thiết bị chứng minh từ tính của dây dẫn có dòng điện

 

 

SỞ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TP CẦN THƠ

TRƯỜNG THPT THUẬN HƯNG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TÊN DỰ ÁN

 

THIẾT BỊ NHẬN BIẾT TỪ TÍNH

CỦA DÂY DẪN CÓ DÒNG ĐIỆN

 

 

 

                    Học sinh thực hiện:

 

1.        BIỆN ANH MINH
2.        LƯƠNG CHÂU NGUYỆT THIỆN 

Trường: THPT THUẬN HƯNG – Quận Thốt Nốt – TP Cần Thơ.

 

                   Giáo viên hướng dẫn :  Nguyễn Ngọc Diễm Chi

 

THỐT NỐT, tháng 12 năm 2016

 

 

 

MỤC LỤC

        LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………….3

I. Báo cáo tổng quan………………………………………………………………...4

II. Lý thuyết về từ trường và cảm ứng điện từ và dao động điện từ…………….7

III. Lý thuyết về transistor, opto từ………………………………………………..8

        IV. Phương án triển khai thực hiện……………………………………………...12

V. Kiểm tra sản phẩm .............................................................................................15

        VI. Kết luận……………………………………………………………..…………17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LỜI CẢM ƠN

-         Lời mở đầu, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Tổ chức, Bộ Giáo Dục, Sở Giáo Dục thành phố Cần Thơ đã tạo điều kiện cho chúng em tham gia một sân chơi lành mạnh và bổ ích. Chúng em đã có cơ hội để trao dồi kiến thức, giao lưu và học hỏi lẫn nhau. Chúng em nhận thấy được đây là một cơ hội quý báo để chúng em có thể thỏa sức sáng tạo và nuôi dưỡng niềm đam mê khoa học của mình.

-         Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy hiệu trưởng, ban giám hiệu trường THPT Thuận Hưng đã tạo điều kiện và giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

-         Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Nguyễn Ngọc Diểm Chi- cô giáo hướng dẫn. Chúng em luôn biết ơn cô, cô là người đã khơi nguồn cảm hứng khoa học cho chúng em và giúp chúng em đến gần hơn với ước mơ của mình.

-         Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trường THPT Thuận Hưng đã tận tình chỉ dẫn, hỗ trợ chúng em.

-         Chúng con cảm ơn ba, mẹ trong suốt thời gian qua luôn tin tưởng và ủng hộ chúng con.

-         Mặc dù nhóm chúng em đã cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn thiện nhất. Nhưng do buổi đầu mới làm quen với thực tiễn khoa học và cũng như còn hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm nên không trách có sự thiếu sót. Vì vậy, chúng em rất mong được sự quan tâm, góp ý và giúp đỡ của quý thầy cô để chúng em có thể hoàn thiện sản phẩm với những tính năng tốt hơn.

-                      Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn Ban Tổ Chức và chúc hội thi thành công tốt đẹp.

1. Báo cáo tổng quan:

1.   Lí do chọn đề tài

-                      Mọi người thường cho rằng khoa học tự nhiên ít hứng thú vì rất khô khan, không chứa nhiều tình cảm như khoa học xã hội. Tuy nhiên, với em vật lý luôn là nguồn cảm hứng bất tận. Vật lý không những chỉ xử lý những bài tập mang tính thử thách mà còn giúp giải thích được các hiện tượng kỳ thú trong thiên nhiên. Vì sao có cầu vòng? Vì sao có nhật thực, nguyệt thực? Vì sao máy bay có thể bay mà không rơi? Vô vàng câu hỏi “vì sao”. Trong tất cả các điều em tiếp cận được về vật lý, điều làm em ấn tượng nhất là sự tương tác giữa các nam châm với nhau. Em luôn cảm thấy đây là một điều kỳ thú của tự nhiên, nó như một trò ảo thuật vậy. Rõ ràng các nam châm hoàn toàn độc lập nhau, vậy mà chúng vẫn tương tác. Sự mơ hồ không cầm, nắm hay nhìn thấy được bằng mắt thường của từ trường đã để lại một khúc mắc trong suy nghĩ của em. Mãi đến lớp 11, khi học chương TỪ TRƯỜNG, em được nghe kể về Hans Christian Oersted năm 1819 đã khám phá ra hiện tượng dòng điện sinh ra từ trường bao quanh dây dẫn. hay năm 1820, André-Marie Ampère chỉ ra rằng hai sợi dây song song có dòng điện cùng chiều chạy qua sẽ hút nhau thì thắc mắc về từ trường trong em lớn dần. Tất cả về từ trường chỉ là sự biểu hiện tương tác giữa các nam châm và các dòng điện. Với em như thế chưa thuyết phục, và em quyết định tìm hiểu về từ trường để tìm ra cách nhận biết nó một cách thuyết phục hơn.

