TỔNG QUAN
Vật Lý là một bộ môn khoa học thực nghiệm, vì vậy việc tăng cường hoạt động thực nghiệm cho học sinh là giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng dạy và học Trong chương trình Vật Lý lớp 11 THPT, từ trường chiếm tỷ trọng lớn, nhưng kiến thức này lại khá trừu tượng và khó hiểu Do đó, cần có các bộ thí nghiệm để giúp học sinh dễ dàng tiếp cận và hiểu rõ hơn Hiện nay, nhiều bộ thí nghiệm từ đơn giản đến hiện đại đã được sản xuất trong và ngoài nước để phục vụ cho việc giảng dạy môn Vật Lý tại các trường Trung học phổ thông.
Hình 1.1 Bộ thí nghiệm đo lực từ, cảm ứng từ do Công ty Cổ phần Sách và
Thiết bị trường học TP Hồ Chí Minh (a) [1], Công ty TNHH Ngày Chủ Nhật
(SUNDAY) (b) [2] và Công ty Pasco (Mỹ) (c, d) sản xuất [3]
Nhiều trường THPT hiện nay đã được trang bị bộ thí nghiệm khảo sát lực từ và cảm ứng từ, do Công ty Cổ phần Sách và Thiết bị trường học cung cấp.
Công ty TNHH Ngày Chủ Nhật (SUNDAY) và TP Hồ Chí Minh đã phát triển các bộ thí nghiệm nhằm giảng dạy kiến thức về từ trường trong chương trình Vật Lý 11 Bộ thí nghiệm này bao gồm các dụng cụ đo hiện số của Công ty Pasco (Mỹ), cho phép giáo viên và học sinh thực hiện thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng một cách dễ dàng và tiện lợi Mặc dù các thí nghiệm này nhỏ gọn và dễ sử dụng, nhưng việc thực hiện thủ công yêu cầu thao tác tỉ mỉ, cẩn thận, và quá trình xử lý số liệu cũng như vẽ đồ thị mất nhiều thời gian.
Bộ thí nghiệm đo lực từ sử dụng hệ thống cân điện tử được thiết kế bởi nhóm sinh viên Trần Trọng Tân và Nguyễn Khánh thuộc Khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm TP.Hồ Chí Minh.
Nhóm sinh viên Trần Trọng Tân và Nguyễn Khánh đã thực hiện nghiên cứu khoa học về "Bộ thí nghiệm đo lực từ bằng hệ thống cân điện tử" Nghiên cứu này nhằm phát triển một phương pháp đo lường lực từ hiệu quả và chính xác, góp phần vào việc nâng cao chất lượng giáo dục trong lĩnh vực vật lý.
Năm 2016, tại trường Đại học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh, một nghiên cứu đã khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng trong từ trường, cho kết quả đáng tin cậy về mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và góc lệch với cảm ứng từ Tuy nhiên, bộ thí nghiệm hiện tại chưa tự động hóa việc thay đổi góc lệch, và còn thiếu khả năng kết nối với máy vi tính, hiển thị số liệu, đồ thị, cũng như tương tác với người sử dụng, điều này cần được cải tiến.
Để chế tạo một bộ thí nghiệm kết hợp thao tác thủ công và khảo sát tự động, tôi đã chọn thực hiện đề tài “Ứng dụng vi điều khiển Arduino và cảm biến lực chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng phục vụ giảng dạy Vật Lý 11 THPT” làm khóa luận tốt nghiệp Bộ thí nghiệm này sẽ giúp cập nhật chính xác các giá trị lực lên máy tính, từ đó dễ dàng xử lý và vẽ đồ thị để kiểm chứng với lý thuyết.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lực từ tác dụng lên dòng điện thẳng đặt trong từ trường
Khi một dây dẫn thẳng có chiều dài l, mang dòng điện I đặt trong từ trường đều B
Khi dòng điện Il chạy qua dây dẫn, nó sẽ chịu tác động của lực từ F Lực từ này được đặt tại trung điểm M1M2 và có phương vuông góc với vector l và B.
