cấu đục ngang.
+ Cuộn dây và lõi thép nóng lên rất ít.
Nhược điểm:
11
Khi dùng cơ cấu có một cuộn dây, ta luôn phải dùng lò xo hỗ trợ kéo lõi
thép về. Do vậy khi ống dây hút lõi thép về phía trước thì lò xo lại xuất hiện lực
đàn hồi kéo lõi thép trở lại. Lực này ngăn cản chuyển động, làm cho lực va đập của
lõi thép sẽ giảm đi. Ở thí nghiệm này đã không có sự đồng bộ giữa hút và đẩy.
12
Hình 1.6 Các lá thép kĩ thuật điện được
lấy từ thiết bị có sẵn
Hình 1.7 Các lá thép được cắt ra theo
hình dạng mong muốn bằng kéo chuyên
dụng
Hình 1.9 Hệ thống ray trượt
giúp giảm ma sát
Hình 1.8 Ống dây cuốn với các đầu
nối ra với số vòng khác nhau
Hình 1.10 Ống dây được gắn các lá thép kĩ thuật điện ở hai bên nhằm
khép vòng các đường sức từ tốt hơn
Thí nghiệm 8
Lý do thí nghiệm: cần tạo ra một cơ cấu hút đẩy thay thế cho lò xo ở trên.
Nếu ta bố trí thêm một cuộn dây khác đồng trục để tạo lực kéo về cho lõi thép thì
không còn xuất hiện lực cản trở chuyển động. Như vậy lực tương tác sẽ mạnh hơn
và cơ cấu đục sẽ khả thi hơn.

Bố trí thí nghiệm:
+ Sử dụng hai ống dây ghép đồng trục với nhau. Các ống dây được bao bên
ngoài bởi các lá thép kĩ thuật điện. Lõi từ gồm 2 khối thép kĩ thuật điện ghép trong
hai ray dẫn hướng. Dây dẫn của 2 cuộn dây được đấu vào nguồn điện thông qua 2
công tắc tắt, mở.
13
Hình 1.11 Lõi thép kĩ thuật điện
kẹp trong hệ thống ray
Hình 1.12 Bố trí thí nghiệm 7
Hình 1.13 Lắp ráp hệ thống 2 ống dây và hai lõi thép, dòng điện được cung cấp bởi
nguồn xoay chiều 220V thông qua hai công tắc điều chỉnh đóng ngắt
+ Ban đầu đặt lệch lõi thép về phía ống dây 2, bật công tắc cấp dòng cho ống
dây 1, sau đó tắt dòng ống dây 1 và lại cung cấp dòng cho ống dây 2. Dòng điện
cung cấp lần lượt cho 2 cuộn dây qua công tắc đóng ngắt.
Kết quả thí nghiệm:
+ Khi ống dây 1 có điện, cả trục từ bị hút về phía ống dây 1. Đổi công tắc
chỉ cấp điện cho ống dây 2 thì cả trục từ lại bị hút về phía ống dây 2. Liên tục tắt,
bật 2 công tắc một cách luân phiên, ta thu được chuyển động qua lại tuần hoàn của
trục từ.
+ Trục từ chuyển động sau một thời gian dài mà cuộn dây không bị nóng
lên. Lực từ đập vào mảnh gỗ chắn phía trước tương đối mạnh, cần một lực lớn để
giữ mảnh gỗ đứng yên.
Nhược điểm:
Phải có người dùng tay điều khiển hai công tắc đóng ngắt mạch điện.
Thí nghiệm 9
Lý do thí nghiệm:
Cần tìm phương án thay thế công tắc đóng ngắt mạch điện thủ công như ở
thí nghiệm 8. Giải pháp là sử dụng rơ le đóng ngắt mạch điện của cuộn dây một
cách tự động.
Bố trí thí nghiệm:

+ Bố trí như thí nghiệm 8, nhưng dây dẫn được đấu từ nguồn điện, qua rơ le
đóng ngắt, rồi nối với cuộn dây. Rơ le được bố trí lệch nhau. Khi trục từ bị hút lệch
về bên cuộn dây B, chuyển động sang trái, chạm vào rơ le (1) thì rơ le (1) đóng,
đồng thời rơ le (2) lại mở khiến cho dòng điện chạy qua cuộn dây A, còn cuộn B bị
ngắt điện. Lúc này cả trục từ và lõi thép lại bị hút ngược về phía A. Khi trục từ
chạy tới đóng rơ le (2) thì dòng lại chạy qua cuộn B nhưng không có dòng qua A.
Trục từ lại bị hút ngược lại.
+ Nguồn điện sử dụng của thí nghiệm là nguồn xoay chiều 220V-50Hz, giúp
cho việc cung cấp điện được tiện lợi.
Kết quả thí nghiệm:
+ Trục từ chuyển động được sang một phía, sau đó dừng lại và không
chuyển động được tiếp.
+ Mắc một đầu trục từ vào một lò xo kéo, đóng mạch điện, lúc này trục từ
chuyển động tuần hoàn. Lực tương tác mạnh, đồng thời cơ cấu hoạt động liên tục
trong một thời gian dài mà không bị nóng lên.

