Tài liệu Nghiên cứu, chế tạo đệm từ trường dùng cho các thí nghiệm bảo toàn động lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ PHAN THÙY DUNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐỆM TỪ TRƢỜNG DÙNG CHO CÁC THÍ NGHIỆM BẢO TOÀN ĐỘNG LƢỢNG. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TP.Hồ Chí Minh, Năm 2013. 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ PHAN THÙY DUNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐỆM TỪ TRƢỜNG DÙNG CHO CÁC THÍ NGHIỆM BẢO TOÀN ĐỘNG LƢỢNG. Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ (VẬT LÝ) Mã số: 102 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN LÂM DUY TP.Hồ Chí Minh, Năm 2013. 2 LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Lâm Duy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm đề tài tốt nghiệp này. Để hoàn thành đề tài khóa luận này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình từ các thầy cô trong khoa Vật Lý. Tôi chân thành cảm ơn các thầy cô quản lý các phòng thí nghiệm: “Vật lý đại cương nâng cao” và “Vô tuyến điện” đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi sử dụng các thiết bị thí nghiệm cũng như phòng thí nghiệm trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Cuối cùng, cho tôi gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Vật Lý và các bạn bè đã tạo mọi điều kiện tốt nhất, giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận của mình. Do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên không thể tránh khỏi các thiếu sót. Kính mong nhận được góp ý từ quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. 3 Mục lục Trang bìa phụ .............................................................................................................. 1 Lời cảm ơn .................................................................................................................. 2 Mục lục ........................................................................................................................ 3 Lời mở đầu .................................................................................................................. 6 Chương 1: Cơ sở lý thuyết .......................................................................................... 9 1.1 Cơ sở lý thuyết chính ........................................................................................ 9 1.2 Một số mô hình tham khảo ............................................................................. 10 Chương 2: Các bước chuẩn bị cho quá trình chế tạo thực nghiệm ........................... 14 2.1 Khảo sát từ phổ của nam châm ....................................................................... 14 2.1.1 Mục đích .................................................................................................. 14 2.1.2 Cách thực hiện ......................................................................................... 14 2.1.3 Kết quả thu được ..................................................................................... 16 2.1.4 Nhận xét................................................................................................... 18 2.2 Nghiên cứu tương tác giữa ray và xe trượt ..................................................... 19 2.2.1 Mục đích .................................................................................................. 19 2.2.2 Cách tiến hành và kết quả thu được ........................................................ 19 2.2.2.1 Mô tả cách khảo sát.......................................................................... 19 2.2.2.2 Kết quả thu được .............................................................................. 20 2.2.2.3 Nhận xét ........................................................................................... 20 Chương 3: Các cấu hình đã nghiên cứu .................................................................... 22 3.1 Cấu hình 1 ....................................................................................................... 22 3.1.1 Nghiên cứu lý thuyết ............................................................................... 22 3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm ......................................................................... 