, có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái và có độ lớn được xác định bởi:
𝐅 𝐁𝐈𝒍𝐬𝐢𝐧𝛂 (1) trong đó α là góc tạo bởi B và l Nếu lực từ F tác dụng lên N phần tử dòng điện Il thì độ lớn của F được xác định theo công thức:
Hình 2.1 Sơ đồ thể hiện lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện chạy qua
Theo công thức (1), khi cảm ứng từ B và chiều dài đoạn dây dẫn không đổi, đồ thị mối quan hệ giữa lực từ F và góc α có hình dạng sin như hình 2.2a Nếu biểu diễn mối quan hệ giữa lực từ và sinα, đồ thị sẽ là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ, như thể hiện trong hình 2.2b.
Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa lực từ F theo góc (a) hoặc theo sin (b) theo lý thuyết
2.1.3 Các đại lượng cần kiểm chứng, đo đạc
Mô hình thí nghiệm được thiết kế để kiểm chứng công thức (2) thông qua việc đo lực tương tác F giữa từ trường có cảm ứng từ B và đoạn dây dẫn thẳng N với các giá trị cường độ dòng điện I và góc α khác nhau Cảm ứng từ B được xác định bằng đầu dò từ trường, trong khi lực F được đo bằng cảm biến lực (Loadcell) Cường độ dòng điện I và góc α được xác định bằng ampe kế và encoder Góc α giữa phương cảm ứng từ B và phương dòng điện I được điều chỉnh tự động bằng cách xoay nam châm điện quanh trục thẳng đứng Hệ thống thí nghiệm còn cho phép người dùng thay đổi cường độ dòng điện qua khung dây dẫn để khảo sát đồ thị với các giá trị I khác nhau.
Vi điều khiển Arduino Nano
Arduino được ra đời tại thị trấn Ivrea, Italia và chính thức ra mắt vào năm 2005, với mục đích phục vụ cho việc học tập của sinh viên dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Massimo Banzi, một trong những nhà phát triển chính của Arduino tại Viện thiết kế tương tác Ivrea (IDII) Tên gọi Arduino được lấy từ quán Bar di Re Arduino, nơi mà ông và các cộng sự thường xuyên gặp gỡ trong quá trình phát triển vi điều khiển này.
2.2.2 Cấu tạo vi điều khiển Arduino Nano CH340
Hình 2.3 Vi điều khiển Arduino Nano CH340 (a) và sơ đồ chân (b) [5]
Arduino Nano CH340 là một phiên bản nhỏ gọn của dòng vi điều khiển Arduino, với kích thước 18,54 x 43,18mm và sử dụng vi xử lý 8bit ATmega328 – AU Bo mạch này có 14 chân Digital (D0 đến D13) và 8 chân Analog (A0 đến A7) với độ phân giải 10bit Đặc biệt, Arduino Nano CH340 tích hợp 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) để hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
2.2.3 Chức năng mạch Arduino Nano CH340 trong mô hình Đặc điểm nổi bật của Arduino là KIT phát triển trên nền tảng chip AVR, hỗ trợ đa chức năng, trên Arduino có sẵn các chân cắm, tích hợp mạch nạp, có các
Arduino nổi bật với hệ thống thư viện mở phong phú, cho phép kết nối linh hoạt với nhiều loại cảm biến và module hỗ trợ, so với các dòng vi điều khiển như PIC, AVR, STM Ngôn ngữ lập trình của Arduino dựa trên C/C++, giúp người dùng dễ dàng lập trình Hơn nữa, Arduino là nền tảng chuẩn hóa, cho phép người dùng không cần kiến thức sâu về điện tử vẫn có thể sử dụng một cách dễ dàng.
Bảng 1 Các thông số kỹ thuật nổi bật của Arduino Nano CH340 ĐẶC TÍNH THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Vi xử lý ATmega328P – AU họ 8 – bit
IC nạp và giao tiếp UART CH340 Điện áp hoạt động 5V-DC
Tần số hoạt động 16 MHz
Mức điện áp giao tiếp GPIO TTL 5V-DC
Dòng tối đa mỗi chân I/O 40mA
Số chân Digital 14 chân, trong đó có 6 chân PWM
Số chân Analog 8 chân (độ phân giải 10 bit)
Dòng ra tối đa (5V) 500mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50mA
Bộ nhớ Bộ nhớ Flash là 32KB
Bộ nhớ SRAM là 2KB
Bộ nhớ EEPROM của thiết bị có dung lượng 1KB Thiết bị được trang bị 14 chân Digital (từ D0 đến D13) cho phép nhập xuất tín hiệu số, trong đó có 6 chân D3, D5, D6, D9, D11 hỗ trợ chức năng cấp xung PWM 8 bit.
