Báo cáo kết quả thí nghiệm bài 2: Khảo sát từ trường trong ống dây thẳng môn Vật lý và thí nghiệm 1 | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

lOMoAR cPSD| 59031616
BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
Xác nhận của giáo viên thông Nhóm: 07 Tổ 4
Họ và tên: Mai Đức Mạnh BÀI 2
KHẢO SÁT TỪ TRƯỜNG TRONG ỐNG DÂY THẲNG
I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM -
Khảo sát sự phụ thuộc của cảm ứng từ B trong lòng ống dây vào cường độ dòng điện I
chạyqua các vòng dây của ống dây thẳng. -
Khảo sát sự phân bố của cảm ứng từ B dọc theo trục của ống dây khi có dòng điện I chạyqua ống dây thẳng.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bài thí nghiệm này tập trung vào việc khảo sát từ trường sinh ra bởi ống dây thẳng có dòng điện chạy qua.
1. Cường độ từ trường dọc theo trục ống dây thẳng:
o Sử dụng định luật Biot-Savard-Laplace để tính cảm ứng từ B tại một điểm trên μμ0 I R2
trục của vòng dây tròn có dòng điện I. Công thức là: B= 2 r3 (1). Công thức
chính xác hơn cho cảm ứng từ tại điểm A trên trục ống dây thẳng dài L là B .
o Đối với ống dây thẳng dài vô hạn, cảm ứng từ bên trong ống dây được tính bởi B
công thức: B=μ0∙μ∙ I∙n(4). Cường độ từ trường H.
2. Phương pháp đo cảm ứng từ B:
o Sử dụng nguyên tắc cảm ứng điện từ: khi từ thông qua một khung dây biến thiên,
suất điện động cảm ứng sẽ xuất hiện. o Từ thông kế một chiều: Dựa trên việc đo
điện lượng q chạy qua khung dây khi từ thông thay đổi từ ϕ về 0. Cảm ứng từ B
được xác định từ công thức ϕ=NBS và lOMoAR cPSD| 59031616
q=R+rϕ, suy ra B= R+r q (10) . SN
o Từ thông kế xoay chiều (Tesla Meter): Sử dụng dòng điện xoay chiều hình sin
I=I0sinωt chạy qua ống dây. Cảm ứng từ trong ống dây cũng biến thiên tuần hoàn
B=B0sinωt (12). Đặt khung dây đo trong ống dây, suất điện động cảm ứng xuất
hiện trong khung là E=−dtdϕ=−E0cosωt(13). Đo biên độ suất điện động E0, ta E0
xác định được biên độ cảm ứng từ B0= N2Sω (14).
o Bài thí nghiệm này sử dụng Từ thông kế xoay chiều (Tesla Meter) VC-8606 hoạt
động ở tần số 50Hz để đo biên độ cảm ứng từ B0.
III. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Bảng 1 – Đo cảm ứng từ B dọc theo trục ống dây:
Thang đo I : ………………sai số dụng cụ : …………………
Thang đo B0 : ……………… sai số dụng cụ : …………………
Cường độ dòng điện I =……………(A) x (cm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 B0 (mT) 0.43 0.67 0.8 0.85 0.88 0.9 0.91 0.9 0.9 0.92 0.91 x (cm) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 B0 (mT) 0.92 0.92 0.92 0.87 0.89 0.9 0.9 0.9 0.9 0.91 x (cm) 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 B0 (mT)
0.89 0.89 0.88 0.88 0.87 0.85 0.82 0.78 0.66 0.45 lOMoAR cPSD| 59031616
Bảng 2. Sự phụ thuộc của cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện I chạy qua ống dây:
- Vị trí của cuộn dây đo: 15cm I (A) 0.214 0.444 0.7 0.933 0.001 I0 = 2 I (A) 0.30264 0.62791 0.98995 1.31946 0.00141 B0 (mT) 0.9 1.89 2.96 3.96 0
1). Vẽ đồ thị biểu diễn đường phụ thuộc thực nghiệm của B = Bo(x) dựa trên kết quả đo được trên bảng 1 Đồ thị B = B0(x)
Dựa vào đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cảm ứng từ B0 vào vị trí x dọc theo trục ống dây,
ta có thể đưa ra các nhận xét sau: •
Hình dạng chung của đồ thị:
o Cảm ứng từ B0 có giá trị thấp ở hai đầu ống dây (gần x=0 cm và x=30 cm).
o Khi di chuyển vào phía trong, B0 tăng nhanh và đạt giá trị tương đối ổn định,
gần như đồng đều ở phần giữa ống (khoảng x=5 cm đến x=25 cm), sau đó giảm dần về đầu kia.
o Vùng giữa ống dây cho thấy cảm ứng từ gần như đồng nhất và đạt cực đại.