24 4 3.1.2.1 Các bước tiến hành........................................................................... 24 3.1.2.2 Khảo sát mô hình ............................................................................. 25 3.1.3 Nhận xét................................................................................................... 33 3.2 Cấu hình 2 ....................................................................................................... 34 3.2.1 Nghiên cứu lý thuyết ............................................................................... 34 3.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm ......................................................................... 35 3.2.2.1 Các bước tiến hành........................................................................... 36 3.2.2.2 Kết quả sau khi lắp ráp..................................................................... 36 3.2.3 Đánh giá quá trình nâng của hệ thống ..................................................... 39 3.2.3.1 Khảo sát vận tốc chuyển động của xe .............................................. 39 3.2.2.2 Khảo sát độ lớn lực ma sát trong quá trình chuyển động của xe trên ray ............................................................ 44 3.2.4 Đánh giá bước đầu về chất lượng hoạt động của hệ thống đệm từ trường nghiên cứu........................................................................ 48 Chương 4: Thử nghiệm ban đầu cho thí nghiệm về bảo toàn động lượng ............... 49 4.1 Cách bố trí thí nghiệm .................................................................................... 49 4.2 Cách tiến hành ................................................................................................ 49 4.3 Kết quả thu được ............................................................................................. 50 4.4 Nhận xét .......................................................................................................... 50 4.4.1 Theo lý thuyết ..................................................................................... 50 4.4.2 Thực nghiệm ....................................................................................... 51 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài ......................................................... 53 5.1 Kết luận ........................................................................................................... 53 5.1.1 Đối với cấu hình 1 ................................................................................... 53 5 5.1.2 Đối với cấu hình 2 ................................................................................... 53 5.2 Hướng phát triển ............................................................................................. 54 Phụ lục 1: Tàu chạy trên đệm từ ............................................................................... 55 Phụ lục 2: Bảng số liệu khảo sát độ lớn từ trường của một nam châm..................... 58 Phụ lục 3: Bảng số liệu khảo sát độ lớn từ trường của 4 nam châm (cách bề mặt nam châm 1,5cm) ................................................................ 59 Phụ lục 4: Bảng số liệu khảo sát độ lớn từ trường của 4 nam châm (cách bề mặt nam châm 2cm) ................................................................... 61 Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 63 6 LỜI MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài. Hiện nay, trong lĩnh vực đồ dùng thí nghiệm cho trường THPT tại Việt Nam tuy đã được chú trọng đầu tư nhiều nhưng vẫn còn hạn chế về chủng loại và chất lượng. Nhất là tại các vùng cao, vùng hẻo lánh thì việc đầu tư cho các bộ dụng cụ thí nghiệm càng khó khăn hơn (kinh phí, điều kiện sử dụng,…). Ví dụ như đối với bài thí nghiệm về định luật bảo toàn động lượng chẳng hạn, phổ biến hiện nay chúng ta có bộ đệm không khí nhưng bộ này phải cần sử dụng điện năng, thiết bị hơi cồng kềnh khó chuyên chở, có nhiều tiếng ồn trong quá trình sử dụng,… nên khó có thể dùng bộ thí nghiệm đệm không khí để phục vụ các trường còn hạn chế về điều kiện giảng dạy. Mặc khác, hiện tượng hút đẩy của các nam châm đã được chúng ta biết từ lâu. Ở nhiều nước trên thế giới, người ta đã chế tạo thành