+ 4 chân giao tiếp SPI: D10 (SS), D11 (MOSI), D12 (MISO), D13 (SCK)
+ ATmega328P cho phép truyền dữ liệu thông qua 2 chân D0 (RX) và D1 (TX)
Các chân Analog từ A0 đến A7 có độ phân giải 10 bit (từ 0 đến 1023) và được sử dụng để đọc tín hiệu điện áp trong khoảng 0 đến 5V (mặc định).
2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác [7]
Trong đề tài khóa luận này, vi điều khiển Arduino Nano CH340 được lựa chọn do chức năng tương tự Arduino Uno R3, dòng Arduino phổ biến nhất hiện nay, nhưng với ưu điểm nhỏ gọn hơn và dễ dàng tích hợp vào bảng mạch điều khiển Arduino Nano CH340 thực hiện nhiều chức năng quan trọng trong các dự án điện tử.
Chân Analog A0 nhận tín hiệu điện áp từ IC khuếch đại INA125P, sau đó thông qua một hàm biến đổi, tín hiệu này được chuyển đổi thành giá trị lực tác động lên cảm biến.
+ Chân A4 và A5 giao tiếp với màn hình LCD1602 – I2C
+ Chân D2 đọc tín hiệu xung từ encoder để xác định góc quay của nam châm điện
+ Chân D3 đọc tín hiệu đóng/ngắt của công tắc hành trình để xác định vị trí chọn làm mốc của góc
+ Chân D6 nhận tín hiệu từ nút nhấn TARE – mặc định giá trị lực từ tại thời điểm nhấn nút có giá trị bằng 0
+ Chân D9 và D10 nhận tín hiệu từ nút nhấn UP và DOWN để chuyển đổi các danh mục hiển thị trên màn hình LCD
+ Chân D11 nhận tín hiệu từ nút nhấn START – khởi động quá trình đo
+ Chân D12 nhận tín hiệu từ nút nhấn OFFSET – điều khiển nam châm quay về vị trí gốc tọa độ được chọn
+ Chân D8 xuất tín hiệu điều khiển relay đóng/ngắt nhằm kiểm soát quá trình quay của nam châm điện.
Cảm biến lực (Loadcell)
Cảm biến lực là một linh kiện điện tử gồm hai thành phần chính: các điện trở đặc biệt nhỏ gọi là "strain gauge" và một thanh kim loại chịu tải Các strain gauge R1, R2, R3, R4 được kết nối thành mạch cầu Wheatstone và dán vào bề mặt cảm biến Khi điện áp được cấp vào các vị trí (1) và (4), tín hiệu điện áp đầu ra được đo giữa (2) và (3) Khi vật nặng đặt lên cảm biến, thanh kim loại sẽ uốn cong do trọng lực, làm thay đổi giá trị của các điện trở strain gauge và dẫn đến sự thay đổi tín hiệu điện áp Qua IC khuếch đại INA125P và vi điều khiển Arduino Nano CH340, giá trị lực tác dụng lên cảm biến được ghi nhận từ những thay đổi này.
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lí mạch cầu Wheatstone của Loadcell (a) [7] và hình ảnh mô phỏng cấu tạo cảm biến lực – loadcell (b) [8]
IC khuếch đại đo lường INA125P
IC khuếch đại đo lường INA125P là linh kiện lý tưởng để khuếch đại tín hiệu với điện áp tham chiếu chính xác Vì tín hiệu ngõ ra từ cảm biến lực rất nhỏ, nên cần phải khuếch đại trước khi đưa vào Arduino để xử lý Hai phương pháp phổ biến để khuếch đại tín hiệu ngõ ra của cảm biến lực là sử dụng IC INA125P hoặc module chuyển đổi ADC 24bit HX711.
