Thí nghiệm Nghiên cứu từ trường của ống dây dài môn Vật lý và thí nghiệm 1 | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

lOMoAR cPSD| 59031616 - 1 -
Thí nghiệm Vật lý BKEM-14 Engineering Physics Instrument Co., LTD
____________________________________________________________________________ _
NGHIÊN CỨU TỪ TRƯỜNG CỦA MỘT ỐNG DÂY THẲNG DÀI ĐO
CẢM ỨNG TỪ Bo = Bo(Io)
VÀ KHẢO SÁT PHÂN BỐ CỦA B DỌC THEO CHIỀU DÀI ỐNG DÂY.
Nhờ ịnh luật Biot Savard – Laplace , ta
dễ dàng tính ược ộ lớn của véc tơ cảm ứng
I - MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 
từ B từ do 1 dòng iện tròn, phẳng gây ra tại
Các cuộn dây thẳng có nhiều ứng
iểm A nằm trên trục vòng tròn ( hình 2)
dụng trong kỹ nghệ và trong phòng thí :
nghiệm vì chúng cho phép tạo ra các từ µµ
trường ều có cường ộ xác ịnh. Trong bài
B = µµ4o rπ 2πo∫R
Isinr2γdl= 4o
thí nghiệm này, ta o cảm ứng từ B trong
rπ 2πo∫R rIR3dl
lòng ống dây khi có dòng iện I chạy qua,
khảo sát mối quan hệ B = B (I), B = B(x),
trong ó I là cường ộ dòng iện chạy qua µµ B = 2 02 r IRr3 (1)
các vòng dây của ống, x là toạ ộ dọc theo 
trục của ống dây, từ ó rút ra những kết B 
luận về tính chất của từ trường trong ống dây. γ
II - CƠ SỞ LÍ THUYẾT : R
1- Cường ộ từ trường dọc theo trục idl
của ống dây thẳng khi có dòng iện
chạy qua. Giả thử ta có 1 ống dây
Hình 2: Từ trường gây bởi dòng
thẳng như ở hình 1. Ta hãy tính cảm ứng iện tròn
từ B tại 1 iểm A nào ó nằm trên trục của
ống dây khi cho dòng iện không ổi I chạy
Ta có thể mở rộng kết quả ó cho 1 oạn qua các vòng dây.
ngắn ds của ống dây (hình 3). Nếu trên 1 ơn vị s
dài có n vòng dây thì trên oạn ngắn ds có nds
vòng. Áp dụng nguyên lý chồng chất từ trường, γ γ R
ta tính ược cảm ứng từ dB do dòng I chạy qua s
nds vòng dây ó, gây nên ở iểm A bằng : µµ . R dB= o r . 2 3 . . .I nds (2)
Hình 1: Từ trường tại iểm A trong
ống dây thẳng dài s 2 r ds lOMoAR cPSD| 59031616 - 2 -
Thí nghiệm Vật lý BKEM-14 Engineering Physics Instrument Co., LTD
_____________________________________________________________________________ s
Nếu cuộn dây dài vô hạn, γ γ π = = 1 0, 2
thì cảm ứng từ B tại một iểm trên trục của ống bằng :
B=µµo. r. .I n (6)
Hình 3 : oạn ống dây dài ds có nds
Cường ộ từ trường H trong lòng ống dây vòng
thẳng dài vô hạn ược xác ịnh bởi :
Từ hình vẽ cho thấy s = R.cotanγ, hay | H = µµ B
o . r = I n. (7)
ds |= +R sindγ2γ, Mặt khác sinγ= Rr . Nhờ
Với các cuộn dây có chiều dài hữu hạn
thì B có giá trị xác ịnh theo (3) nhỏ hơn
công thức (6) và (7) này.
2 hệ thức sau, (2) thành :
III. PHƯƠNG PHÁP ĐOCẢM ỨNG TỪ B µµ dB=+
o r I n. .sinγγd
Giả thử ta có 1 khung dây gồm N vòng và 2
có diện tích S , ược ặt trong từ trường ều
Cảm ứng từ B do ống dây thẳng dài L 
(hình 3) gây ra tại iểm A, nằm trên trục
B sao cho mặt phẳng khung vuông góc với
ống cách một ầu ống một oạn x sẽ là:
vec tơ cảm ứng từ B . 