công và đưa vào sử dụng tàu chạy trên đệm từ trường dựa trên nguyên tắc hút đẩy của các nam châm. Tàu đệm từ sử dụng kỹ thuật nâng bằng lực từ thông qua sự tương tác giữa tàu và đường ray. Do đó, không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa đường ray và tàu, nên chỉ có lực ma sát giữa con tàu và không khí. Lực ma sát này nhỏ so với trường hợp tàu chạy trên đường ray thường [2]. Lấy ý tưởng từ tàu chạy trên đệm từ, tôi muốn thử tiến hành nghiên cứu chế tạo bộ đệm từ nhưng sử dụng vật liệu tạo ra từ trường là nam châm vĩnh cửu thay vì nam châm điện của tàu đệm từ. Nếu như chế tạo thành công hệ thống đệm từ trường từ các nam châm vĩnh cửu (có thể đạt được những đặc điểm giống như mô hình tàu chạy trên đệm từ) thì chúng ta có thể sử dụng hệ thống đệm từ này phục vụ các thí nghiệm về định luật bảo toàn động lượng. Với những ưu điểm của đệm từ chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu như không cần sử dụng điện năng, không gây tiếng ồn, có thể kết nối những thanh nam châm riêng rẽ thành hệ thống dài hơn một cách dễ dàng,… sẽ làm cho việc chế tạo và ứng dụng đệm từ để đưa vào sử dụng có ý nghĩa lớn. Chính vì những lý do trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, chế tạo đệm từ trường dùng cho các thí nghiệm bảo 7 toàn động lượng” với mục đích đặt ra là chế tạo đệm từ trường từ các nam châm vĩnh cửu nhằm bổ sung thêm một bộ đồ dùng nữa cho việc thực hiện các thí nghiệm về bảo toàn động lượng trong chương trình vật lý THPT. Việc chế tạo đệm từ trường từ nam châm vĩnh cửu, trước đây, người ta đã tiến hành nghiên cứu và đã cho ra nhiều sản phẩm. Nhưng hầu hết các sản phẩm này đều có chung một cách bố trí nam châm trên hệ thống ray và xe (sẽ được trình bày rõ hơn trong bài). Hạn chế chung của các sản phẩm này là xe đều bị tựa vào một bên thành ray khi chuyển động. Vì vậy, ở đề tài này, tôi tiếp tục tiến hành nghiên cứu về đệm từ trường từ nam châm vĩnh cửu với mục đích tìm ra một cấu hình khác, có thể khắc phục được hạn chế mà các sản phẩm đã đưa ra mắc phải, để có thể dùng bộ dụng cụ này vào phục vụ dạy học. Phƣơng pháp nghiên cứu. Do đề tài này thuộc lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo dụng cụ thí nghiệm nên phương pháp nghiên cứu chủ yếu là: - Tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu hiện có. - Chế tạo và đo đạc thực nghiệm. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài. - Khảo sát từ phổ của một nam châm và các nam châm ghép với nhau. - Nghiên cứu tương tác lực từ giữa các nam châm. - Nghiên cứu cấu hình lắp đặt hệ thống các nam châm. - Gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống đệm từ trường và xe trượt. - Thử nghiệm ban đầu cho thí nghiệm về bảo toàn động lượng. Những nội dung chính đƣợc trình bày trong báo cáo này.  Chương 1: Cơ sở lý thuyết. Phần này tôi sẽ trình bày: - Những cơ sở lý thuyết về nam châm và đặc điểm từ trường của nam châm. 8 - Một số mô hình về đệm từ trường đã được nghiên cứu.  Chương 2: Các bước chuẩn bị cho quá trình chế tạo thực nghiệm. Phần này sẽ trình bày mục đích, phương pháp và kết quả khi tiến hành hai bước trong quá trình chuẩn bị: - Khảo sát từ phổ của nam châm với các hình dạng khác nhau. - Nghiên cứu tương tác lực từ giữa ray và xe trượt.  Chương 3: Các cấu hình hệ thống đệm từ trường nghiên cứu. Phần này sẽ trình bày quá trình nghiên cứu, các bước chuẩn bị cũng như kết quả thực tế thu được của từng cấu hình.  Chương 4: Thử nghiệm ban đầu cho các thí nghiệm bảo toàn động lượng.  Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài. 9 CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương này, phần đầu tiên, tôi xin trình bày về những cơ sở lý thuyết được sử dụng trực tiếp để phục vụ nghiên cứu đề tài như: các đặc điểm cấu tạo của nam châm vĩnh cửu; hình dạng từ phổ của từng loại nam châm; sự tương tác giữa các cực của nam châm. Ngoài ra, để thực hiện đề tài nghiên cứu này, tôi có tham khảo một số tài liệu về mô hình tàu chạy trên đệm từ đã được nghiên cứu và lắp ráp. Nên trong phần tiếp theo, tôi xin trình bày một số cấu hình mà tôi đã tìm hiểu. Đây chính là những cơ sở rất quan trọng để tôi bắt đầu quá trình nghiên cứu của mình, sẽ được trình bày ở chương sau. 1.1 Cơ sở lý thuyết chính. - Nam châm vĩnh cửu được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng có khả năng giữ từ tính. - Bất cứ một thanh nam châm nào cũng có hai cực Bắc và Nam, có nghĩa là bất cứ thanh nam châm nào cũng là lưỡng cực từ. - Không gian xung quanh nam châm tồn tại từ trường. Để đặc trưng cho từ trường về mặt hình học, chúng ta sử dụng khái niệm đường sức từ. Sau đây là một số dạng từ phổ của nam châm thẳng và nam châm hình chữ U. Hình 1.1 Đường sức từ của nam châm vĩnh cửu thẳng. 