Mạch 24 bit HX711 chuyển đổi giá trị analog từ cảm biến lực sang digital trước khi gửi về Arduino, dẫn đến tốc độ cập nhật dữ liệu chậm Để khắc phục, IC khuếch đại đo lường INA125P được lựa chọn vì nó ghi nhận trực tiếp tín hiệu analog từ cảm biến, khuếch đại tín hiệu và gửi về Arduino mà không cần chuyển đổi thành tín hiệu digital, nhờ đó cải thiện đáng kể tốc độ ghi dữ liệu.
Hình 2.5 IC khuếch đại đo lường INA125P (a) và sơ đồ chân (b).
Một số linh kiện khác
2.5.1 Động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều (direct – current motor) là loại động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều, biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học [9] Cấu tạo của động cơ gồm stator là các cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện và rotor là các cuộn dây được kết nối với nguồn điện một chiều
Rotor trong động cơ DC quay liên tục theo một chiều nhờ bộ chỉnh lưu gồm cổ góp và chổi than, giúp đảo chiều dòng điện qua cuộn dây của rotor sau mỗi nửa chu kỳ Sự đảo chiều này dẫn đến việc từ trường của cuộn dây cũng bị đảo cực liên tục, tạo ra một moment đẩy rotor quay liên tục Động cơ DC này còn tích hợp bộ giảm tốc bên trong, giúp giảm tốc độ quay và tăng lực kéo của động cơ.
Hình 2.6 Mô hình nguyên lí hoạt động của động cơ DC
2.5.2 Mạch tạo dao động sử dụng IC555
IC NE555 là một linh kiện quan trọng trong việc tạo xung vuông, hoạt động như một máy phát xung với khả năng thay đổi tần số linh hoạt Nó có thể được sử dụng để điều chế độ rộng xung (PWM) và vị trí xung (PPM), phục vụ cho nhiều ứng dụng trong điện tử.
Hình 2.7 IC NE555 (a) và sơ đồ chân (b).
Mạch dao động đa hài là một loại mạch điện tử thiết kế để thực hiện các chức năng có hai trạng thái đơn giản, như dao động thăng giáng Mạch này không có trạng thái ổn định mà liên tục chuyển đổi giữa hai trạng thái mà không cần xung kích thích bên ngoài Cấu trúc của mạch dao động đa hài bao gồm một IC 555, hai điện trở R, hai diode và một tụ điện C, nhằm tạo ra xung vuông để điều khiển tốc độ quay của nam châm điện thông qua việc điều khiển động cơ.
Động cơ DC hoạt động với một nguồn điện áp không đổi, và để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ, cần phải kiểm soát điện áp cấp cho nó Sơ đồ mạch nguyên lý của mạch dao động đa hài cho thấy cách thức điều khiển này.
Để điều chỉnh thời gian cấp áp Ton và thời gian nghỉ Toff trong một chu kỳ dao động của sóng vuông, ta cần thay đổi các giá trị của điện trở R1, R2 và điện dung C của tụ theo công thức đã định.
Hình 2.9 Đồ thị sóng vuông cấp cho động cơ DC hoạt động [10]
2.5.3 Hệ truyền động bánh răng
Mô hình này không chỉ sử dụng IC 555 để điều khiển tốc độ quay của nam châm điện mà còn áp dụng hệ thống truyền động bằng bánh răng Hệ thống này giúp truyền động giữa trục động cơ DC và trục nam châm điện, đồng thời cho phép thay đổi tỉ số truyền.
Hình 2.10 Nam châm điện và bánh răng trục chính (a), hệ thống ba bánh răng truyền động của động cơ DC (b)
Trong mô hình này, yêu cầu là điều chỉnh tỉ số truyền giữa bánh răng của động cơ DC và bánh răng của trục nam châm điện để giảm tốc độ quay của nam châm điện mà không thay đổi chiều chuyển động của nó Do đó, bài toán chỉ cần được xem xét như vậy.
Trục sơ cấp có 22 răng, tương ứng với bánh răng gắn với động cơ DC, trong khi trục thứ cấp có 51 răng, gắn với trục nam châm điện Từ đó, chúng ta có thể tính toán tỉ số truyền giữa hai trục này.
Giá trị này cho thấy nam châm điện chỉ quay một vòng khi động cơ DC quay 2.32 vòng, điều này cho thấy tốc độ quay của nam châm điện thấp hơn so với động cơ DC.