-                     Qua quá trình tìm hiểu em nhận ra rằng: nếu chứng minh được từ tính của dòng điện thì ngoài việc có thể bổ sung vào bộ thí nghiệm ở chương từ trường của môn Vật lý 11 thì ta còn có thể dùng làm thí nghiệm cho hiện tượng cảm ứng điện từ ở chương trình Vật lý 11. Bên cạnh đó nó còn có thể ứng dụng vào thực tế của sống như các thiết bị dò điện âm tường. Từ lí do trên, em quyết định chọn đề tài: “THIẾT BỊ NHẬN BIẾT TỪ TRƯỜNG CỦA DÂY DẪN CÓ DÒNG ĐIỆN”.

2.     Mục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu và hoàn thiện sản phẩm “Thiết bị nhận biết từ tính của dây dẫn mang dòng điện” giúp bổ sung vào bộ thí nghiệm điện từ học môn VẬT LÝ 11, và giúp phát hiện dòng điện âm tường ở những độ cao khác nhau nhằm giảm thiểu tai nạn lao động do sữa chữa điện hiện nay.

3.     Câu hỏi nghiên cứu:

-       Từ trường là gì?

-       Có thể nhận biết bằng mắt thường không?

-       Những vật nào có từ tính?

-       Làm sao phân biệt được vật có từ tính và vật không có từ tính?

-       Từ tính của chúng được biểu hiện như thế nào?

-       Có cách nào khác nhận biết từ trường trực quan hơn, sinh động hơn? ( ví dụ: nhìn thấy được, nghe được…).

-       Có thể tăng tín hiệu nhận biết khi từ trường thay đổi không?

-       Làm sao để sản phẩm có thể dùng ở những nơi khó khăn, nhỏ hẹp hay xa tầm với của con người, giúp giảm tai nạn lao động trong việc sử dụng và sữa chữa điện?

4.     Phương pháp nghiên cứu:

-         Lên ý tưởng về mục tiêu của sản phẩm.

-         Tìm hiểu về về từ trường, cảm ứng từ.

-         Tìm hiểu các tài liệu liên quan đến mạch điện tử của sản phẩm.

-         Từng bước hoàn thành mạch điện tử cơ bản

-         Thiết kế vỏ ngoài để tăng tính khả thi như  cách điện cao, mẫu mã đẹp, gọn nhẹ giúp dễ di chuyển, có thể thay đổi độ cao khi sử dụng sản phẩm.

-         Thử nghiệm và hoàn thiện sản phẩm trên thực tế.

5.     Lợi ích kinh tế:

-         Được dùng làm đồ dùng dạy học VẬT LÝ ở trường phổ thông với giá thành rẽ.

-         Là thiết bị dùng trong điện dân dụng, mang ý nghĩa thiết thực, giá thành thấp, có thể giảm hao phí về thời gian và tiền bạc cũng như giảm thiểu nguy hiểm cho việc sửa chữa điện âm tường.

-         Linh kiện dễ tìm, dễ lắp ráp, có tính phổ biến cao.