14
Nhược điểm:
+ Khi trục từ chuyển động đẩy vào cần rơle (1) thì cuộn dây A được đóng
điện, rơ le (2) ngắt điện. Khi đó trục từ bị hút trở lại phía cuộn dây A. Trong giai
đoạn trục từ chưa chạm vào cần để đóng rơ le (2) thì rơ le (1) đã mở, không có
dòng điện đi qua cả 2 cuộn dây. Như vậy trục từ có một giai đoạn chuyển động
theo quán tính mà không có lực hút từ phía nào. Do trục ray vẫn có ma sát nên trục
từ không vượt qua được điểm chết để chuyển động đến đóng rơ le (2). Để duy trì
15
Hình 1.14 Rơ le đóng ngắt nguồn điện cho cuộn dây
Rơ le (1) mắc với
cuộn dây A
Cuộn dây B Cuộn dây A
Rơ le (2) mắc với cuộn

dây B
Hình 1.15 Thí nghiệm sử dụng rơ le đóng ngắt mạch điện
chuyển động vẫn cần có lò xo để xuất hiện lực đàn hồi kéo trục từ qua điểm chết
này. Như vậy thí nghiệm này chưa khắc phục được nhược điểm của thí nghiệm 8.
+ Rơ le đóng điện trực tiếp cho cuộn
dây, dòng điện qua rơ le lớn nên rơ le dễ bị
cháy tiếp điểm.
Thí nghiệm 10
Lý do thí nghiệm:
Tìm phương án để khắc phục giai
đoạn chuyển động theo quán tính như ở thí
nghiệm 9 và giảm việc rơ le bị cháy.
Bố trí thí nghiệm:
Sơ đồ của thí nghiệm 9, tuy nhiên rơ le được mắc với cuộn dây, rồi nối với
khởi động từ.
Khởi động từ dùng để đóng mở cho các thiết bị có công suất lớn. Khi trục từ
chuyển động đóng rơ le (1) thì khởi động từ sẽ điều khiển cho dòng điện qua cuộn
dây A. Dòng điện này được duy trì cho tới khi trục từ chuyển động tới đóng rơ le
(2), cung cấp điện cho cuộn dây B. Nhờ sự duy trì này mà một trong hai cuộn dây
luôn có dòng điện và trục từ không bị chuyển động theo quán tính.
Kết quả thí nghiệm:
Cơ cấu chuyển động nhịp nhàng, liên tục, lực va đập lớn, dùng trực tiếp
dòng điện xoay chiều nên tiện lợi trong việc sử dụng.
+ Như vậy với kết quả thu được nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công mô
hình cơ cấu hút đẩy điện từ để tạo lực va đập mạnh, có thể dùng để đục sâu vào đất.
2. Hoàn thiện cơ cấu "Sâu điện từ đục đất"
16
Hình 1.17 Cơ cấu lõi của "Sâu điện từ đục đất"
Hình 1.16 Khởi động từ
2.1. Sơ đồ nguyên lý của "Sâu điện từ đục đất"

Dựa trên sự thành công của thí nghiệm 10, chúng em suy nghĩ tới hướng hoàn
thiện cơ cấu. Cơ cấu máy gồm các bộ phận chính như sau:
A là cuộn dây A; B là cuộn dây B
Điều kiện hoạt động của các cơ cấu này là cần phải đảm bảo sự chính xác về
mặt cơ khí, đảm bảo sự đồng trục, đặc biệt là chất lượng các lá thép lỹ thuật điện,
dây cuốn. Kích thước của các cơ cấu cần phải gọn nhẹ.
Các bộ phận của cơ cấu tận dụng từ những thiết bị, các mô đun đã lắp rắp
sẵn như mạch từ, cuộn hút, lõi từ của các máy móc cũ, có sẵn trên thị trường
nhằm giảm giá thành sản phẩm.
2.2. Nguyên lý hoạt động của cơ cấu
Khi cuộn dây A được đóng điện, trục từ (1) sẽ bị hút tiến về phía trước, đập
vào kết cấu (5), đẩy mũi ống xuyên đất vào đất. Đồng thời trước khi cuộn A có
điện thì rơ le phản lực tác động chống đẩy cơ cấu (9) bám vào thành đất, làm cho
cơ cấu va đập không bị đẩy lùi.
Sau khi va đập, cuộn A mất điện, cuộn B có điện hút trục quay ngược lại,
đẩy kết cấu liên kết với vỏ ống chống vào thành đất, đẩy toàn bộ khối cơ cấu về
phía trước. Cứ như vậy, cơ cấu sẽ di chuyển dần vào sâu trong đất. Trong quá trình
chuyển động, rơ le thực hiện đóng ngắt điện cho phù hợp với khoảng di chuyển
của cơ cấu.
1. Trục từ 6. Vòng bi
2. Cuộn dây 7. Ống bảo vệ
3. Mạch từ 8. Rơ le phản lực cho cơ cấu
4. Mũi đục và vỏ 9. Cơ cấu hãm ngược
5. Kết cấu va đập, giảm chấn 10. Thanh hút đẩy cơ cấu hãm ngược
17
Hình 2.1 Hoàn thiện cơ cấu " Sâu điện từ đục đất"
B A
Do cấu tạo của mũi đục và thân cơ cấu nên đất bị nén chặt sang các thành
bên của cơ cấu và ta tạo được một lỗ đục có đường kính bằng đường kính ngoài
của cơ cấu.