Hình 2.11 Relay (a) và sơ đồ chân (b) [12]
Khi dòng điện đi qua cuộn dây của relay, từ trường được tạo ra sẽ hút lõi sắt non, dẫn đến việc thay đổi trạng thái công tắc Vì vậy, relay được sử dụng trong các thí nghiệm như một thiết bị đóng/ngắt mạch điện thụ động, giúp điều khiển hoạt động của động cơ DC.
Encoder là thiết bị mã hóa vòng quay, bao gồm một cặp diode để thu và phát tín hiệu quang học từ một đĩa tròn có lỗ hoặc sơn, tạo ra các điểm có khoảng cách đều.
Hình 2.12 Mô hình nguyên lí hoạt động của encoder [14]
Nguyên lý hoạt động của encoder dựa trên việc đĩa tròn quay, khi đó diode thu sẽ không nhận được tín hiệu ở các vị trí bị che khuất bởi tín hiệu phát sáng từ diode phát Điều này tạo ra chuỗi tín hiệu sáng/tắt gửi về bộ phận xử lý Nhờ vào nguyên tắc này, encoder được ứng dụng để đọc giá trị góc quay và vòng quay của đĩa, động cơ hoặc các thiết bị cần xác định chính xác vị trí góc và vòng quay.
Hình 2.13 Màn hình LCD 16x02 (a) và module I2C (b)
Màn hình LCD 16x02 là một thiết bị hiển thị nhỏ gọn, chuyên dùng để trình bày ký tự và chữ số, thường được sử dụng trong các dự án Arduino để hiển thị thông số từ cảm biến Màn hình này được cấu trúc thành các ô nhỏ, mỗi ô chỉ hiển thị một ký tự trong bảng mã ASCII Để kết nối với LCD 16x02, thông thường cần ít nhất sáu chân, bao gồm RS, EN, D7, D6, D5, D4 Tuy nhiên, khi sử dụng module I2C, chỉ cần kết nối hai chân SDA và SCL của LCD với hai chân tương ứng trên module, giúp đơn giản hóa quá trình giao tiếp.
Mô-đun này có khả năng hiển thị thông tin trên màn hình và được trang bị nút vặn để người dùng điều chỉnh độ tương phản theo ý thích.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Mô hình thí nghiệm
Hệ cơ học trong mô hình này được lắp ráp từ vật liệu gỗ, mang lại lợi ích về giá thành thấp, dễ tìm kiếm, và đảm bảo tính vững chắc, độ bền cao, đồng thời giảm thiểu sự rung lắc để tránh sai lệch kết quả đo trong quá trình vận hành.
Hình 3.1 Khung máy và các thông số kích thước
Nam châm điện bao gồm một lõi sắt hình chữ U và dây dẫn đồng có lớp cách điện quấn quanh Để đảm bảo nguồn điện cung cấp cho nam châm luôn ổn định trong quá trình hoạt động mà không bị vướng dây điện, ngõ cấp điện được kết nối với hai cổ góp bằng đồng, đặt đồng trục với trục quay của nam châm.
Hai cổ góp này được cách điện với nhau và kết nối với nguồn điện bên ngoài qua hệ thống chổi than, giúp nam châm nhận được điện liên tục trong suốt quá trình quay.
Hình 3.2 Nam châm chữ U được tích hợp cổ góp (a) và hệ thống chổi than kết nối với nguồn vào (b)
Động cơ DC tích hợp bộ giảm tốc và hệ truyền động bánh răng được sử dụng để điều khiển tốc độ quay của nam châm Hệ truyền động này bao gồm ba bánh răng có kích thước và số răng giống nhau, với mỗi bánh răng có 22 răng Trong đó, một bánh răng chủ động gắn với trục động cơ, hai bánh răng thụ động ăn khớp với bánh chủ động và truyền động cho bánh răng 51 răng gắn trên trục nam châm, với hệ số truyền đã được tính toán Bên trong hộp động cơ, một encoder được lắp đặt để đọc góc quay của nam châm, cùng với một công tắc hành trình gửi tín hiệu về Arduino để thực hiện ngắt động cơ khi cần thiết.