6.     Kết quả đạt được :

• Sản phẩm có tính ứng dụng và khả thi cao trên cả 2 lĩnh vực. Đặc biệt có thể đóng góp vào bộ thí nghiệm biễu diễn của trường phổ thông nhưng với giá thành rất thấp (khoảng 50.000đ).                                                                                                                             
• Tính an toàn được đưa lên hàng đầu vì sử dụng pin có hiệu điện thế nhỏ và làm việc không cần tiếp xúc trực tiếp thiết bị với dây dẫn có dòng điện, giúp giảm thiểu tai nạn lao động do sữa chữa điện hiện nay. Đồng thời, nhờ có tay cầm thay đổi chiều dài được nên rất linh động, hạn chế thời gian, công sức của người sử dụng.

2. Lý thuyết về từ trường và cảm ứng điện từ và dao động điện từ:

- Nam châm có thể tương tác với nam châm, dòng điện có thể tương tác với dòng điện, nam châm cũng có thể tương tác được với dòng điện. Vậy tại sao lại có sự tương tác đó? Lực tương tác truyền từ giữa chúng thông qua môi trường nào? Khi chỉ có một dòng điện, thì trong không gian quanh nó có gì biến đổi không? Câu trả lời cũng giống như với tương tác tĩnh điện. Sở dĩ nam châm và dòng điện có tương tác vì xung quanh chúng có từ trường. Khi có một nam châm hoặc một dòng điện đặt trong từ trường thì nam châm hoặc dòng điện đó chịu tác dụng lực của từ trường. Khi đó trong không gian xung quanh dòng điện có những biến đổi nhất định. Từ trường có những tính chất vật lý xác định và cũng là một dạng tồn tại của vật chất.

- Hiện tượng cảm ứng điện từ là sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín khi từ thông qua mạch đó biến đổi. Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín là suất điện động cảm ứng. Một trong những cách làm biến đổi từ thông là thay đổi từ trường sinh ra nó (từ trường do dòng diện xoay chiều gây ra luôn biến thiên theo thời gian).

 - Điện từ trường - Giả thuyết của Macxoen

• Khi từ trường biến thiên theo thời gian, nó sinh ra điện trường xoáy có đường sức điện bao quanh đường cảm ứng từ (điện trường tĩnh có đường sức hở).
• Khi điện trường biến thiên theo thời gian nó sinh ra từ trường có đường cảm ứng từ bao quanh đường sức điện.

⇒ Không thể có điện trường hoặc từ trường tồn tại riêng biệt, độc lập nhau. Điện trường và từ trường là hai mặt thể hiện khác nhau của một trường duy nhất là trường điện từ.

• Dòng điện dịch: Khi tụ điện tích điện hoặc phóng điện, giữa hai bản cực có điện trường biến thiên sinh ra từ trường xoáy như dòng điện chạy trong dây dẫn đi qua tụ điện.
• Vậy dòng điện dịch là khái niệm chỉ sự biến thiên của điện trường giữa các bản tụ điện (nơi không có dây dẫn) tương đương với dòng chạy trong dây dẫn và cũng sinh ra từ trường biến thiên.

3. Lý thuyết về transistor, opto từ:

1. Transistor:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

 

•                  Khóa điện tử
•                  Truyền dẫn điện
•                  Bộ khuếch đại

•                  Mỗi vùng trong transistor hoạt động như một điốt. Vì mỗi transistor có hai vùng và có thể kích hoạt với một điện thế thuận hoặc nghịch. Có tất cả bốn cách thức (mode) hoạt động cho cả hai PNP hay NPN Transistor.

•                  Phân cực thuận nghịch (The Active mode) dùng cho việc khuếch đại điện thuận
•                  Phân cực nghịch thuận (Reverse-Active) dùng cho việc khuếch đại điện nghịch
•                  Vùng (The Cut-Off) and (Saturation) modes dùng như công tắc (switch) và biểu hiện trạng thái 1,0 trong điện số.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 3: Transistor C828 và D468

2. Opto:

-      Opto hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 1 led và 1 photo diot hay 1 photo transitor. Được sử dụng đẻ các ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất nhu khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn.
Nguyên lý hoạt động:  Khi có dòng nhỏ di qua 2 đầu của led có trong opto làm cho led hát sáng. Khi led phát sáng làm thông 2 cực của photo diot, mở cho dòng điện chạy qua.