Từ thông φ gửi qua khung, khi B vuông góc
B = µµo r I.n.γ∫2 sin dγγ =
với mặt phẳng của khung dây : 2 φ= γ NBS (8) 1
Nếu bằng cách nào ó ta làm thay ổi từ
= µµ0 r .I.n(cosγ γ1 −cos 2 )
thông qua khung thì theo ịnh luật cảm 2
ứng iện từ, trong khung sẽ xuất hiện s (3) cảm ứng : trong ó : dφ ε = − (9) cosγ1= x 2 (4) dt R2 + x
Nếu khung dây ược nối với một iện trở tải R,
còn iện trở khung dây là r, thì theo ịnh luật Ôm, cosγ
dòng iện i chạy trong khung xác ịnh bởi : 2 =
L− x 2 (5) R2 + −(L x) i = ε = − 1 dφ (10) R + r R + r dt lOMoAR cPSD| 59031616 - 3 -
Thí nghiệm Vật lý BKEM-14 Engineering Physics Instrument Co., LTD
_____________________________________________________________________________
Nếu ta làm cho từ thông thay ổi từ φ ến 0 trong
trong ó N1 là số vòng dây trên oạn ống dài L.
một thời gian ngắn τ , thì iện lượng q chạy
Cảm ứng từ B trong lòng ống dây : trong mạch bằng : o r 0 rN1
sin t = Bo sin ωt B H I0 L τ∫ 1 ∫0 φ= φ (11) = N q idt =− d Trong ó : B 1 0 =µµ. 0 I0 (14) L 0 R+r φ R+r
là biên ộ của cảm ứng từ biến thiên tuần hoàn
Kết hợp với (1-6), ta suy ra B : với tần số ϖ.
Nếu ặt một khung dây phẳng gồm N
B = R+r q (12) 2
vòng, có tiết diện S ( ều) vào trong ống, sao SN 
Như vậy, o iện lượng q chạy trong mạch iện
cho mặt phẳng của khung vuông góc với B ,
của khung dây trong thời gian từ thông gửi qua
thì s cảm ứng xuất hiện trong khung sẽ là
khung biến thiên từ φ ến 0, ta xác ịnh ược từ
thông φ và cảm ứng từ B theo (11) và (12). E =−dφ
Đó là nguyên tắc của loại máy o cảm ứng từ ể dt
o cảm ứng từ B của từ trường không ổi, gọi là
trong ó φ = N2 .S.B = N2.S.Bosin ωt.
từ thông kế một chiều.
Lấy ạo hàm φ theo t ta có:
Trong trường hợp cần o cảm ứng từ B
E = −N S ω ω 2
B0 cost = - E0 cosϖt.
trong ống dây thẳng dài, ta có thể dùng một từ
thông kế xoay chiều thuận tiện và chính xác
Trong ó E0 là biên ộ SĐĐ cảm ứng E. Đo
hơn từ thông kế một chiều. Nguyên tắc của từ
E0, ta xác ịnh ược biên ộ cảm ứng từ B0.
thông kế xoay chiều như sau :
Cho dòng iện xoay chiều hình sin chạy qua cuộn dây : I = I B 0ω ( 15) 0 sin w t. 0 = N SE2
Có thể sử dụng dòng xoay chiều lấy từ lưới iện
Giá trị B0 tương ứng với dòng iện I0 chạy qua
quốc gia ( 50 Hz), hay từ một máy phát tín hiệu ống dây , với :
iện xoay chiều. Ta hãy xét trường hợp ống dây
thẳng dài vô hạn, khi ó cường ộ từ trường H
I0 = 2.I I : cường ộ hiệu trong lòng ống :
dụng dòng iện xoay chiều.