Hình 3.3 Hệ động cơ và truyền động của bộ thí nghiệm
3.1.4 Hệ đồng hồ và biến trở điều chỉnh dòng điện
Hình 3.4 Hệ đồng hồ đo và điều chỉnh chiều, cường độ dòng điện qua nam châm (số 1) và khung dây (số 2)
Ampe kế có giới hạn đo 2A và độ chia nhỏ nhất 0.1A được gắn trên bộ khung để xác định cường độ dòng điện qua nam châm điện và khung dây dẫn Nó được kết nối với hai biến trở để thay đổi cường độ dòng điện, giúp người dùng khảo sát lực từ ở các giá trị khác nhau Hai công tắc đảo cực kết nối với ampe kế giúp đảo chiều dòng điện, hỗ trợ người làm thí nghiệm.
23 thế khảo sát thí nghiệm trên khi thay đổi chiều của từ trường bên trong nam châm cũng như chiều của lực từ.
Mạch điện tử
3.2.1 Nguyên lí hoạt động của mạch điện tử
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lí của hệ điện tử trong mô hình
3.2.2 Chức năng của từng bộ phận trong hệ thống
Mô hình này sử dụng Arduino Nano CH340 làm bộ xử lý trung tâm để đọc giá trị từ các cảm biến và hiển thị thông tin trên màn hình LCD Bộ thí nghiệm có khả năng hoạt động ở hai chế độ: thủ công và tự động.
Trong chế độ thủ công, Arduino Nano đọc giá trị từ cảm biến lực (loadcell) và giá trị góc từ encoder, sau đó hiển thị trên màn hình LCD để người dùng ghi nhận và xử lý số liệu, cũng như vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lực theo góc quay Ở chế độ tự động, Arduino ghi nhận và lưu trữ các giá trị lực và góc quay vào bộ nhớ, cho phép người dùng trích xuất dữ liệu qua phần mềm Microsoft Excel hoặc Origin để xử lý và vẽ đồ thị.
Mạch điện tử hoàn chỉnh
Hình 3.6 Mạch điện tử sau khi hàn linh kiện
Mạch điện tử được thiết kế bằng phần mềm OrCAD và gia công tại phòng thí nghiệm Hình 3.6 hiển thị các linh kiện được đánh số thứ tự từ trái sang phải.
Bảng 2 Bảng thống kê các linh kiện trong mạch điện tử
Số thứ tự Tên linh kiện
1 Domino cấp nguồn vào xoay chiều
2 Diode chỉnh lưu cầu RS507L
4 Domino ngõ vào của cảm biến lực – Loadcell
5 IC khuếch đại đo lường INA125P
14 Pin cắm chân các nút bấm
18 IC tạo dao động NE555
23 Domino ngõ ra của động cơ DC
24 Domino ngõ vào của encoder
25 Domino ngõ vào của công tắc hành trình
3.3.1 Cách sử dụng mạch điện tử
Tiếp theo, hệ điện tử được kết nối với các linh kiện và nguồn nuôi theo các bước sau:
+ Bước 1: Kết nối 4 dây ngõ ra của cảm biến lực với domino số 4
+ Bước 2: Kết nối chân pin của LCD 16x02 – I2C với đế pin số 7
+ Bước 3: Kết nối chân pin của các nút bấm với đế pin số 14
+ Bước 4: Kết nối 2 chân cực của động cơ DC với domino số 23
+ Bước 5: Kết nối 3 chân (+, –, signal) của encoder với domino số 24
+ Bước 6: Kết nối 2 chân cực của công tắc hành trình với domino số 25 + Bước 7: Cấp nguồn xoay chiều cho mạch điện tử vào domino số 1.
Kết quả đo đạc
3.4.1 Khảo sát từ trường bên trong nam châm chữ U a B ố trí h ệ đ o – ti ế n hành đ o
Mục tiêu của bộ thí nghiệm này là khảo sát lực tác dụng lên dòng điện thẳng trong từ trường đều, yêu cầu thiết kế bộ thí nghiệm phải đảm bảo từ trường giữa hai bản kim loại của nam châm chữ U là đồng nhất Tuy nhiên, độ lớn cảm ứng từ tại mỗi vị trí trong vùng từ trường này không đồng đều, do đó cần khảo sát độ lớn cảm ứng từ ở tất cả các điểm trong vùng từ trường giữa hai bản kim loại Các bước thực hiện sẽ được tiến hành để đạt được mục tiêu này.