-      Tác dụng: Cách ly điều khiển giữa hai tầng mạch điện khác nhau
  Với sơ đồ ứng dụng trên.vơi OK1. khi cung cấp 5V vao chân số 1, LED phía trong Opto nối giữa chân số 1 và 2 sáng, xảy ra hiệu ứng quang điện dẫn đến 3-4 thông,mức logic sẽ bị chuyển từ 1 sang 0 mà không cần tác động trực tiếp từ IC.

-      Mục đích: Nếu có sự cố từ tầng ứng dụng như cháy, chập, tăng áp,...thì cũng không làm ảnh hưởng đến tầng điều khiển

 

Hình 4: Opto PC817

IV.  Phương án triển khai thực hiện:

1. Phương án tổ chức thử nghiệm:

1. Lần thử nghiệm 1.

Cuộn L dùng dây 0.5mm, trên lõi 1.5mm, số vòng khoảng 1500 - 2500 vòng.

Sơ đồ thử nghiệm lần 1

* Nguyên tắc hoạt động: Mạch hoạt dộng dựa trên nguyên lý phát hiện năng lượng điện từ bức xạ ra từ dây dẫn. Tuy nhiên hiện nay xung quanh ta có quá nhiều thiết bị bứt xạ năng lượng điện từ nên mạch này bị nhiễu.

2. Lần thử nghiệm 2.

 

 

 

 

 

 

 

Sơ đồ thử nghiệm lần 2

* Nguyên tắc hoạt động:

L: cuộn cảm ( quấn bằng dây motor 60mm),

quấn 50 vòng, đường kính mỗi vòng là 1 cm.

Q1: transistor C828.

Q2, Q3: transistor D468.

Q4: Opto PC817.

D: đèn led.

DC: nguồn 3V.

Khi đóng khóa K, do Q4 là Opto nên không cho dòng điện đi qua, chân 3,4 của Opto chỉ thông khi led ở chân 1, 2 sáng. Do đó không có dòng điện đi qua đèn led D. Đưa toàn bộ hệ thống (đặc biệt là cuộn cảm) lại gần dây dẫn có dòng điện, do điện chúng ta sử dụng là điện xoay chiều nên xung quanh dây dẫn sẽ tồn tại một từ trường biến thiên.  Khi đặt cuộn cảm trong vùng từ trường biến thiên này sẽ có hiện tượng cảm ứng điện từ, sinh ra dòng điện cảm ứng trong cuộn L.  Dòng điện cảm ứng này sẽ đến Q1, Q2, Q3  để được khếch đại và cuối cùng đi đến chân 2 của Opto Q4, kích cho Q4 hoạt động làm cho đèn led D sáng lên và loa hoạt động. Nói tóm lại, khi đóng khóa K, đưa thiết bị lại gần dây dẫn, nếu thấy đèn sáng, có nghĩa là trong dây hiện tại có dòng điện và ngược lại. Đối với đoạn dây dài bị đứt giữa chừng, mặc dù dòng điện không đến được tải tiêu thụ nhưng trong một phần của sợi dây (phần nối với dây nóng) vẫn có năng lượng từ, nên ta dùng thiết bị dò, vị trí nào đèn đang sáng bỗng dưng tắt (hoặc ngược lại) thì dây đứt tại vị trí đó.

2. Báo cáo về sản phẩm của dự án

• Kinh phí

Nguồn kinh phí chủ yếu từ gia đình hỗ trợ. Thiết bị với giá khoảng 50.000đ

 

 

• Sản phẩm

Tên sản phẩm	Mục tiêu cần đạt	Sản phẩm lưu hành trên thị trường trong nước
Thiết bị nhận biết từ tính của dây dẫn có dòng điện	- Bổ sung vào bộ thí nghiệm điện từ học của trường phổ thông.                          - Dò được vị trí dây bị đứt mà không cần tiếp xúc trực tiếp với dây dẫn.	Chưa thấy

 

V. Kiểm tra sản phẩm:

SẢN PHẨM HOÀN THIỆN

 

 

 

 

 

 

 

 

THỬ NGHIÊM TRÊN MẠCH ĐIỆN TỰ LẮP