Trong bài thí nghiệm này, ta dùng Từ
H n I. N1 I
thông kế xoay chiều (Tesla Meter) VC-8606 o sin t (13) L
hoạt ộng ở tần số 50Hz ể o biên ộ cảm ứng
từ B0 trong lòng ống dây thẳng khi có dòng
iện xoay chiều I chạy qua, ồng thời khảo sát lOMoAR cPSD| 59031616 - 4 -
Thí nghiệm Vật lý BKEM-14 Engineering Physics Instrument Co., LTD
_____________________________________________________________________________
sự phụ thuộc của B0 vào cường ộ dòng iện
Lưu ý : Để tránh oản mạch gây sự cố cháy cầu
I0 và sự phân bố của B0 dọc theo trục của
chì của bộ nguồn hoặc gây cháy hỏng ồng hồ ống dây.
ampe kế, khi tiến hành lắp ráp mạch iện nhất
thiết phải tắt công tắc nguồn iện. Sau khi mắc IV. DỤNG CỤ :
mạch xong, phải yêu cầu cán bộ hướng dẫn ến
1- Một ống dây thẳng có chiều dài L =
kiểm tra mạch iện trước khi bật iện tiến hành
300mm, ường kính D = 40.4 mm, gồm N o. 1 vòng. -
Một ầu của ống dây N 1 ược mắc nối
2 - Một cuộn dây o (ầu o B) có ường kính d
tiếp với am pe kế xoay chiều A ( với hai lỗ =31 mm , số vòng N
cắm " COM " và " mA max 400mA " của ồng 2 = 100 vòng, gắn trên
thanh trụ dài 350mm, khắc vạch 1mm.
hồ a năng hiện số VC97 ) . Đầu dây kia của cuộn dây N
Cuộn dây o này ược ặt trong lòng ống dây
1 mắc nối tiếp với biến trở con thẳng N
chạy R50ς và nối vào lỗ cắm ra xoay chiều
1 và có thể dịch chuyển dọc theo
trục của ống nhờ thanh trụ nói trên .
(AC) của bộ nguồn a năng, ban ầu ặt ở vị trí
3- Từ thông kế xoay chiều (Teslameter) ∼ 3V.
Model 8606 chỉ thị số, có ba thang o biên ộ cảm -
Phích ồng trục của cuộn dây o ược ứng từ B
cắm tới lối vào ( Input) của Tesla Meter VC-
0, 0-1,999mT, 0-19,99 mT và 0-199,9
mT , hoạt ộng ở tần số 50Hz. 4- Bộ nguồn a
8606. Cuộn dây o ban ầu ặt ở vị trí x = 0
năng AC-DC 0-3-6-912V3A , iều chỉnh bằng mm.
chuyển mạch, có cầu chì bảo vệ 5A. Bước 2: 5-
Đồng hồ a năng hiện số dùng làm am
Đo cảm ứng từ Bo và khảo sát sự phụ thuộc
pe kế xoay chiều , sử dụng thang o AC 0- 400
của Bo vào cường ộ dòng iện Io chạy qua mA ( VC97). cuộn dây. 6-
Dây nối mạch iện có hai ầu phích và ầu -
Đặt cuộn dây o nằm ở vị trí giữa ống cốt.
dây ( vị trí x = 15 cm trên thước o) và giữ
cố ịnh tại vị trí này . -
Biến trở con trượt R ặt ở vị trí có iện
trở lớn nhất . Chọn thang o 1,999 mT và bật
công tắc nguồn trên Teslameter 8086. - Tắt
công tắc nguồn của bộ nguồn a năng ể không
Hình 4- Ống dây thẳng dài và
có dòng xoay chiều chạy qua ống dây ( I=0),
cuộn dây o gắn trên thanh trụ
ghi lại giá trị Bo ứng với I=0 vào bảng 1. III. THỰC HÀNH. -
Chọn iện áp xoay chiều U bằng ~3V
và bật công tắc nguồn xoay chiều. Điều
Bước1 Lắp ráp mạch iện ( xem Hình 5)
chỉnh biến trở con chạy ể có dòng iện xoay
chiều I khoảng 50 mA chạy qua ống dây N1 lOMoAR cPSD| 59031616 - 5 -
Thí nghiệm Vật lý BKEM-14 Engineering Physics Instrument Co., LTD
_____________________________________________________________________________
( không nhất thiết phải lấy chính xác bằng 50
và giữ cố ịnh giá trị dòng iện này trong quá
mA). Đọc và ghi giá trị của I và Bo vào bảng
trình o tiếp theo ( không nhất thiết phải lấy 1.
