Bài thi này đề cập đến một dụng cụ nhà bếp rất thú vị: bếp từ. Thiết bị này chủ yếu bao gồm một cuộn dây, khi cho dòng điện xoay chiều chạy qua sẽ làm nóng chảo kim loại đặt trên bếp. Đây là một phương pháp nấu ăn hiện đại, mang lại một số lợi ích như môi trường nấu ăn an toàn hơn (không có lửa hay khí dễ cháy), đồ dùng sạch hơn (không có bồ hóng), nấu nhanh hơn và thân thiện với môi trường hơn (có thể sử dụng điện tái tạo). Trong thí nghiệm này, chúng ta sẽ khám phá các nguyên lý vật lý cơ bản của bếp từ.
Bài thí nghiệm bao gồm ba phần. Đầu tiên, chúng ta sẽ đo độ tự cảm của cuộn dây ($L$) và điện trở thuần của nó ($R_L$). Thứ hai, chúng ta sẽ nghiên cứu hiệu ứng thấm bề mặt (skin depth phenomena) của kim loại, hiện tượng rất quan trọng đối với nấu ăn bằng bếp từ. Thứ ba, chúng ta sẽ xác định nhiệt dung riêng ($c$) của các loại chảo kim loại khác nhau và điện trở tải hiệu dụng của chúng ($R_{\mathrm{LOAD}}$).
Tham số/Hằng số Ký hiệu Giá trị Stefan-Boltzmann $\sigma_S$ $5.670\times10^{-8}\:{\rm W\:m^{-2}K^{-4}}$ Độ từ thẩm của chân không $\mu_0$ $4\pi\times10^{-7}\: {\rm H/m}$ Khối lượng riêng của nhôm (Al) $\rho_{\textrm{Al}}$ $2700 \, \mathrm{kg/m^3}$ Khối lượng riêng của SS410 $\rho_{\textrm{SS410}}$ $7700 \, \mathrm{kg/m^3}$ Hệ số phát xạ nhiệt của nhôm (Al) $e_{\textrm{Al}}$ 0,65 Hệ số phát xạ nhiệt của SS410 $e_{\textrm{SS410}}$ 0,8
GHI CHÚ:
Thành phần chính đầu tiên trong bếp từ là cuộn dây. Trong thí nghiệm này, chúng ta sẽ đo độ tự cảm ($L$ ) của cuộn dây số 1 (cuộn dây trên cùng) như được thấy trong Hình 3b. Cuộn dây này có thể được mô hình hóa như một cuộn cảm lý tưởng $L$ nối tiếp với điện trở thuần $R_L$.
Chúng ta sẽ sử dụng mạch RLC mắc nối tiếp bao gồm điện trở kim loại màu vàng $R_1$, cuộn dây số 1 và một tụ điện. Có bốn tụ điện khác nhau. Rất lưu ý rằng điện áp đầu ra của Máy phát xung (FG) thay đổi khi em thay đổi tần số vì trở kháng của tải thay đổi theo.
Không thể bỏ qua sự đóng góp của điện trở từ tất cả các dây nối ($R_C$ ) vào tổng trở ($R_{\mathrm{TOT}}$ ) trong mạch. Hãy xác định $R_C$ bằng cách dùng chế độ đo điện trở.
GHI CHÚ:
A. Độ hỗ cảm
Trong thí nghiệm #2 này, chúng ta sẽ sử dụng hai cuộn dây như được thấy trong Hình 4, nhưng không sử dụng bất kỳ tấm kim loại nào. Đầu tiên, chúng ta sẽ đo độ hỗ cảm $M$ giữa hai cuộn dây. Theo định luật Faraday, sự thay đổi dòng điện ở cuộn dây thứ nhất sẽ tạo ra điện áp cảm ứng trong cuộn dây thứ hai.
B. Thí nghiệm độ sâu thấm bề mặt (Skin depth)
Khái niệm “độ sâu thấm bề mặt” đóng vai trò quan trọng trong bếp từ. “Độ sâu thấm bề mặt” đặc trưng cho độ sâu thâm nhập của trường điện từ cảm ứng vào kim loại gây ra bởi dòng điện xoay chiều (AC). Trong thí nghiệm này, chúng ta sẽ nghiên cứu độ sâu thấm bề mặt của một số kim loại khác nhau mà có thể được sử dụng làm chảo nấu ăn. Chúng ta sẽ nghiên cứu sự phụ thuộc độ sâu thấm bề mặt vào tần số và đo độ dẫn điện ($\sigma$) của kim loại.
Chúng ta đặt cuộn dây số 1 làm cuộn sơ cấp và cuộn dây số 2 làm cuộn dây thứ cấp. Vì tổng độ dày của các tấm kim loại ($\sim 3 \, \mathrm{mm}$) là nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa hai cuộn dây ($15 \, \mathrm{mm}$), chúng ta có thể coi rằng từ trường tại đáy, gần cuộn thứ cấp là xấp xỉ không đổi (nếu không có tấm kim loại đặt vào).
Theo các phương trình Maxwell, khi một điện trường hoặc từ trường dao động xuyên qua một vật dẫn, cường độ trường bên trong vật dẫn sẽ giảm theo hàm mũ theo khoảng cách xuyên vào $z$:
$$B(z)= B_0\: e^{-z/\delta}\:\cos (\omega t - z/\delta + \phi)$$
trong đó, $B_0$ là biên độ từ trường trước khi nó đi vào vật dẫn, $\delta$ là “độ sâu thấm bề mặt” và $\phi$ là pha. Lưu ý: chúng ta bỏ qua yếu tố pha$(-z/\delta+\phi)$ trong thí nghiệm này.