Bước đầu tiên trong quá trình khảo sát là xác định vùng từ trường, với hình dạng hình hộp có kích thước 12x10x9cm, nằm giữa hai bản kim loại của nam châm, như được mô tả trong hình 3.7.
Hình 3.7 Vùng từ trường khảo sát bên trong nam châm điện
+ Bước 2: Nối nam châm với nguồn điện và lần lượt điều chỉnh biến trở cho cường độ dòng điện qua nam châm có giá trị 0.5A và 1.0A
+ Bước 3: Chia vùng từ trường này thành các ô nhỏ có thể tích 1cm 3 , chọn gốc tọa độ đo là ô trong cùng, ở mép trên của bản kim loại như hình 3.7
Để thực hiện quy trình, đầu tiên, hãy đặt hệ đo như hình 3.7 và điều chỉnh nam châm về vị trí 0 0, nơi mà nam châm vừa chạm vào công tắc hành trình khi di chuyển từ trái sang phải Sau đó, tiến hành reset giá trị cảm ứng từ ghi nhận bởi máy đo về giá trị 0.
Hình 3.8 Đầu dò đo cảm ứng từ trước (a) và sau khi reset (b)
Bước 6: Tiến hành khảo sát cảm ứng từ B tại ô được chọn làm mốc, sau đó đo cảm ứng từ tại tất cả các ô trong khu vực bằng cách di chuyển các thanh trượt trên các hệ tọa độ x, y, z như trong hình minh họa.
Hình 3.9 Hệ đo cảm ứng từ đã được lắp đặt và tiến hành đo bằng cách di chuyển hệ theo ba trục x, y, z
Bước 7: Cập nhật dữ liệu vào bảng và tiến hành vẽ đồ thị độ lớn cảm ứng từ bên trong nam châm điện bằng phần mềm Mathematica 11.3 Kết quả khảo sát cho thấy sự phân bố độ lớn cảm ứng từ trong nam châm điện.
Tiến hành thí nghiệm khảo sát theo các bước trên, các số liệu thu được sẽ được đưa vào phần mềm Mathematiaca 11.3 và vẽ thành đồ thị như sau:
Hình 3.10 trình bày đồ thị ba chiều thể hiện độ lớn cảm ứng từ giữa hai bản kim loại của nam châm khi có dòng điện đi qua với cường độ 0.5A (a) và 1.0A.
Chiều cảm ứng từ giữa hai bản kim loại của nam châm là từ cực Bắc sang cực Nam Dựa vào các đồ thị, giá trị cảm ứng từ tại các điểm trong từ trường không đều nhau, nhưng độ lớn cảm ứng từ ở giữa không chênh lệch nhiều Khung dây dẫn trong thí nghiệm đặt đồng trục với trục quay của nam châm, có chiều dài 4cm và cao 1cm, tạo ra vùng từ trường thực tế kích thước 5x5x1cm Khung dây có hai cạnh nằm ngang, theo quy tắc bàn tay trái, sẽ chịu hai lực từ ngược chiều khi có dòng điện đi qua Giá trị cảm biến lực thu được là hiệu độ lớn của hai lực từ này, từ đó tính được độ lớn trung bình cảm ứng từ của hai vùng không gian cao 5cm và 14cm.
N là tổng giá trị cảm ứng từ tại độ cao z trong vùng từ trường khảo sát Từ biểu thức (6), ta có thể tính được cảm ứng từ trung bình trong không gian 5x5x1cm ở giữa.
Với tọa độ i, j là vị trí của đầu dò khảo sát độ lớn cảm ứng từ theo trục x, y, chúng ta có thể tính toán giá trị cảm ứng từ trung bình ở hai mức độ cao là z = 5cm và z = 14cm dựa vào biểu thức (7) và bảng giá trị khảo sát cảm ứng từ B ở phần phụ lục Kết quả này được trình bày trong bảng 3.