chẵn bằng 200 mA). Đọc giá trị I và giá trị -
Tiếp tục iều chỉnh con trượt biến trở
B0 tương ứng , ghi vào bảng 1.
và nếu cần thì tăng iện áp xoay chiều U lên
Cố ịnh giá trị dòng iện I, dịch chuyển khung
6V hoặc 9V ể tăng dần dòng xoay chiều I
dây o từ vị trí 0 ến vị trí 30cm, o tại các vị trí
chạy qua ống dây lên khoảng từ 100 mA,
cách nhau 1cm. Ghi số liệu vào bảng 1.
ến 200 mA ( tuỳ thuộc thang o mA ược sử
Lưu ý : Điện áp xoay chiều 50Hz cung cấp
dụng ), mỗi lần cách nhau khoảng 50 mA (
dòng iện I cho cuộn dây ược lấy từ bộ nguồn
không nhất thiết phải lấy các giá trị chẵn
a năng AC-DC 0,3,6,9,12V, iều chỉnh iện áp
50, 100, 150, vv...) . Ghi các cặp giá trị I và
ra bằng chuyển mạch.
Bo tương ứng vào bảng 1. IV. CÂU HỎI . -
Tắt công tắc nguồn xoay chiều , kết
1- Áp dụng ịnh luật Biot Savard –
thúc bước1, ghi các giá trị thông số ống dây
Laplace , chứng minh công thức (1-1).
N1, cuộn dây o N2, thang o ồng hồ A,
2- Áp dụng công thức (1-3) ể tính phân bố
Teslameter VC-8086 ( với sai số dụng cụ
cảm ứng từ B dọc theo trục của một ống
tương ứng ) vào bảng 1.
dây dài 30cm có mật ộ 2500v/m, tại các Bước 3 :
iểm cách nhau 1cm, khi cho dòng iện một
Đo cảm ứng từ B dọc theo trục của cuộn
chiều 0.4A chạy qua. Vẽ ồ thị phân bố nói dây.
trên ( Sử dụng bảng tính và công cụ vẽ ồ -
Chọn iện áp xoay chiều U bằng ~6V thị của Excel ).
và bật công tắc nguồn xoay chiều. Điều
3- Trình bày nguyên lý o B bằng từ thông kế
chỉnh biến trở con chạy ể có dòng iện xoay xoay chiều.
chiều I khoảng 200 mA chạy qua ống dây N 1 lOMoAR cPSD| 59031616 - 6 -
Thí nghiệm Vật lý BKEM-14 Engineering Physics Instrument Co., LTD
_____________________________________________________________________________ TESLAMETER 1.25 O RANGE output input AC ς
Hình 5 : Sơ ồ thí nghiệm
Hướng dẫn báo cáo thí nghiệm
NGHIÊN CỨU TỪ TRƯỜNG CỦA MỘT ỐNG DÂY THẲNG DÀI ĐO CẢM ỨNG TỪ B
VÀ KHẢO SÁT PHÂN BỐ CỦA B DỌC THEO CHIỀU DÀI ỐNG DÂY
Trường .......................................................... Xác nhận của thày ( cô) giáo Lớp
..............................................Tổ ............
Họ tên ............................................................ Ngày
làm thí nghiệm :...................................
I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM lOMoAR cPSD| 59031616 - 7 -
Thí nghiệm Vật lý BKEM-14 Engineering Physics Instrument Co., LTD
_____________________________________________________________________________
1. Suy công thức của cảm ứng từ B do 1 ống dây thẳng dài gây ra tại một iểm trên trục của nó. 2-
Nêu phương pháp o cảm ứng từ B của cuộn dây thẳng dài dựa trên hiện tượng cảm ứng iện từ ối với dòng xoay chiều.
II. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU
I - Đo cảm ứng từ B và khảo sát sự phụ thuộc của B vào cường ộ dòng iện I chạy qua ống dây.
