Thực hành đo cảm ứng từ bằng cân dòng điện

Một đoạn dây thẳng nằm ngang, dài $L$, mang dòng điện $I$, đặt trong từ trường đều nằm ngang và vuông góc với dây. Lực từ $F=BIL$ có phương thẳng đứng (vuông góc với cả dây và $\vec B$). Theo định luật III Newton, nam châm tạo từ trường chịu lực phản có độ lớn $F$, ngược chiều.

Đặt nam châm lên đĩa cân điện tử (còn dây dẫn cố định trên giá, không chạm vào cân). Khi có dòng điện, số chỉ cân thay đổi một lượng $\Delta m$ ứng với trọng lượng $\Delta m\,g$ bằng đúng lực từ:

$$BIL=\Delta m\,g\quad\Rightarrow\quad B=\frac{\Delta m\,g}{IL}.$$

Đổi chiều dòng điện thì lực đổi chiều, số chỉ cân tăng lên thay vì giảm (hoặc ngược lại); chọn chiều sao cho số chỉ tăng, để dễ đọc.

Dụng cụ: cân điện tử (độ chia $0{,}01\,\text{g}$), nam châm có khe từ trường đều, đoạn dây có chiều dài $L$ nằm trong khe (đo bằng thước), nguồn điện một chiều, biến trở, ampe kế, khoá, dây nối.

1. Đo chiều dài $L$ của đoạn dây nằm trong từ trường.
2. Lắp mạch theo sơ đồ; chọn chiều dòng điện để số chỉ cân tăng khi đóng khoá.
3. Chưa có dòng điện, ghi số chỉ $m_0$ (hoặc nhấn "tare" để cân về $0$).
4. Điều chỉnh biến trở để $I=0{,}5;\ 1{,}0;\ 1{,}5;\ 2{,}0;\ 2{,}5\,\text{A}$; mỗi lần đọc số chỉ $m$, tính $\Delta m=m-m_0$.
5. Lặp lại vài lần, ghi bảng.

Cách 1: tính $B$ từng lần. $B_i=\dfrac{\Delta m_i\,g}{I_iL}$ (đổi $\Delta m$ sang kg, $L$ sang m). Lấy trung bình $\bar B$. Sai số: độ lệch $\lvert B_i-\bar B\rvert$ lớn nhất (hoặc độ lệch chuẩn mẫu $s$ của các $B_i$). Viết kết quả $B=\bar B\pm\Delta B$, kèm sai số tỉ đối $\delta=\Delta B/\bar B$.

Cách 2: đồ thị. Vẽ $\Delta m$ theo $I$. Các điểm gần một đường thẳng qua gốc có hệ số góc $k=\dfrac{BL}{g}$, nên $B=\dfrac{kg}{L}$. Dùng nhiều điểm giúp giảm ảnh hưởng một lần đo lệch.

• Cân có độ chia hữu hạn (sai số dụng cụ $\pm0{,}01\,\text{g}$ là đáng kể khi $\Delta m$ chỉ cỡ $0{,}1\,\text{g}$); đọc số khi cân chưa ổn định.
• Chiều dài $L$ thực sự trong từ trường khó xác định (từ trường không đều ở mép nam châm).
• Dây không vuông góc với $\vec B$ ($\sin\alpha<1$), hoặc có phần dây ngoài vùng từ trường chịu lực khác.
• Dây nóng lên khi dòng lớn, dòng điện đo không ổn định; dây nối chạm vào cân.