Độ sâu thấm bề mặt trong một vật dẫn được đưa ra như sau:
$$\delta = \sqrt{\frac{\sigma^m f^n}{\pi \mu}}$$
trong đó $\sigma$ là độ dẫn điện,$f$ là tần số, $\mu = \mu_r \times \mu_0$ là độ từ thẩm, $m$ và $n$ là các số mũ (số nguyên) và sẽ được xác định trong thí nghiệm này.
Chúng ta sẽ tiến hành thí nghiệm trên bốn kim loại: (1) Nhôm (Al), (2) Đồng, (3) Thép không gỉ “SS304” và (4) Thép không gỉ “SS410”. Khi đặt các tấm kim loại vào giữa các cuộn dây, điện áp trong cuộn dây thứ cấp sẽ giảm do từ trường bị “che chắn” bởi dòng điện xoáy sinh ra trong kim loại.
Lưu ý: Trước tiên em hãy khảo sát để biết khoảng tần số phù hợp sao cho điện áp ở cuộn thứ cấp thay đổi rõ rệt.
Hãy xây dựng mô hình phương trình tuyến tính và thực hiện thí nghiệm để xác định giá trị $n$ cho mỗi kim loại (làm tròn đến số nguyên gần nhất). Ghi lại số liệu, em có thể sử dụng phép hồi quy tuyến tính để phân tích dữ liệu để thu được các điểm dữ liệu và vẽ các đồ thị cuối cùng cho mỗi kim loại để xác định $n$ và $\sigma$ (sẽ được yêu cầu ở câu Q2.6).
Hãy xác định một kim loại không cho số liệu đáng tin cậy do giá trị độ sâu xâm nhập bề mặt quá lệch và do đó em có thể bỏ qua kim loại đó trong các câu Q2.5 và Q2.6.
LƯU Ý:
Trong thí nghiệm này, chúng ta sẽ sử dụng nhôm và kim loại SS410 làm “chảo nấu”. Đầu tiên, em sẽ gắn “chảo” nhôm (dụng cụ số 11), kẹp nó lên giá đỡ phía trên rồi lật ngược nó lại như minh họa trong Hình 5. Em sẽ sử dụng cuộn dây số 2 , được đặt cách biệt rõ ràng với “chảo”, để đảm bảo không có sự truyền nhiệt do dẫn nhiệt giữa chúng.
Đặt toàn bộ hệ thống trên vào bên trong hộp đen (dụng cụ số 8) để tổn thất nhiệt do đối lưu là không đáng kể. Vì "chảo" kim loại nằm trên một giá đỡ nhựa (là chất cách nhiệt), ta cũng coi rằng không có tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt. Do đó, tổn thất nhiệt duy nhất là do bức xạ ra môi trường xung quanh. Công suất bức xạ nhiệt của một vật có nhiệt độ $T$ được cho bởi công thức:
$$P_{RAD}=e A \sigma_S T^4$$
trong đó $e$ là hệ số phát xạ nhiệt, $\sigma_S$ là hằng số Stefan-Boltzmann và A là diện tích bề mặt bức xạ.
Ta có thể đo nhiệt độ của “chảo” kim loại bằng cách đo điện trở của nhiệt điện trở NTC (được gắn sẵn), với giá trị điện trở được cho bởi công thức:
$$R_{NTC}=R_0\:\exp{[B(1/T-1/T_0)]}$$
trong đó, $R_0 = 10 \, \mathrm{k}\Omega$ là điện trở ở nhiệt độ tham chiếu $T_0 = 298 \, \mathrm{K}$, $B = 3950 \, \mathrm{K}$ là một hằng số, và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối của nhiệt điện trở (K).
Cuối cùng, chúng ta có thể mô hình hóa quá trình gia nhiệt của “chảo” kim loại như là một “điện trở tải”$R_{\mathrm{LOAD}}$ trong mạch Hình 6. Nói cách khác, hệ gồm cuộn dây và chảo kim loại có thể được mô hình hóa là cuộn dây có độ tự cảm $L$, điện trở cuộn dây $R_L$ và “điện trở tải”$R_{\mathrm{LOAD}}$.
Gợi ý: Hãy thực hiện phép đo sau khoảng 30 giây cấp nguồn để đảm bảo cuộn dây cung cấp điện ổn định và nhiệt được phân bổ đều hơn.
D.1. MÁY PHÁT XUNG
Thành phần:
D.2. DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ
1. BẢNG CÁC PHÍM CHỨC NĂNG
Các phím chức năng này cho phép bạn điều hướng qua các cài đặt, chọn chức năng và điều chỉnh các phép đo.
2. CHẾ ĐỘ ĐO MÁY HIỆN SÓNG:
Ở chế độ máy hiện sóng (oscilloscope), thiết bị chỉ đo được điện áp và hiển thị dạng sóng theo thời gian. Chế độ này có thể đo tín hiệu điện áp ở tần số rất cao lên đến$1 \, \mathrm{MHz}$.
3. CHẾ ĐỘ ĐỒNG HỒ ĐO VẠN NĂNG:
Ở chế độ đồng hồ đo vạn năng, thiết bị được sử dụng để đo các thông số điện như điện áp và điện trở. Ở chế độ vôn kế xoay chiều AC, thiết bị hiển thị các số đọc lên tới 4 chữ số có nghĩa nhưng tần số chỉ giới hạn trong khoảng từ 40Hz đến 1kHz.
4. CHỨC NĂNG BỔ SUNG
5. SẠC DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ
Để đảm bảo thiết bị luôn sẵn sàng sử dụng, hãy theo dõi mức pin.