1/ Bảng số liệu : Cố ịnh vị trí o B tại vị trí giữa cuộn dây (x=15 cm). Bảng 1 Ampe kế: DT9205A+ TESLAMETER MC-8086
Thang o :.................................(mA)
Thang o :................................(mT)
Cấp chính xác :.......................... (%)
Cấp chính xác :........................ (%) I ∼ (mA) Io (mA) Bo (mT) I ∼ (mA) Io (mA) Bo (mT) 0 50 100 150 190
2/ Vẽ ồ thị : Bo=Bo (I) ( o tại vị trí giữa cuộn dây , x =15 cm ).
Sử dụng chương trình bảng tính Excel, nhập các cặp dữ liệu Io , Bo từ bảng 1 và vẽ ồ
thị Bo =Bo(Io), với Io = I.
2 là biên ộ cường ộ dòng iện, I là cường ộ hiệu dụng của dòng iện .
3/ Nhận xét kết quả : so sánh kết quả o Bo với kết quả thu ược từ tính toán lý thuyết
theo (3) . Từ các kết quả thu ược trên bảng 1 và ồ thị ( H4) cho ta kết luận gì về sự phụ
thuộc Bo vào Io ? về cách tạo ra một từ trường có cường ộ cho trước ?
II - Khảo sát sự thay ổi của cảm ứng từ B dọc theo chiều dài ống dây.
1/ Bảng số liệu : Cố ịnh dòng iện I chạy qua ống dây ( I = 0,2 4 0,3A), o Bo dọc theo
chiều dài ống dây, tại các vị trí cách nhau 10 mm .
Bảng 2 : Dòng iện I = .................mA ( cố ịnh). lOMoAR cPSD| 59031616 - 8 -
Thí nghiệm Vật lý BKEM-14 Engineering Physics Instrument Co., LTD
_____________________________________________________________________________ Ampe kế: DT9205A+ TESLAMETER MC-8086
Thang o :.................................(mA)
Thang o :................................(mT)
Cấp chính xác :.......................... (%)
Cấp chính xác :........................ (%) x (mm) Bo (mT) x (mm) Bo (mT) x (mm) Bo (mT) 0 100 200 10 110 210 20 120 220 30 130 230 40 140 240 50 150 250 60 160 260 70 170 270 80 180 280 90 180 290 300
2/ Vẽ ồ thị : Bo =Bo (x) ( với x = 0 4 300 mm )
Sử dụng chương trình bảng tính Excel, nhập các dữ liệu x, Bo từ bảng 2 và vẽ ồ thị Bo =Bo(x).
3/ Nhận xét kết quả :
Từ các kết quả thu ược trên bảng 2 và ồ thị ( H5) , rút ra nhận xét về tính ồng nhất của từ
trường trong ống dây, trong khoảng không gian bao nhiêu dọc theo chiều dài ống dây từ
trường có thể xem là ều với ộ sai lệch không quá 1% ? Từ trường tại mép ống dây ( x=0) có
giá trị bằng bao nhiêu so với từ trường tại vị trí giữa ống ( x=150 mm) ?
Hình 6 : Đồ thị Bo = Bo(Io) tại x=150mm lOMoAR cPSD| 59031616 - 9 -
Thí nghiệm Vật lý BKEM-14 Engineering Physics Instrument Co., LTD
_____________________________________________________________________________ Đồ thị Bo = Bo (Io) 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 100 200 300 400 500 600 Io (mA)
Hình 7 : Đồ thị Bo = Bo (x) với Io= ..............mA
Đồ thị Bo = Bo (x), I = .......mA 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 5 10 15 20 25 30 X (cm) lOMoAR cPSD| 59031616 - 10 -
Thí nghiệm Vật lý BKEM-14 Engineering Physics Instrument Co., LTD
_____________________________________________________________________________
Bảng so sánh số liệu nhận ược bằng tính toán lý thuyết theo (3) và các kết quả o nhận ược từ
thực nghiệm, với I = ........A. Vị trí x L-x R Cosγ1 Cosγ2 n I0 LT: B0 TN: B0 (mm) (mm) (mm) (mT) (mT) 0 300 21 150 150 21 300 0 21
Nhận xét :………………………………………………………………………………….