o Có một số dao động nhỏ (B0 dao động quanh 0.87−0.92 mT), có thể do sai số
thực nghiệm hoặc đặc điểm ống dây. •
Sự phù hợp với lý thuyết: lOMoAR cPSD| 59031616
o Công thức (1-4) (B=μμ0In) - ống dây vô hạn: Đồ thị thực nghiệm phù hợp
một phần ở vùng giữa ống dây, nơi B0 gần như không đổi. Điều này cho phép
xấp xỉ ống dây thực tế như ống dây vô hạn trong khoảng này.
o Công thức (1-3) (B=
In(cos γ1−cos γ2) ) - ống dây hữu hạn: Đồ thị thực
nghiệm phù hợp rất tốt. Đặc điểm B0 giảm đáng kể ở hai đầu và đạt cực đại ở
giữa, hoàn toàn khớp với dự đoán của công thức này, thể hiện rõ ảnh hưởng của
chiều dài hữu hạn của ống dây. • Giải thích:
o Công thức (1-4) là trường hợp lý tưởng của ống dây vô hạn. Trong thực tế, ống
dây có chiều dài hữu hạn, dẫn đến từ trường tổng hợp bị yếu đi tại các điểm gần
hai đầu do đóng góp từ các vòng dây xa bị giảm.
o Do đó, đồ thị thực nghiệm có hình dạng "chuông" hoặc "cao nguyên" (giá trị
cao và ổn định ở giữa, giảm dần về hai đầu), minh họa rõ ràng sự phù hợp tốt
hơn với công thức (1-3).
o Các dao động nhỏ ở phần giữa có thể là do ống dây không hoàn toàn lý tưởng
(ví dụ: mật độ vòng dây không đồng đều) hoặc sai số trong quá trình đo.
Tóm lại: Đồ thị thực nghiệm về sự phụ thuộc của cảm ứng từ B0 vào vị trí x phù hợp với lý
thuyết cho ống dây thẳng dài hữu hạn (công thức (1-3)), cho thấy cảm ứng từ mạnh và gần như
đồng đều ở phần giữa ống dây, và giảm dần về phía hai đầu. Nó chỉ xấp xỉ công thức cho ống
dây vô hạn (công thức (1-4)) ở vùng trung tâm.
2). Vẽ đồ thị B = Bo(I0) dựa trên kết quả đo được trên bảng 2 lOMoAR cPSD| 59031616
Dựa vào đồ thị "Sự phụ thuộc của cảm ứng từ B vào I" và bảng số liệu tương ứng, ta có các nhận xét sau: • Dạng đồ thị:
o Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ cảm ứng từ B0 và biên độ dòng điện
I0 (hoặc cường độ hiệu dụng I) là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ.
o Khi I0 tăng, B0 cũng tăng tuyến tính.
Sự phù hợp với công thức (1-3) và (1-4):
o Cả hai công thức (1-3) B=
In(cos γ1−cos γ2) và (1-4) B=μμ0In đều cho thấy
cảm ứng từ B (hoặc B0) tỷ lệ thuận trực tiếp với cường độ dòng điện I (hoặc
I0) chạy qua ống dây.
o Công thức (1-4) B=μμ0In mô tả cảm ứng từ trong lòng ống dây thẳng dài vô
hạn. Rõ ràng, công thức này là một mối quan hệ tuyến tính giữa B và I.
o Công thức (1-3) mô tả cảm ứng từ cho ống dây hữu hạn. Tuy nhiên, khi khảo
sát tại một vị trí cố định (trong trường hợp này là x=15 cm, tức là ở giữa ống
dây), các yếu tố hình học (cos γ1−cosγ2) trở thành hằng số. Do đó, B vẫn sẽ tỷ lệ thuận với I.
o Kết luận: Dạng đồ thị là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ (tỷ lệ tuyến tính)
phù hợp rất tốt với cả hai công thức (1-3) và (1-4). Điều này chứng tỏ rằng
cảm ứng từ trong lòng ống dây tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy qua nó,
một quy luật cơ bản của điện từ học. • Giải thích:
o Mối quan hệ tuyến tính này là đặc trưng cơ bản của từ trường sinh ra bởi dòng
điện. Khi cường độ dòng điện tăng, số lượng "nguồn" từ trường (các hạt mang
điện chuyển động) tăng lên một cách tương ứng, dẫn đến cường độ từ trường
cũng tăng theo tỷ lệ đó.
o Thực nghiệm được thực hiện tại vị trí x=15 cm, tức là ở giữa ống dây. Tại vị trí
này, từ trường đạt giá trị ổn định và ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng biên, do đó,
mối quan hệ tuyến tính với dòng điện trở nên rõ ràng nhất.
Tóm lại: Đồ thị thực nghiệm B = B0(I0) là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ, cho thấy mối
quan hệ tỷ lệ thuận giữa cảm ứng từ và cường độ dòng điện. Điều này hoàn toàn phù hợp với
dự đoán của cả công thức (1-3) và (1-4), củng cố lý thuyết về từ trường sinh ra bởi dòng điện trong ống dây.