10 Hình 1.2 Đường sức từ của nam châm vĩnh cửu hình chữ U. Dựa vào hình dạng đường sức từ của hệ các nam châm, ta có thể xác định một cách định tính lực tương tác giữa chúng: - Các đường sức của các nam châm đẩy nhau tương ứng với lực đẩy giữa chúng (hình 1.3a). - Các đường sức của các nam châm kết nối lẫn nhau tương ứng với lực hút giữa chúng (hình 1.3b). a. Hai nam châm cùng cực thì đẩy nhau. b. Hai nam châm khác cực thì hút nhau. Hình 1.3 Lực tương tác giữa các nam châm thông qua hình ảnh đường sức từ. 1.2 Một số mô hình tham khảo. Hầu hết các sản phẩm đệm từ trường chế tạo từ nam châm vĩnh cữu đã được lắp ráp hiện nay đều có chung một cấu hình: hệ thống ray gồm 2 hàng nam châm đặt song song với nhau, trên xe được gắn các nam châm trực diện với nam châm trên ray. Lúc này, xe sẽ chịu tác dụng của hai lực đẩy thẳng đứng hướng lên như hình 1.4. 11 𝐹34 𝐹12 2 4 1 3 Hình 1.4 Phác họa hệ thống nam châm cho các mô hình đã được lắp ráp. Dựa trên sự bố trí nam châm như hình (1.4), người ta đã nghiên cứu và đã đưa ra các mô hình lắp ráp như hình (1.5) và thu được các sản phẩm như hình (1.6); hình (1.7); hình (1.8). Hình 1.5 Mô hình đệm từ trường đã được lắp ráp [3]. 12 Hình 1.6 Sản phẩm đệm từ trường đơn giản [4]. Hình 1.7 Sản phẩm đệm từ trường do một hãng đồ chơi sản xuất [5]. 13 Hình 1.8 Sản phẩm đệm từ trường được lắp ráp trong “ Stem Maglev Project” [6]. 14 CHƢƠNG 2 CÁC BƢỚC CHUẨN BỊ CHO QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM Ở chương này, tôi sẽ trình bày hai bước trong quá trình chuẩn bị trước khi nghiên cứu chế tạo các cấu hình đệm từ trường: khảo sát từ phổ của nam châm và nghiên cứu lực tương tác giữa các nam châm với nhau. Ở từng bước, tôi sẽ trình bày rõ mục đích, phương pháp tiến hành cũng như các kết quả thu được.Vì mục tiêu của đề tài là sử dụng các nam châm vĩnh cửu để chế tạo hệ thống đệm từ trường, do đó, việc khảo sát độ lớn của nhiều nam châm ghép lại với nhau là rất cần thiết. Nếu khi ghép nhiều nam châm lại tạo thành một nam châm lớn mà có giá trị cường độ từ trường tại các vị trí tương đối bằng nhau thì ta có thể sử dụng các nam châm này cho việc thiết kế, chế tạo mô hình. Ngoài ra, việc nghiên cứu lực tương tác giữa các nam châm sẽ cho giúp ta tính toán được khối lượng tối đa của xe trong từng cấu hình cụ thể. 2.1 Khảo sát từ phổ của nam châm. Chọn vật liệu chính để làm hệ thống ray là nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm). Do đó, tôi tiến hành khảo sát từ phổ đối với nam châm loại này. 2.1.1 - Mục đích. Khảo sát độ lớn từ trường tại các vị trí khác nhau trên bề mặt của một nam châm. Từ đó đưa ra nhận xét về đặc điểm độ lớn cảm ứng từ do nam châm sinh ra. - Ghép 4 nam châm lại với nhau tạo thành một nam châm lớn: khảo sát từ trường của các vị trí trên nam châm ở các khoảng cách khác nhau. Từ kết quả thu được, trả lời cho câu hỏi: “Có thể sử dụng các nam châm ghép lại để tạo thành một nam châm kích thước lớn và có độ lớn cảm ứng từ đồng nhất hay không?”. 2.1.2 Cách thực hiện. 15 - Bước 1: Dùng giấy có kẻ ô li bọc nam châm để dễ dàng xác định từng vị trí trên nam châm. Trên bề mặt nam châm được đánh số thứ tự từ trái qua phải; được đánh số thứ tự hàng từ trên xuống dưới như hình 2.1. 