2.3. Hoàn thiện cơ cấu
Mạch từ tận dụng từ các linh kiện có sẵn, sử dụng rơ le và rơ le trung gian
kích thước nhỏ, gọn. Vì cụm cơ cấu 8,9 ở trên yêu cầu độ chính xác cao về mặt gia
công cơ khí nên chúng em nghĩ đến giải pháp dùng cơ cấu giống líp xe đạp nối với
bánh xe để chế tạo cho "Sâu điện từ đục đất" chuyển động trên mặt đất. Khi cơ
cấu chuyển động thì bánh xe chuyển động trên mặt ngang, nhờ có hệ thống líp nên
bánh xe và lõi của cơ cấu chỉ chuyển động theo một chiều, ma sát của bánh với
mặt đất có vai trò như ma sát của vỏ sâu với đất. Cuối cùng chúng em đã chế tạo
thành công được "Sâu điện từ đục đất" cho thử nghiệm hoạt động của cơ cấu trên
mặt đất, kiểm nghiệm lực va đập của cơ cấu.
18
Hình 2.3 gia công mặt gông cho
hai cuộn dây
Hình 2.2 mạch từ tận dụng từ linh kiện cũ, có sẵn trên thị trường
Hình 2.4 hai cuộn dây, mạch từ, trục từ sau khi được ghép
19
Hình 2.5 hai rơ le điều khiển và rơ le trung gian tự động cấp dòng cho hai cuộn dây
Hình 2.6 lắp ráp lõi của 'Sâu điện từ đục đất"
Hình 2.7 mắc rơ le và nối dây nguồn cho các cuộn dây
20
Hình 2.9 bánh xe giúp "Sâu điện từ
đục đất " chuyển động trên mặt ngang
Hình 2.10 mặt bích lắp phía đầu cơ cấu
Hình 2.8 cấp nguồn thử nghiệm hoạt động của lõi cơ cấu
Hình 2.11 Ống nhựa dùng gia công vỏ cơ cấu
21
Hình 2.11 vỏ và lõi của "Sâu điện từ đục đất"
Hình 2.12 lồng vỏ vào cơ cấu chạy tạo thành "Sâu điện từ đục đất"
3. Hướng nghiên cứu tiếp theo
+ Tiếp tục chế tạo và hoàn thiện cơ cấu mũi đục và hệ thống ngàm tự động giữ và

tạo phản lực đẩy máy vào sâu trong đất (cụm cơ cấu 8 và 9).
+ Thử nghiệm cơ hệ hoạt động trong điều kiện địa chất phức tạp.
+ Chế tạo "Sâu điện từ đục đất" hoạt động dựa trên nguyên lý “ Điện từ hút - đẩy”
và đưa vào thực tiễn sử dụng.
22
Hình 3.2 Mạch từ tẽ dày 2cm từ mạch từ nguyên khối của máy biến áp lò vi
sóng cũ
PHẦN IV: KẾT LUẬN
Các kết quả chính đạt được
- Phân tích lý thuyết và đưa ra mô hình cơ cấu hút - đẩy dựa trên nguyên lý tương
tác điện từ, từ những kiến thức học trong chương trình Vật Lý và Kĩ thuật công nghiệp
phổ thông.
- Tiến hành các thí nghiệm khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ, phân tích, tìm ra
cơ cấu hoạt động dựa trên ý tưởng ban đầu của đề tài.
- Thiết kế, chế tạo và vận hành thành công mô hình hoàn toàn mới, cơ cấu rung đập
nhỏ gọn, "Sâu điện từ đục đất", hoạt động dựa trên sự tương tác của lõi từ với 2 ống dây
mang dòng điện, chuyển động được trên mặt đất.
23
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Thế Khôi ( Tổng chủ biên), Nguyễn Phúc Thuần ( chủ biên), Nguyễn
Ngọc Hưng, Vũ Thanh Khiết, Phạm Xuân Quế, Phạm Đình Thiết, Nguyễn Trần
Trác. Sách giáo khoa Vật Lý 11 nâng cao. NXB GDVN
[2] Nguyễn Thế Khôi ( Tổng chủ biên), Vũ Thanh Khiết ( chủ biên) Nguyễn Đức
Hiệp, Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Đức Thâm, Phạm Đình Thiết, Vũ Đình Túy,
Phạm Quý Tư. Sách giáo khoa Vật Lý 12 nâng cao. NXB GDVN
[3] PGS.TS. Đào Hoa Việt ( chủ biên) Ths. Vũ Hữu Thích; Ths Vũ Đức Thoan;
KS Đỗ Duy Hợp. Giáo trình máy điện NXB GDVN
24