Bảng 3 Độ lớn cảm ứng từ trung bình ở cạnh trên (z = 5cm) và cạnh dưới
3.4.2 Khảo sát lực từ tác lên dòng điện thẳng a B ố trí h ệ đ o – ti ế n hành đ o
Hình 3.11 Bố trí hệ đo lực từ
Hệ đo được bố trí như hình 3.11 gồm:
+ Một hệ cân điện tử sử dụng cảm biến lực – Loadcell tích hợp cùng mạch điện tử với vi điều khiển Arduino
Khung dây dẫn có kích thước 4x10cm với 200 vòng dây, kết hợp với hệ nút bấm cầm tay bao gồm các nút UP, DOWN, START, OFFSET, TARE để điều khiển mạch điện tử Ngoài ra, bộ nguồn ngoài cung cấp năng lượng cho nam châm và khung dây dẫn.
+ Bộ khung cơ khí có tích hợp hai ampe kế đo cường độ dòng qua nam châm, khung dây
Tiếp theo, quy trình khảo sát độ lớn lực từ phụ thuộc vào góc quay được tiến hành theo các bước sau:
+ Bước 1: Kết nối nam châm và khung dây dẫn thẳng với nguồn điện một chiều
+ Bước 2: Nhấn nút OFFSET để nam châm quay về vị trị 0 0 , vị trí cần gạt của nam châm chạm công tắc hành trình
+ Bước 3: Đặt khung dây lên cân lực sao cho mặt phẳng khung dây song song với mặt phẳng của nam châm tại vị trí góc quay bằng 0 0
+ Bước 4: Điều chỉnh núm vặn đồng hồ 1 sao cho kim điện kế lần lượt chỉ 0.5A và 1.0A là các giá trị cường độ dòng điện qua nam châm
+ Bước 5: Điều chỉnh núm vặn đồng hồ 2 sao cho kim điện kế lần lượt chỉ 0.5A và 1.0A là các giá trị cường độ dòng điện qua cuộn dây
Để bắt đầu quá trình đo lực từ, đầu tiên nhấn nút TARE để thiết lập giá trị lực từ ban đầu là 0 Sau đó, nhấn nút START để chuyển sang chế độ 2, lúc này hệ thống sẽ bắt đầu đo Nam châm sẽ quay quanh trục, trong khi giá trị lực từ và α được ghi lại liên tục và lưu trữ trong bộ nhớ của Arduino để hiển thị ở bước tiếp theo.
Hình 3.12 LCD hiển thị chuyển sang mode 2 và ghi nhận kết quả đo
Sau khi hoàn tất quá trình đo, ở chế độ thủ công, màn hình LCD sẽ tự động chuyển sang chế độ 3, hiển thị các giá trị lực từ và góc quay tương ứng Điều này giúp người thực hiện thí nghiệm dễ dàng quan sát, xử lý số liệu và vẽ đồ thị thủ công Ngoài ra, dữ liệu cũng có thể được trích xuất qua Serial Monitor của Arduino IDE và sử dụng phần mềm Microsoft Excel để vẽ đồ thị kiểm chứng ở chế độ tự động.
Hình 3.13 LCD chuyển sang mode 3 và hiển thị các giá trị đã ghi nhận b K ế t qu ả đ o
Sau khi thực hiện thí nghiệm khảo sát theo các bước đã đề ra, dữ liệu thu thập sẽ được nhập vào phần mềm Microsoft Excel để tạo đồ thị minh họa.
Hình 3.14 Đồ thị sự phụ thuộc giá trị lực từ F vào góc quay α (a) và đồ thị sự phụ thuộc của lực từ theo sinα (b) khi Inam châm = 0.5A
Hình 3.15 trình bày đồ thị sự phụ thuộc của giá trị lực từ F vào góc quay α (a) và sự phụ thuộc của lực từ theo sinα (b) khi dòng điện Inam châm là 1.0A Phân tích kết quả cho thấy mối quan hệ giữa lực từ và góc quay, cũng như ảnh hưởng của sinα đến lực từ trong điều kiện dòng điện ổn định.
Từ các đồ thị, lực từ F phụ thuộc vào góc quay α, với mối quan hệ giữa F và sinα phù hợp với lý thuyết Độ lớn F tuân theo quy tắc hàm sin, tạo thành đường thẳng khi biểu diễn theo sinα Trong hai đồ thị hình 3.14 và 3.15, giá trị Fmax tương ứng với Ikhung dây = 1A gần gấp đôi so với Fmax ở giá trị khác.