1 2 m Hàng1 Hàng n Hình 2.1 Sơ đồ xác định vị trí khảo sát bề mặt nam châm. - Bước 2: Dùng máy đo từ trường để xác định giá trị cảm ứng từ B ở từng vị trí trên nam châm theo các khoảng cách khác nhau. Để xác định chính xác từng vị trí, ta dùng đèn rọi vào nam châm. Vị trí bóng của đầu dò sensor cho phép ta xác định chính xác vị trí cần đo. + Khảo sát từ trường tại các vị trí trên một nam châm khi đặt đầu dò cách bề mặt nam châm 5mm. Mỗi vị trí khảo sát cách nhau 2mm. Do đó, một hàng trên bề mặt nam châm sẽ có 30 vị trí khảo sát. + Ghép 4 nam châm lại tạo thành một nam châm lớn. Khảo sát từ trường tại các vị trí trên một nam châm khi đặt đầu dò cách bề mặt nam châm 1,5cm và 2cm. Mỗi vị trí khảo sát cách nhau 4mm. Do đó, một hàng trên bề mặt của 4 nam châm ghép lại sẽ có 63 vị trí khảo sát. - Bước 3: Xử lý số liệu và nhận xét kết quả thu được. 16 Hình 2.2 Cách bố trí dụng cụ đo cường độ từ trường của 4 nam châm ghép sát. Kết quả thu đƣợc. 2.1.3 Độ lớn từ trường tại các vị trí (mT) 70 60 50 Hàng 1 40 Hàng 2 30 Hàng 3 20 Hàng 4 10 Hàng 5 Hàng 6 0 -10 -20 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Hàng 7 Thứ tự vị trí khảo sát trên một hàng . Hình 2.3 Đồ thị thể hiện giá trị từ trường của 1 nam châm tại các vị trí khác nhau, ở khoảng cách 5mm so với bề mặt nam châm. Độ lớn từ trường tại các vị trí (mT) 17 30 25 Hàng 1 20 Hàng 2 Hàng 3 15 Hàng 4 10 Hàng 5 5 Hàng 6 0 Hàng 7 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 Thứ tự vị trí khảo sát trên một hàng Hình 2.4 Đồ thị thể hiện giá trị từ trường của 4 nam châm ghép lại tại các vị trí khác Độ lớn từ trường tại các vị trí (mT) nhau, ở khoảng cách 1,5cm so với bề mặt nam châm. 20 18 16 14 Hàng 1 12 Hàng 2 10 Hàng 3 8 Hàng 4 6 Hàng 5 4 Hàng 6 2 Hàng 7 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 Thứ tự vị trí khảo sát trên một hàng Hình 2.5 Đồ thị thể hiện giá trị từ trường của 4 nam châm ghép lại tại các vị trí khác nhau, ở khoảng cách 2cm so với bề mặt nam châm. Ghi chú: Trên đồ thị. + Trục tung thể hiện các giá trị từ trường tại các vị trí của nam châm. 18 + Trục hoành thể hiện các vị trí của nam châm mà ta đã đánh số thứ tự. + Từng đường trên đồ thị thể hiện số liệu theo từng hàng ta khảo sát. 2.1.4 Nhận xét.  Đối với 1 nam châm, ở vị trí có độ cao cách nam châm 5mm. - Giá trị từ trường của các vị trí khác nhau của nam châm chênh lệch nhau khá lớn . - Ở vùng trung tâm của nam châm từ trường lớn, giảm dần về hai bên rìa. - Trên cùng một bề mặt của nam châm, cực nam châm không thống nhất tại một số vị trí.  Khi ghép nhiều nam châm lại với nhau (4 nam châm) tạo thành khối nam châm lớn. - Tại vị trí cách xa 2 nam châm ở biên, giá trị từ trường nhỏ hơn hai đầu của hệ nam châm. Tuy nhiên, độ chênh lệch về giá trị độ lớn từ trường trong vùng này không lớn như đối với trường hợp khảo sát 1 nam châm. - Tăng khoảng cách giữa vị trí đo đạc với bề mặt nam châm, ta thấy sự chênh lệch độ lớn từ trường của các vị trí càng giảm. Vì lúc này, từ trường tại từng vị trí là tổng hợp từ trường do các nam châm khác nhau sinh ra. Như vậy, ta có thể sử dụng các nam châm nhỏ ghép lại để tạo thành một nam châm lớn, và sử dụng phần từ trường ở khoảng giữa của nam châm phục vụ mục đích nghiên cứu.  Trong thực tế, mỗi nam châm khác nhau có cường độ từ trường khác nhau. Do đó, để có một dãy các nam châm có từ trường tương đối đều nhau, thì khi tiến hành lắp ráp mô hình cần đo đạc sơ bộ cường độ từ trường của các nam châm nhằm lựa chọn được nam châm có độ lớn gần nhau để sử dụng bằng tiến hành các bước sau: - Dùng một nam châm thử để khảo sát từ tính trên cùng một mặt của từng nam châm để đảm bảo: trên cùng bề mặt nam châm, các cực từ trường tại các vị trí giống nhau. 19 - Dùng máy đo từ trường khảo sát giá trị từ trường tại điểm giữa của nam châm. Hinh 2.6 Cách bố trí dụng cụ khảo sát giá trị từ trường tại điểm giữa của nam châm. Nghiên cứu tƣơng tác lực từ giữa ray và xe trƣợt. 2.2 2.2.1 Mục đích. Xác định giá trị lực đẩy lớn nhất mà hai nam châm có thể tạo ra khi hai nam châm đặt trực diện với nhau. Từ đó, chúng ta có thể tính toán được khối lượng tối đa của xe mà hệ thống ray có thể nâng ứng với từng cấu hình cụ thể nghiên cứu. 2.2.2 Cách tiến hành và kết quả thu đƣợc. Chọn vật liệu chính để làm hệ thống ray là nam châm đen (2,5cmx6cmx1cm). Xe trượt có thể sử dụng các nam châm cùng loại. Do đó, để nghiên cứu tương tác lực từ giữa ray và xe trượt, ta đặt nam châm sẽ dùng trên xe trực diện với nam châm đen của ray, rồi cho chúng cách nhau một khoảng nhất định để khảo sát lực tương tác. 2.2.2.1 - Mô tả cách khảo sát. Dùng cân điện tử để cân khối lượng nam châm đen lớn (2,5cmx2cmx1cm) là m1. - Đặt nam châm cần khảo sát ở các vị trí có các khoảng cách khác nhau so với bề mặt nam châm đen (đảm bảo sao cho chúng trực diện với nhau và 2 mặt đối diện nhau phải cùng cực).